Czy można pogodzić rozwój motoryzacji z ograniczeniem zanieczyszczenia środowiska?

Czy można pogodzić rozwój motoryzacji z ograniczeniem zanieczyszczenia środowiska?
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Rozwój motoryzacji z pewnością stanowi ważną siłę napędową dla odlewnictwa. Ale z drugiej strony, wzrost produkcji samochodów skutkuje pogorszeniem stanu środowiska, szczególnie dotyczy to powietrza.

Transport źródłem emisji gazów cieplarnianych

Już teraz w wielu miastach świata drastycznie przekroczone są dopuszczalne normy zanieczyszczenia powietrza, czego przyczyną jest ruch samochodowy [1]. Dlatego konieczne jest systematyczne zaostrzanie regulacji prawnych dotyczących emisji zanieczyszczeń w obszarze motoryzacji. Służą temu normy EURO, które określają dopuszczalne stężenia zanieczyszczeń emitowanych przez różne silniki oraz różne kategorie pojazdów. Równocześnie prowadzone są intensywne prace nad nowymi konstrukcjami układów napędowych (silniki hybrydowe, elektryczne).

Zgodnie z obowiązującą i ściśle przestrzeganą w większości państw UE, w zakresie zanieczyszczenia powietrza zasadą, głównym problemem w tym zakresie są gazy cieplarniane, a szczególnie emisja CO2. Pakiet Klimatyczno - Energetyczny 2020 "3 x 20%" (Komisja Europejska 2007) [2] zakłada:
  • redukcję emisji gazów cieplarnianych przynajmniej o 20% w 2020 r. w porównaniu do bazowego 1990 r.; zwiększenie udziału energii pochodzącej z OZE do 20% w 2020 r.; redukcję zużycia energii finalnej o 20% do 2020 r., w porównaniu do prognozy zapotrzebowania na paliwa i energię.
Grupa gazów cieplarnianych, zgodnie z protokółem z Kyoto, obejmuje: dwutlenek węgla (CO2), metan (CH4), tlenek azotu (I) (N2O), fluorowęglowodory (HFCs), fluoropochodne węglowodorów, w których wszystkie atomy wodoru zostały podstawione przez atomy fluoru (PFCs) i sześciofluorek siarki (SF6). Wielkość emisji gazów cieplarnianych podaje się w ilościach równoważnych CO2, uwzględniając Potencjał Tworzenia Efektu Cieplarnianego1 (GWP, z ang. Global Warming Potential) dla poszczególnych gazów, który wynosi dla : CO2 = 1; CH4 =23; N2O = 296; SF6 = 22200; CF4 = 5700.

Transport, procesy spalania paliw, które mają miejsce podczas przetwarzania energii (tj. wytwarzania energii) i działalność przemysłowa (rys. 1) są największymi źródłami emisji gazów cieplarnianych w krajach Unii Europejskiej (EU-28) [3].

Ostatnie dane wskazują, że wytwarzanie energii (poza transportem) ma 57,9% udziału (lub generuje 2710,7 mln ton ekwiwalentnego CO2) w całkowitej emisji gazów cieplarnianych w krajach EU-28. Drugim największym udziałowcem jest transport, który w roku 2012 wprowadził do środowiska 22% gazów cieplarnianych wyemitowanych w krajach EU-28.

Aktualnie realizowana polityka energetyczna i klimatyczna przynosi znaczący postęp na drodze do osiągnięcia celów "3 x 20%". Emisja gazów cieplarnianych w 2012 r. spadła o 18% w porównaniu z poziomem z 1990 r. i w wyniku obecnej polityki oczekuje się dalszego spadku do poziomów niższych niż w 1990 r. o 24% do 2020 r. i o 32% do 2030 r. Udział energii ze źródeł odnawialnych w łącznym zużyciu energii wzrósł w 2012 r. do 13% i oczekuje się dalszego wzrostu tego wskaźnika do 21% w 2020 r. i do 24% w 2030 r.

W UE, na koniec 2012 r. zlokalizowano 44% światowej produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (z wyłączeniem hydroelektrowni). Energochłonność gospodarki w krajach UE w latach 1995-2011 spadła o 24%, natomiast w przemyśle wskaźnik ten wyniósł około 30 %. Intensywność emisji dwutlenku węgla w gospodarce UE zmniejszyła się w latach 1995-2010 o 28%. Na rysunku 2 przedstawiono prognozę ograniczenia w EU-28 emisji gazów cieplarnianych do roku 2050, w poszczególnych obszarach gospodarki.

