Pobierz artykuł - Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją

ZESZYTY
Nr 6
NAUKOWE
P OLI TECHNI KI
P OZNAŃSKIEJ
Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją
2007
JERZY MERKISZ, PRZEMYSŁAW KURCZEWSKI, ROBERT LEWICKI
WYBRANE ASPEKTY PROŚRODOWISKOWEGO
PROJEKTOWANIA SILNIKÓW SPALINOWYCH
W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia prośrodowiskowego projektowania obiektów
technicznych, koncentrując się na przykładzie analizy oddziaływań środowiskowych silnika spalinowego i wskazaniu możliwości wykorzystania jej wyników. W zakresie analizy środowiskowej
konstrukcji silnika spalinowego wykorzystano jedną z metod ekobilansowych – metodę LCA (Life
Cycle Assessment). Wyniki analizy pozwoliły zidentyfikować dominujące pod względem generowania niekorzystnych oddziaływań środowiskowych elementy silnika, a jednocześnie wskazać
obszary, gdzie wprowadzanie udoskonaleń w istotny sposób sprzyja poprawie jego wizerunku
ekologicznego.
Słowa kluczowe: silnik spalinowy, LCA, ekoprojektowanie
1. WPROWADZENIE
Jednym z priorytetów w zakresie projektowania obiektów technicznych jest
obecnie ograniczenie ich oddziaływania na środowisko naturalne. Dotyczy to
także silników spalinowych, które są powszechnie postrzegane jako jedno ze
źródeł znaczących zmian w środowisku. Dotychczas podejmowane prace nad
poprawą wizerunku środowiskowego silników spalinowych zmierzały zazwyczaj do ograniczenia ilości emitowanych spalin. Przyczyny degradacji środowiska związanej z silnikami spalinowymi są jednak dużo bardziej złożone. Nie
ograniczają się one do konsekwencji procesu spalania, a wynikają również z
wykorzystania do produkcji silników zasobów naturalnych oraz z procesów
wytwórczych, którym zawsze towarzyszy oddziaływanie na środowisko. W
trakcie eksploatacji silników spalinowych emitowany jest hałas i dokonywane są
naprawy, a po zakończeniu użytkowania silnika istotne staje się, czy jego części
mogą być poddane procesowi recyclingu. Te i inne, nie wymienionych tu aspekty powinni uwzględniać konstruktorzy dbający w sposób kompleksowy o środowiskowy wizerunek silników. Ich działania zmierzające do ograniczenia oddziaływań środowiskowych generowanych w całym cyklu istnienia silników
spalinowych wtedy dopiero będą zgodne ze współczesnymi trendencjami projektowaniu.
90
J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki
2. OBIEKT ANALIZY
Analizę możliwości poprawy środowiskowego wizerunku silników spalinowych na podstawie kompleksowej oceny ich oddziaływań środowiskowych rozpoczęto, rozpatruje silnik 1,3 JTD 16V Multijet, produkowany od kwietnia 2003
roku w polskich zakładach Fiat-GM Powertrain, w Bielsku Białej (rys. 1).
Rys. 1. Częściowy przekrój silnika 1,3 JTD [1, 2]
Fig. 1. Sectional view of 1.3 JTD engine [1, 2]
Silnik ten jest to czterocylindrową, turbodoładowaną jednostką o pojemności
1248 ccm, wyposażoną w układ zasilania paliwem typu common rail stanowi on
przykład efektów prac konstrukcyjnych wykonywanych zgodnie z najnowszą
tendencją rozwoju silników spalinowych, w literaturze określaną terminem
„Downsizing” [3]. W porównaniu z innymi silnikami o zbliżonych osiągach
silnik 1,3 JTD charakteryzuje się zwartą budową (460x500x650 mm) oraz niewielką masą własną, która wynosi 130 kg (łącznie z osprzętem). W tabeli 1 zestawiono materiały wykorzystane w budowie tego silnika.
