Анализ исследований снижения веса автомобилей

Стальная литейная арматура

Легкий вес всегда был важен в автомобильной промышленности, чем легче транспортное средство, тем легче его приводить в действие силовой установкой и останавливать тормозной системой. Это просто базовая физика. В течение более 100 лет двигатель внутреннего сгорания был предпочтительной силовой системой в автомобильной промышленности, потому что он экономически эффективен, использует легкодоступное топливо — бензин.

Спортивные автомобили класса люкс на протяжении многих лет были сосредоточены на облегчении и использовании различных материалов для достижения максимально легких транспортных средств. Эти массово-эффективные конструкции отлично подходят для ускорения, которое является критическим показателем производительности в этих транспортных средствах. Однако это дорого обходится потребителю.

Важность снижения веса для среднего транспортного средства была различной. Сначала это зависело от стоимости и доступности бензина, но в конечном итоге расширилось до все более строгих требований безопасности (которые добавили значительную массу конструкциям кузова) и правил экономии топлива, предназначенных для уменьшения зависимости от иностранной нефти и выбросов выхлопных труб. В результате исследований состояния окружающей среды и изменения климата проблема выбросов парниковых газов (ПГ) из выхлопных газов стала серьезной глобальной проблемой, для которой многие страны приняли нормативные акты и стандарты.

Есть много способов уменьшить выбросы в выхлопной трубе, в том числе повышение эффективности использования топлива за счет улучшенных систем трансмиссии и аэродинамики, а также снижения сопротивления качению и веса, а также многие другие. Автопроизводители во всем мире совершенствуются в каждой из этих областей в течение нескольких лет. Тем не менее, выбросы ПГ продолжают расти.

Этого можно ожидать, так как количество транспортных средств в мире увеличивается. Но нужно также остановиться и спросить: что-то еще изменилось? Лучший способ ответить на этот вопрос — посмотреть на картину в целом или, в этом случае, выполнить оценку жизненного цикла легких транспортных средств.

Институт развития рынка стали (SMDI) и Институт переработки стали (SRI), оба подразделения Американского института чугуна и стали вместе с WorldAutoSteel, недавно сделали именно это. Эти группы в течение нескольких лет изучали влияние выбросов и потребления энергии на легкие автомобили с различными материалами. Сталь — большая часть материала, используемого в современных транспортных средствах большого объема. Фактически, более 50% среднего транспортного средства сделано из стали, доминирующего материала для конструкций кузова, компонентов шасси и подвески, а также закрывающих панелей, таких как двери, капоты и крылья. После добавления стальных компонентов в двигателе и трансмиссии, сталь составляет более трех четвертей веса автомобиля.

Рост доминанты стали

Сталь стала доминирующим материалом в среднем автомобиле в 1930-х годах, когда автопроизводители обнаружили, что сталь обладает лучшими характеристиками, чем древесина, для конструкций кузова (она уже использовалась для закрывающих панелей). Это было рентабельно и в изобилии, а железнодорожная и строительная отрасли использовали сталь десятилетиями. Сочетание высокой прочности и долговечности стали, а также ее низкой стоимости позволило стали оставаться предпочтительным металлом для транспортных средств.

Кроме того, сталелитейная промышленность продолжала вводить новшества и разрабатывать новые марки стали для обеспечения повышенной прочности. При использовании новых высокопрочных марок стали инженеры-автомобилестроители могут не только разработать автомобиль с более высокими эксплуатационными характеристиками, но и сделать это при более низкой массе, поскольку требуется меньше стали (в виде более тонкого листа). Фактически, с 1970-х годов промышленность увеличила прочность стали в 10 раз.

Скрытые затраты на альтернативы стали

С учетом все более строгих требований по улучшению экономии топлива и сокращению выбросов выхлопных газов, автопроизводители испытывают давление с целью использования альтернативных материалов для легкого веса, таких как полимеры, армированные алюминием и углеродным волокном (CFRP). Эти материалы могут обеспечить дополнительное облегчение по сравнению с высокопрочными высокотехнологичными сталями, но при значительных затратах для потребителя и для окружающей среды.

Влияние на стоимость просто: алюминий стоит в два-три раза дороже стали, а углепластикв шесть-десять раз дороже. Было сделано много исследований, чтобы снизить стоимость этих альтернативных материалов. Тем не менее, всегда будет существенная разница в затратах в результате количества энергии, необходимой для производства сырья. Алюминий требует в семь раз больше энергии от стали при переработке из руды, а для производства углепластика требуется еще больше энергии.

Оценка воздействия на окружающую среду также проста, но должна учитывать все аспекты жизненного цикла автомобиля. Это включает в себя не только этап использования (выбросы из выхлопной трубы), но также производство (материалы и сборка автомобиля) и срок службы автомобиля (утилизация).

Например, возьмите базовое транспортное средство, в основном изготовленное из различных марок стали, и облегчите его с помощью алюминия, углепластика или оптимизированного использования высокопрочной стали. Как правило, хотя по массе будет использоваться меньше алюминия и углепластика, поскольку выбросы парниковых газов (ПГ), которые приводят к получению материалов, настолько различны, оптимизированное стальное решение даст самые низкие выбросы ПГ для этой фазы. На приведенной ниже диаграмме (рис. 1) показана разница в выбросах парниковых газов в мировом производстве при производстве килограмма каждого материала, а также количество снижения массы, которое обычно достигается с каждым материалом. Из-за более низкой энергии, необходимой для производства стали, она явно имеет преимущество.

Разница в выбросах парниковых газов

Рис. 1: Разница в выбросах парниковых газов в мировом производстве при производстве килограмма каждого материала

Разница в массе легковесного транспортного средства и базовой линии также уменьшит расход топлива и, следовательно, выбросы выхлопной трубы. Тем не менее, было показано, что облегчение кузова автомобиля и укупорки алюминием обеспечивает улучшение только на 0,5 MPG. Эта небольшая разница требует, чтобы транспортное средство находилось в дороге не менее 10-12 лет и более, чтобы компенсировать существенную разницу в выбросах ПГ на этапе производства материалов.

Рециркуляции

Фаза окончания жизненного цикла автомобиля завершает историю жизненного цикла. Сталь — самый перерабатываемый автомобильный материал в мире. Его легко сортировать магнитом, и его можно переплавить в любую из более чем 200 марок, доступных в настоящее время для автомобильной промышленности, а также в любой другой стальной продукт, производимый сегодня. Алюминий должен быть отсортирован или понижен при переплавке для автомобильного использования, в тоже время, углепластик в основном утилизируется, но может быть измельчен и использован для других применений.

Рецензируемые исследования проведенные SMDI и SRI ясно показывают, что снижение веса со сталью обеспечивает наименьшие общие выбросы ПГ при минимальных затратах для потребителя. Если сосредоточиться только на выбросах из выхлопной трубы, результаты применения легковесных транспортных средств с альтернативными материалами могут привести к непреднамеренному увеличению общих выбросов ПГ в течение жизненного цикла автомобиля. Должны ли мы действительно платить больше за транспортные средства, которые ухудшают окружающую среду?

Автор

Jody N. Hall (Джоди Н. Холл), доктор философии, вице-президент автомобильного рынка Института развития рынка стали, где она отвечает за руководство Советом автомобильных приложений, группой производителей стали, в области автомобильных исследований, образования и технологий. Она также координирует участие в разработке стали для Auto / Steel Partnership (в состав которого входят члены автомобильной компании, в том числе FCA US LLC, Ford Motor Company и General Motors Company) и других консорциумов, связанных со сталью.

Источник: www.industryweek.com