W 2012 r. światowy poziom emisji dwutlenku węgla wzrósł o 1,1%, pozostając jednak poniżej średniej z ostatniego dziesięciolecia, która wynosiła 2,9% rocznie. Największe ilości dwutlenku węgla emitują obecnie: Chiny (29% światowej emisji), USA (16%), UE (11%),

Indie (6%), Federacja Rosyjska (5%) i Japonia (3,8%). Od 1990 r. emisja dwutlenku węgla w Chinach znacznie wzrosła - o około 290%, zaś od 2005 r. o około 70%.

Wielkość emisji w Chinach na jednego mieszkańca jest obecnie zbliżona do odnotowywanej w UE i wynosi około 7 Mg. W 2012 r. emisja dwutlenku węgla w USA zmniejszyła się o 4%, a od 2005 r. spadła o 12%. Wielkość emisji w USA na mieszkańca jest jednak znacznie wyższa i w 2012 r. wynosiła 16,4 Mg. Ten wyraźny spadek emisji wynika w znacznym stopniu z eksploatacji własnych zasobów gazu łupkowego, który zastąpił węgiel w sektorze produkcji energii elektrycznej. Emisja w Indiach wzrosła w 2012 r. o 6,8%, o 53% w latach 2005-2012 i o 200% od 2020 [6], chociaż jej wielkość na głowę mieszkańca jest wciąż znacznie niższa niż w UE i wynosi poniżej 2 Mg. Wielkość emisji w Japonii pozostawała w latach 2005-2012 co prawda na niezmienionym poziomie, ale od 1990 r. wzrosła i wykazuje tendencję wzrostową. Japonia w ostatnim czasie znacząco ograniczyła swoje plany redukcji emisji gazów cieplarnianych do 2020 r., bowiem w wyniku katastrofy w elektrowni jądrowej w Fukushimie zmieniła swoją politykę energetyczną. Podobnie uczyniły Australia i Kanada [7].

Również w motoryzacji przyjęto jako ocenę szkodliwości dla środowiska danego typu silnika wielkość emisji CO2 w powiązaniu z ilością kilometrów. Opracowywane od wiele lat normy zanieczyszczenia spalin z pojazdów kładły główny nacisk na ograniczenie emisji CO2. Na tej podstawie uznano, że silniki Diesla są bardziej ekologiczne, bo spalają około 20% mniej paliwa i dzięki temu emitują mniej CO2. Jednak w ostatnich latach okazało się, że mimo iż silniki Diesla spalają mniej paliwa, to ich spaliny są znacznie groźniejsze, szczególnie dla człowieka niż spaliny z silników benzynowych, a to głównie za sprawą tlenku azotu (IV) NO2, którego stężenie w spalinach silnika Diesla jest 4-krotnie większe niż w spalinach silnika benzynowego oraz cząstek stałych2.

Można powiedzieć, że CO2 szkodzi środowisku, a NO2 bezpośrednio człowiekowi.

Dlatego w pierwszej kolejności podjęto działania mające na celu zmniejszenie udziału samochodów z silnikami Diesla. Pod groźbą unijnych kar rządy kolejnych państw zaostrzają kurs wobec Diesli [8]. Służą temu działania podejmowane przez władze dużych miast europejskich m.in. zakazy wjazdu (np. Paryż) lub obłożenie dodatkowymi opłatami (np. Londyn) tego typu samochodów.

Wpływ transportu na środowisko i zdrowie ludzi

Normy w zakresie emisji spalin. Transport jest też głównym udziałowcem w emisji do powietrza innych, poza gazami cieplarnianymi, zanieczyszczeń: NOx, NM LZOs (niemetanowe lotne związki organiczne) i cząstki stałe (PM10 and PM 2,5).

Co prawda w okresie 2000-2012 emisja z transportu tlenków NOx i PM
Regulacje w zakresie dozwolonych limitów emisji szkodliwych substancji takich, jak NOx, cząstki stałe PM, węglowodory HC oraz tlenek węgla CO, występujących w większości pojazdów mechanicznych sprzedawanych na ternie UE, są ujęte przez normy EURO.