Zwarta budowa i mała masa własna zyskały uznanie sędziów, którzy w prestiżowym konkursie „International Engine of the Year” silnikowi Fiat-GM 1,3
JTD przyznali tytuł Silnika 2005 roku w kategorii silników o pojemności 1,0 –
1,4 dm3. Silnik ten zyskał sobie również uznanie innych producentów. W maju
2005 roku został bowiem wykorzystany do napędu różnych modeli samochodów
marki Fiat (Panda, Punto, Palio, Albea, Idea, Doblo), Lancia (Ypsilon, Musa),
Opel (Agila, Corsa, Tigra, Combo, Astra), Suzuki (Swift, Ignis, Wagon R+) oraz
Subaru G3X Justy [3].
91
Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania…
Tabela 1
Materiały konstrukcyjne wykorzystane w silniku 1,3 JTD [4]
Construction materials used in the 1.3 JTD engine [4]
Stal
Aluminium
Miedź
Tworzywa
sztuczne
Żeliwo
Guma
Pozostałe
Masa [kg]
40,75
22,52
1,35
4,20
59,78
0,42
1,31
Udział w
masie
własnej
31,26%
17,28%
1,04%
3,23%
45,87%
0,32%
1,01%
3. METODA LCA
Do oceny oddziaływań środowiskowych związanych z produkcją silnika 1,3
JTD wykorzystano metodę LCA, która wśród metod ekobilansowych uważana
jest za pozwalającą uzyskać najbardziej wiarygodne wyniki. O jej utylitarności
w dziedzinie motoryzacji świadczyć może fakt, że w pracach z zakresu projektowania dwóch najnowszych modeli samochodów Mercedes (klasy C i klasy S)
wykorzystano tę właśnie metodę. Wyniki jej zastosowania pomogły w znacznym stopniu zoptymalizować obie konstrukcje pod względem środowiskowym.
Metoda środowiskowego oszacowania cyklu istnienia produktów – LCA (Life Cycle Assessment) definiowana jest jako sposób ilościowego określenia obciążenia środowiskowego, oparty na inwentaryzacji czynników środowiskowych
związanych z obiektem, procesem lub inną działalnością w cyklu od wydobycia
surowców do ich końcowego zagospodarowania [5]. Metoda LCA jest jednym z
narzędzi ekobilansowych pozwalających ocenić wielkość emisji substancji niebezpiecznych oraz wielkość zużycia energii i materiałów we wszystkich fazach
istnienia wyrobu – poczynając od pozyskania surowców, a na likwidacji wyeksploatowanych produktów kończąc. Poszczególne fazy oceny cyklu istnienia z
wykorzystaniem LCA przedstawiono na rys. 2.
92
J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki
Rys. 2. Etapy oceny ekobilansowej w metodzie LCA [5]
Fig. 2. Stages of ecobalancing assessment in the metod LCA [5]
Wynikiem zastosowania metody LCA do analizy oddziaływań środowiskowych obiektu jest ekowskaźnik w postaci jednej liczby lub profil środowiskowy,
będący charakterystyką wskazującą wielkości generowanych obciążeń środowiskowych w ramach poszczególnych kategorii oddziaływań. Ze względu na prosty i czytelny sposób prezentowania wyników LCA jest metodą szczególnie
cenioną przez inżynierów zajmujących się problematyką optymalizacji środowiskowej konstrukcji mechanicznych.
