WYBRANE ASPEKTY PROŚRODOWISKOWEGO PROJEKTOWANIA SILNIKÓW SPALINOWYCH

Transkrypt

1 Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I P O Z N AŃSKIEJ Nr 6 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.

2 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 dm 3. 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].

3 Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania 91 Materiały konstrukcyjne wykorzystane w silniku 1,3 JTD [4] Construction materials used in the 1.3 JTD engine [4] Tabela 1 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.

4 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-

5 Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania 93 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. [Pt] , Oddziaływanie sumaryczne 14,240 Zdrowie ludzkie 4,034 20,284 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.

6 94 J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki [Pt] Stan ekosystemu Zdrowie ludzkie Zasoby naturalne Kadłub kompletny Głowica kompletna Napęd rozrządu Układ korbowo-tłokowy Układ wydechowy Układ elektryczny Układ zasilania paliwem Układ smarowania Układ chłodzenia Układ dolotowy Koło zamachowe Sprzęgło Pompa podciśnienia 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.

7 Wybrane aspekty prośrodowiskowego projektowania [Pt] , , ,67 3,06 5,67 4,75 13,45 9,51 3,39 3,39 6,84 6,84 1,11 0,46 0,190,19 Razem Stal Żeliw o Aluminium Miedź 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).

8 96 J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki [Pt] ,88-0,73-12,72-13,42 0,87 0,70 0,10 0,06 Silnika Metali żelaznych Metali nieżelaznych Materiałów niemetalowych Silnika Metali żelaznych Metali nieżelaznych Materiałów niemetalowych Recykling 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 4- krotność 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.

9 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 [4] Fabryczne materiały prasowe GM Media Info [5] Imarisio R., Papa P.G., Siracuza M., The New Fiat GM Power-Train Small Diesel Engine. Aachener Colloquium Fahrzeug - und Motorentechnik, Aachen [6] Merkisz J., Fuć P., Możliwości recyklingu samochodowych reaktorów katalitycznych, w: II Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy Recyklingu, Rogów, listopada 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

10 98 J. Merkisz, P. Kurczewski, R. Lewicki prof. dr hab. inż. Jerzy MERKISZ Politechnika Poznańska, Instytut Silników i Transportu, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl dr inż. Przemysław KURCZEWSKI Politechnika Poznańska, Instytut Silników i Transportu, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061) , przemyslaw.kurczewski@put.poznan.pl mgr inż. Robert LEWICKI Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych Politechniki Poznańskiej, ul. Piotrowo 3, Poznań, tel. (061) , robert.lewicki@doctorate.put.poznan.pl