Samochód osobowy sprzedawany w 2013 roku średnio emitował do środowiska 126,7 g CO2 na 1 kilometr (g CO2/km), co już było poniżej dopuszczalnej wartości 130 g CO2/km, która powinna być osiągnięta do 2015 roku. Podobnie każdy sprzedany samochód typu van do roku 2017 musi osiągnąć emisję poniżej 175 g CO2/km. Dla nowych lekkich samochodów dostawczych zakładany poziom emisji CO2 od roku 2020 wynosi 147 g CO2/km.

Zgodnie z obowiązującymi przepisami (od dnia 01.10.2008 r.) silniki Diesla są objęte normą EURO 5, która gwałtownie obniżyła emisję szkodliwych tlenków azotu (NOx) o 60% [9]. Od początku 2014 roku (w zakresie homologacji) oraz od 1 września 2015 (w zakresie rejestracji oraz sprzedaży nowych typów pojazdów) obowiązuje norma EURO 6, ustanowiona już w 2008 roku przez Parlament Europejski, która ogranicza emisję NOx o kolejne 80%. Po 1 września 2015 r. nowo wyprodukowane samochody, bez względu na rodzaj silnika, muszą spełniać wymagania EURO 6 (tabela 1)3,4.

Samochody z silnikami Diesla wymagają odpowiednio dostosowanego układu oczyszczania spalin, który pozwala im osiągać emisje tlenków azotu niższe od wartości granicznych przewidzianych w normie EURO 6. Niestety, im auto cięższe tym układ oczyszczania spalin droższy. W przypadku pojazdu o wadze do 1700 kg, wymagania normy pomaga spełnić niedrogi katalizator zasobnikowy NOx.

Natomiast dla cięższych aut z silnikiem Diesla jedynym rozwiązaniem w zakresie redukcji zanieczyszczeń jest technologia SCR (Selektywna Redukcja Katalityczna). Technologia ta bazuje na metodzie NOXy® (inaczej AdBlue®) umożliwiając spełnienie restrykcyjnych wymogów UE w zakresie limitu NOx. Pojazdy wyposażone w technologię SCR zaopatrzone są w dodatkowy zbiornik, z którego roztwór AdBlue podawany jest pod wysokim ciśnieniem do katalizatora gazów wydechowych. Technologia upowszechniona została w silnikach wysokoprężnych pojazdów ciężarowych i autobusów. W ostatnim czasie systemy SCR wprowadzane są także do lokomotyw spalinowych, statków, maszyn rolniczych i budowlanych. Mechanizm działania systemu sprowadza się do redukcji tlenków azotu do azotu oraz wody w postaci pary wodnej.

W ramach ograniczenia emisji zanieczyszczeń do środowiska, stopniowej ewolucji podlegają również paliwa silnikowe. Na przestrzeni ostatnich lat radykalnemu zmniejszeniu ulega zawartość siarki w paliwach. W 2000 r. maksymalna zawartość siarki w oleju napędowym mogła wynosić 300 ppm (parts per million - części na milion), a w benzynie 150 ppm. W 2005 r. limity te ograniczono już do 50 ppm dla obu nośników energii. Od 2009 r. maksymalna zawartość siarki w obu paliwach jest ograniczona do 10 ppm. Dość kłopotliwym paliwem jest pod tym względem LPG, do którego nawaniania używa się związków na bazie siarki.

Szkodliwość spalin z silników Diesla. Spaliny z silników Diesla są to mieszaniny kilkuset związków chemicznych, powstających w wyniku niedoskonałego spalania oleju napędowego, a także zawartych w nich modyfikatorów i zanieczyszczeń. Te niepożądane produkty spalania wydzielają się do atmosfery w postaci gazów i par, jak również w postaci cząstek stałych. W skład fazy gazowej wchodzą węglowodory alifatyczne i ich nitrowe pochodne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne o niskim ciężarze cząsteczkowym, takie jak naftalen, acenaftalen, antracen, fluoren i fluoranten oraz główne składniki: tlenki azotu5 (produkty uboczne spalania) i tlenek węgla (produkt niezupełnego spalania). Głównym składnikiem cząstek stałych6 jest węgiel elementarny (pierwiastkowy), na powierzchni którego są zaadsorbowane związki organiczne i nieorganiczne, głównie siarczany.