4. WYNIKI ANALIZY EKOBILANOWEJ SILNKA 1,3 JTD
Głównym celem analizy LCA silnika 1,3 JTD była jego ocena pod kątem
ewentualnej optymalizacji środowiskowej. Skoncentrowano się w niej na analizie oddziaływań środowiskowych związanych z procesem wytwarzania silnika,
w tym przede wszystkim na ocenie konsekwencji środowiskowych wykorzystania poszczególnych rodzajów materiałów. Ponadto określono konsekwencje
środowiskowe procesu wycofania silnika z eksploatacji jako etapu kończącego
cykl jego istnienia. Analizę przeprowadzono zgodnie z założeniami metody
LCA, wykorzystując w części obliczeniowej model Eco-Indicator EI99 E/A
Europe. Sumaryczne oddziaływanie na środowisko przedstawiono, identyfikując
wielkości oddziaływań wpływających na zdrowie ludzkie, stan ekosystemów i
wyczerpywanie zasobów naturalnych. W niniejszym artykule nie zaprezentowa-
93
Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania…
no szczegółowych wyników analiz ekobilansowych, np. w postaci profili środowiskowych.
Wyniki analizy wyrażono w punktach środowiskowych [Pt], jednostce przyjętej w metodzie LCA na potrzeby jednoznacznego określenia wielkości oddziaływań środowiskowych. Nadmienić należy, że dodatnia wartość ekowskaźnika
określa negatywny wpływ na środowisko (im większa jego wartość wyrażona w
Pt, tym większy poziom negatywnych oddziaływań), natomiast wartości ujemne
oznaczają korzyści środowiskowe.
Na rysunku 3 przedstawiono obciążenie środowiska towarzyszące procesowi
wytwarzania silnika 1,3 JTD.
45
[Pt]
40
35
30
25
20
38,558
15
20,284
10
14,240
5
4,034
0
Oddziaływanie
sumaryczne
Zdrowie ludzkie
Stan ekosystemu Zasoby naturalne
Rys. 3. Środowiskowy wpływ produkcji silnika 1,3 JTD z uwzględnieniem trzech kategorii
oddziaływań
Fig. 3. Environmental influence of 1.3 JTD engine production taking into account 3 categories of interactions
W całkowitym oddziaływaniu środowiskowym (38,558 Pt) towarzyszącym
wytwarzaniu analizowanego silnika ponad 54% stanowią oddziaływania identyfikowane w kategorii „wyczerpywanie zasobów”. Pięciokrotnie przewyższają
one oddziaływania identyfikowane w kategorii wpływu na stan ekosystemu.
Udział oddziaływań wpływających na zdrowie ludzkie w sumarycznym obciążeniu środowiska wynosi ok. 37%. Rozkład oddziaływań środowiskowych identyfikowanych podczas etapu wytwarzania poszczególnych elementów silnika 1,3
JTD przedstawiono szczegółowo na rysunku 4.
94
J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki
Stan ekosystemu
[Pt]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Zdrowie ludzkie
Pompa podciśnienia
Sprzęgło
Koło zamachowe
Układ dolotowy
Układ chłodzenia
Układ smarowania
Układ zasilania paliwem
Układ elektryczny
Układ wydechowy
Układ korbowo-tłokowy
Napęd rozrządu
Głowica kompletna
Kadłub kompletny
Zasoby naturalne
Rys. 4. Poziom oddziaływań środowiskowych identyfikowanych na etapie wytwarzania poszczególnych układów silnika 1,3 JTD, z uwzględnieniem trzech kategorii oddziaływań
Fig. 4. Level of environmental interactions identified in the production of selected components of 1.3 JTD engine, taking into account 3 categories of interactions
Układem, którego oddziaływanie dominuje pod względem negatywnego
wpływu na środowisko, jest układ wydechowy. Poziom oddziaływań identyfikowanych w procesie jego wytwarzania stanowi 23% sumarycznego obciążenia
środowiska towarzyszącego wytwarzaniu całego silnika. Jest to przede wszystkim wynik procesu pozyskania platyny stosowanej w katalizatorze. Warto zauważyć, że pozyskanie 1 kg platyny wymaga wydobycia 150 ton rudy z głębokości 1000 metrów [6], co wydaje się potwierdzeniem wyżej przedstawionych
wyników. Istotne jest jednak równocześnie, że platyna w bardzo dużym procencie odzyskiwana jest ze zużytych katalizatorów.
Wśród pozostałych elementów/podzespołów, które wyróżniają się pod
względem wielkości oddziaływań na środowisko, należy wymienić: głowicę
(3,72 Pt), alternator (3,62 Pt), blok silnika (3,28 Pt), pokrywę łożysk głównych
(3,20 Pt), koło zamachowe (1,84 Pt), wiązkę elektryczną (1,22 Pt), wał korbowy
(1,17 Pt), rozrusznik (1,16 Pt) oraz tłoki (1,14 Pt). Wytwarzaniu tych dziesięciu
elementów towarzyszą liczne oddziaływania (28,196 Pt), stanowiące ponad 73%
sumarycznego wpływu na środowisko związanego z wytwarzaniem całego silnika. Na rysunku 5 przedstawiono wielkości środowiskowych oddziaływań wyżej
wymienionych elementów/podzespołów z uwzględnieniem użytych w nich materiałów. Porównano je z wielkościami oddziaływań towarzyszących wytwarzaniu wszystkich składowych podzespołów silnika i użytych w nich materiałów.
95
Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania…
45
[Pt]
40
35 38,56
30
25
28,20
20
13,45
15
7,67
10
4,75
3,06
5
9,51
5,67
6,84 6,84
3,39 3,39
1,11
0,46 0,19 0,19
Razem
Stal
Żeliw o
Aluminium
Miedź
1.3 jtd
Mat. z 10
Mat. z 10
1.3 jtd
Mat. z 10
1.3 jtd
1.3 jtd
Mat. z 10
1.3 jtd
Mat. z 10
1.3 jtd
Mat. z 10
Mat. z 10
1.3 jtd
Mat. z 10
1.3 jtd
0
Platyna Tw orzyw a Zeolit
Rys. 5. Oddziaływanie materiałów użytych w dziesięciu głównych elementach pod względem
generowanych obciążeń na tle danych sumarycznych
Fig. 5. Interactions of materials used in the 10 main components with regard to generated burdens
on the background of total results
W dalszej części analizy określono oraz porównano poziomy oddziaływań
środowiskowych identyfikowanych w procesie recyklingu i składowania. Na
rysunku 6 przedstawiono uzyskane rezultaty z podziałem na poszczególne grupy
materiałowe.
Największe korzyści środowiskowe przynosi proces recyklingu metali nieżelaznych (-13,42 Pt) i żelaznych (-12,72 Pt). Recykling materiałów niemetalowych (tworzywa sztuczne, guma, ceramika) wywiera znacznie mniejszy, aczkolwiek również pozytywny wpływ na środowisko na poziomie -0,87 Pt. Recykling wszystkich odpadów możliwych do pozyskania z silnika 1,3 JTD może
zatem być źródłem korzyści środowiskowych na poziomie -26,88 Pt, podczas
gdy proces składowania tych samych odpadów wywiera negatywny wpływ na
środowisko (0,87 Pt).
96
0,10 0,06
Recykling
Materiałów
niemetalowych
Silnika
-0,73
Materiałów
niemetalowych
Metali
nieżelaznych
-12,72 -13,42
0,70
Metali
nieżelaznych
0,87
Metali
żelaznych
Silnika
5
[Pt]
0
-5
-10
-15 -26,88
-20
-25
-30
Metali
żelaznych
J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki
Składowanie
Rys. 6. Poziomy oddziaływań generowanych podczas recyklingu i składowania odpadów
Fig. 6. Levels of interactions generated during recycling and disposal
Podkreślić należy, że recykling aluminium i miedzi zawartej w silniku 1,3
JTD, o łącznej masie 23,87 kg, przynosi większe korzyści środowiskowe aniżeli
recykling metali żelaznych, których masa w konstrukcji tego silnika stanowi 4krotność masy metali nieżelaznych. Wynika z tego, że proces recyklingu metali
nieżelaznych może przynieść większe korzyści środowiskowe aniżeli proces
recyklingu stali.