Spaliny silnika Diesla są przyczyną zarówno ostrych, jak i przewlekłych szkodliwych zmian w układzie oddechowym, głównie w postaci astmy oraz w układzie sercowo‐naczyniowym. Są też czynnikiem mutagennym i rakotwórczym

W literaturze najwięcej danych potwierdza zależność między występowaniem nowotworów złośliwych płuc a narażeniem na te spaliny. Prawdopodobnie główną przyczyną nowotworów płuc, przede wszystkim gruczolaków, są przedostające się do strefy wymiany gazowej płuc submikronowe cząstki stałe spalin, na których powierzchni są zaadsorbowane substancje chemiczne, m.in. mutagenne i rakotwórcze, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne i ich nitrowe pochodne rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych oraz lipidowych składnikach surfaktantów płucnych ssaków. Cząstki te łatwo się wchłaniają i gromadzą w pęcherzykach płucnych.

Jak wykazały badania uczonych z Uniwersytetu w Utrecht w Holandii, przeprowadzone w Stanach Zjednoczonych i w Wielkiej Brytanii, ponad 6% przypadków raka płuc może być spowodowana przez spaliny z silników wysokoprężnych.

Światowa Organizacja Zdrowia ogłosiła, że spaliny z silników Diesla powodują raka płuc i przyczyniają się do raka pęcherza dużo bardziej niż spaliny z aut benzynowych [8].

Rozwój motoryzacji

W roku 2013 w EU28 zarejsestrowano11,8 mln nowych samochodów osobowych7 i 1,2 mln nowych vanów. Wzrost liczby samochodów na świecie skutkuje znacznym wzrostem problemów środowiskowych. Ogólna dyskusja o ocieplaniu się klimatu i żądania zmniejszenia emisji CO2 zmuszają producentów samochodów do opracowywania nowych modeli zużywających mniej paliwa i maksymalnie redukujących emisję zanieczyszczeń.

Bezpośredni efekt można osiągnąć konstruując większe silniki, ale bardziej ekonomiczne, oraz nowe konstrukcje np. silniki hybrydowe, zasilane gazem propan-butan, gazem ziemnym lub elektryczne, a równocześnie lżejsze i mające kształty stawiające mniejsze opory powietrza. Wszystkie te działania prowadzą do zmniejszenia zużycia paliwa, ograniczenia emisji gazów oraz ułatwiają recykling zużytych pojazdów.

O ile udział samochodów zasilanych energią elektryczną w grupie nowo zarejestrowanych samochodach był nieznaczny, to w ostatnich latach zanotowano gwałtowny ich przyrost. Liczba czystych samochodów elektrycznych wzrosła w EU-28 z około 700 w 2010 roku do 25 000 w 2013 roku. Również liczba samochodów o napędzie hybrydowym wzrosła gwałtownie w ostatnich latach.

W większości krajów EU - 28 w latach 2006-2013 zanotowano wzrost ilości samochodów osobowych (w ujęciu liczba samochodów osobowych/1000 mieszkańców). Największy wzrost zanotowano w: Bułgarii (65%), Rumunii (47%), Polsce (38%) i Słowacji (36%). Wyjątkiem były: Łotwa (-18%), Niemcy (-6 %) i Węgry (-6 %), gdzie zanotowano spadek ilości samochodów osobowych.

W roku 2012 największy stopień nasycenia samochodami osobowymi wykazywały kraje: Włochy (621), Malta (592), Cypr (549), Niemcy (530) i Austria (528), gdzie 1 samochód przypadał na 2 mieszkańców.

W 18 EU krajach z 23, ponad 50% samochodów było zasilanych benzyną. Największy procent samochodów zasilanych benzyną był na Cyprze (prawie 92% w 2012 roku), a następnie Szwecji (83% w 2012 r.) i Holandii (80% w 2012 r.).

W latach 2006-2012 we wszystkich krajach członkowskich EU rekordowo wzrosła liczba samochodów z silnikiem Diesla. W Polsce, Irlandii i Szwecji wzrost ten był prawie trzykrotny. Samochody zasilane olejem napędowym stanowiły ponad 50% w krajach: Belgia (62%), Austria (55%), Hiszpania (55%).

Ilość ciężarówek i ciągników drogowych w krajach EU-28, w przeliczeniu na 1000 mieszkańców, wynosiła od 9 w Danii do 155 na Cyprze. Przy czym największy wzrost w latach 2007-2012 miał miejsce w krajach Europy Wschodniej, szczególnie w Bułgarii (45%), Polsce (25%), Słowacji (31%) i Rumunii (51%).

Na rysunku 4 zamieszczono wykresy obrazujące wzrost produkcji samochodów w klasie pojazdów lekkich oraz ciężarówek średnich i dużych. Produkcja lekkich pojazdów będzie przenoszona do Chin, a nastąpi to kosztem spadku produkcji w Japonii i Korei Płd. Czynnikiem wpływający na wzrost produkcji lekkich pojazdów w Europie są kraje Europy Wschodniej, a w Ameryce Północnej jest to Meksyk. Produkcja ciężarówek będzie najszybciej rosła w Europie oraz w krajach Azji Południowej.

Motoryzacja a przemysł odlewniczy

Wzrost ilości samochodów na świecie skutkuje coraz większymi problemami dla środowiska naturalnego. Odbiorcy żądają samochodów o coraz większej masie, bardziej bezpiecznych i luksusowo wyposażonych. Kraje rozwinięte muszą wprowadzać drastyczne programy związane z ekonomicznym wykorzystaniem paliwa. Jednym z ważnych działań w tym kierunku jest zmniejszenie masy pojazdu. Zmniejszenie masy pojazdu o 100 kg daje oszczędność paliwa około 0,7 l/100 km. W przypadku samochodów ciężarowych, każdy kilogram masy własnej mniej, to 1 kg ładunku więcej. Zwykle są trzy drogi redukcji masy pojazdów: optymalizacji konstrukcji samochodu, stosowanie nowoczesnych technologii produkcji oraz opracowanie i zastosowanie nowych tworzyw o małym ciężarze właściwym, ale wysokiej wytrzymałości. W zakresie redukcji masy samochodów istotną rolę odgrywa przemysł odlewniczy, poszukując nowych tworzyw konstrukcyjnych, o mniejszym ciężarze właściwym oraz odpowiednich właściwościach mechanicznych. Działania te obejmują zastępowanie części stalowych i z żeliwa częściami ze stopów metali lekkich lub tworzyw sztucznych lub zastępowanie gorszych gatunków żeliwa lepszymi (możliwość wykonywania odlewów cienkościennych). Perspektywa do roku 2018 przewiduje, że wzrost zapotrzebowania na odlewy będzie związany głównie z rozwojem rynku samochodów osobowych i ciężarowych, stymulowanym wymaganiami w obszarze standardów emisji i efektywności energetycznej (poprzez zmniejszenie ciężaru).

W zakresie stopów metali, do niedawna głównym zamiennikiem staliwa i żeliwa były stopy aluminium, ale od pewnego czasu coraz większą uwagę producenci samochodów koncentrują na stopach magnezu (rys. 6). Przewiduje się, że największy spadek wśród materiałów wykorzystywanych do budowy samochodów, będzie w zakresie stali zwykłej (z ponad 60% w 2012 roku do 20% w 2035 r.). Natomiast udział stopów Al i Mg wzrośnie z 9% w 2012 r. do 30% w 2035 r. Również udział polimerów i kompozytów wzrośnie do 20%.

Przy tych samych właściwościach mechanicznych, stopy aluminium są o 60% lżejsze od stali. Karoseria samochodu stanowi około 30% całej jego masy, dlatego zastąpienie stali przez stopy aluminium daje największe zmniejszenie ciężaru pojazdu. Ocenia się, że corocznie około 2,5 mln produkowanych samochodów ma elementy karoserii wykonane ze stopów aluminium. Są to najczęściej odejmowane części (drzwi, zderzaki, błotniki, pokrywy) oraz inne drobne elementy. Największe zastosowanie stopów aluminium charakteryzują marki japońskie (Toyota, Mazda, Nissan).

Popyt na odlewy aluminiowe dla motoryzacji napędza w USA obowiązujące prawo. Zgodnie z nim, sprzedawane na tamtejszym rynku samochody muszą do 2016 r. poprawić w porównaniu z 2011 r. wskaźnik zużycia paliwa o 25%. Natomiast do 2025 r. parametry te mają być lepsze o 100%. Według szacunków, zapotrzebowanie na elementy karoserii samochodowych wykonanych z aluminium ma wzrosnąć Ameryce Północnej z obecnych 100 tys. Mg rocznie do 1 mln Mg w 2020 r. (rys. 7).