5. PODSUMOWANIE
Szczegółowe badania ekobilansowe stanowią współcześnie punkt wyjścia do
prac nad środowiskowo zorientowanym projektowaniem i doskonaleniem obiektów technicznych. Dotyczy to także motoryzacji, która postrzegana jest jako
jeden z głównych „trucicieli” środowiska. Mimo że na polu poprawy przyjazności środowiskowej silników spalinowych wiele już się robi, jednak są to prace
zorientowane przede wszystkim na ograniczenie ich emisyjności.
Na podstawie wyników przeprowadzonej analizy ekobilanoswej można wytyczyć kierunki dalszych prac nad doskonaleniem konstrukcji badanego silnika
spalinowego. Powinny one obejmować przede wszystkim zagadnienia doboru
materiałów konstrukcyjnych, ułatwienia demontażu silnika, a szczególnie rozłączania jego elementów, oraz ciągłego optymalizowania pod względem środowiskowym procesów recyklingu.
Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania…
97
Dobór materiałów konstrukcyjnych stosowanych w budowie silników spalinowych może wywierać istotny wpływ na sumaryczny poziom ich oddziaływań
środowiskowych. Istnieje zatem potrzeba kontynuacji analizy, by szczegółowo
zidentyfikować elementy (materiały) generujące największy poziom oddziaływań środowiskowych.
Jak wynika z przeprowadzonej analizy, recykling niektórych materiałów może być skutecznym sposobem na ograniczanie negatywnego wpływu silników
spalinowych na środowisko. Dotyczy to przykładowo metali nieżelaznych, które
nie wywierają istotnych negatywnych konsekwencji na etapie produkcji (w porównaniu do takiej samej ilości części produkowanych z metali żelaznych), jednak korzyści środowiskowe z procesu ich recyklingu mogą wielokrotnie przewyższać środowiskowe korzyści recyklingu metali żelaznych.
LITERATURA
[1] Bżerzański M., Fiat GM Powertrain 1,3 JTD z Bielska-Białej – duży krok w kierunku
nowoczesności, Silniki Spalinowe, 2005, nr 2..
[2] Dane Ośrodka Badawczo-Rozwojowego BOSMAL.
[3] Environmental Life Cycle Assessment of products, Part 1 – Guide, Part 2 Backgrounds, NOH
1992.
[4] Fabryczne materiały prasowe – GM Media Info 2005.
[5] Imarisio R., Papa P.G., Siracuza M., The New Fiat GM Power-Train Small Diesel Engine. Aachener Colloquium Fahrzeug - und Motorentechnik, Aachen 2003.
[6] Merkisz J., Fuć P., Możliwości recyklingu samochodowych reaktorów katalitycznych, w:
II Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Problemy Recyklingu”, Rogów,
20-21 listopada 2002.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Zbigniew Kłos
SELECTED ASPECTS OF ENVIRONMENTALLY ORIENTED DESIGNING OF
COMBUSTION ENGINES
S u m m a r y
In the paper selected topics of environmentally oriented designing of technical objects are presented concentrating on the example of environmental analysis of combustion engine and indicating the possibilities of practical results application. In the field of environmental analysis of combustion engine construction one of ecobalancing methods – LCA (Life Cycle Assessment) was
used. Results of the analysis allowed to indicate engine components dominating with regard to
generated unfavorable environmental interactions. They allowed to indicate areas, where modifications can strongly improve environmental image of the engine.
Key words: combustion engine, LCA, ecodesigning
98
J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki
prof. dr hab. inż. Jerzy MERKISZ
Politechnika Poznańska, Instytut Silników i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań,
tel. (061) 665 22 07, e-mail: [email protected]
dr inż. Przemysław KURCZEWSKI
Politechnika Poznańska, Instytut Silników i Transportu, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań,
tel. (061) 665 21 10, e-mail: [email protected]
mgr inż. Robert LEWICKI
Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki
Poznańskiej, ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań,
tel. (061) 665 21 10, e-mail: [email protected]