Elementy ze stopów aluminium stosowane są zwykle w samochodach droższych marek, takich jak Mercedes-Benz klasy E, BMW serii 5 oraz Audi, którego model 8 ma prawie całkowicie aluminiową konstrukcję. 1/3 odlewów ze stopów aluminium wykorzystywana jest w przemyśle motoryzacyjnym. Stopy magnezu z dodatkiem glinu, cynku, manganu i innych pierwiastków uzyskują wysoką wytrzymałość i dużą sztywność, a równocześnie posiadają bardzo dobre właściwości odlewnicze i wysoką zdolność do tłumienia drgań. Stopy magnezu mogą konkurować ze stopami aluminium oraz żeliwem ze względu na bardzo mały ciężar właściwy (1/4 ciężaru właściwego żeliwa). Mały ciężar właściwy powoduje, że wiele części dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego jest wykonywanych ze stopów magnezu. Zastosowanie stopów magnezu w przemyśle motoryzacyjnym sprzyja dalszej redukcji ciężaru samochodu, a w konsekwencji zmniejszeniu zużycia paliwa i ograniczeniu emisji gazów.

Stopy magnezu będą odgrywały coraz większa rolę, jako materiał konstrukcyjny, ponieważ ilości magnezu w wodzie morskiej są ogromne, natomiast zasoby naturalne innych metali zmniejszają się [11].

Średni udział stopów aluminium w samochodach produkowanych w roku 2010 wynosił 156 kg/samochód, w roku 2012 było to 162 kg, w 2015 miało być to 190 kg, a przewiduje się, że w roku 2020 będzie to 260 kg [15]. Zakłada się, że w roku 2040 ponad 30% odpadów aluminiowych będzie generowanych przez środki transportu, przy czym ponad 2/3 stopów aluminium stosowanych w motoryzacji w roku 2000, to stopy odlewnicze.

Samochód produkowany w Europie zawiera średnio 4 kg magnezu. Celem producentów samochodów w USA w zakresie stosowania odlewów ze stopów magnezu jest zastąpienie 283,5 kg wyrobów ze stali i aluminium przez 153 kg odlewów ze stopów Mg w roku 2020. Około 280 różnych elementów w samochodzie może być wykonane z Mg (m.in. szkielety siedzeń, kolumny kierowcy, elementy silnika, elementy karoserii, elementy osi przedniej i tylnej, obudowa wału silnika, elementy skrzyni biegów) [16].

Perspektywa do roku 2018 przewiduje, że wzrost zapotrzebowania na odlewy związany będzie głównie z rozwojem rynku samochodów osobowych i ciężarowych.

Nowe gatunki stopów odlewniczych dla motoryzacji

Aby sprostać wymaganiom w zakresie ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa prowadzone są prace nad nowymi stopami odlewniczymi dla potrzeb motoryzacji. Głownie dotyczy to zmian składu chemicznego i obróbki cieplnej istniejących już stopów, przez co uzyskują one lepsze właściwości użytkowe, wymagane w przypadku odlewów motoryzacyjnych [17].

Stopy żelaza. Stosowane w motoryzacji odlewy z żeliwa szarego coraz częściej zastępuje się odlewami z żeliwa sferoidalnego lub wermikularnego [18]. Te gatunki żeliwa charakteryzują się znacznie wyższymi właściwościami mechanicznymi, a zwłaszcza plastycznością. Znaczną poprawę właściwości mechanicznych żeliwa sferoidalnego uzyskuje się w wyniku obróbki cieplnej, polegającej na austenityzacji i ausferrytyzacji (żeliwo ADI). Wytrzymałość takiego żeliwa jest porównywalna z wytrzymałością stali przerobionej plastycznie i obrobionej cieplnie. Ponadto posiada ono bardzo dobre właściwości zmęczeniowe, dobre właściwości plastyczne i wysoką odporność na ścieranie. Ostatnio dużym zainteresowaniem cieszą się gatunki żeliwa sferoidalnego-stopowego, znane jako "Si-Mo" oraz "Ni-Resist". Żeliwo typu “Si-Mo" jest idealnym materiałem na takie elementy jak:

kolektory wydechowe i turboładowarki. Podobnie jak w przypadku żeliwa sferoidalnego, nowoczesne i perspektywiczne są gatunki żeliwa z grafitem wermikularnym o osnowie ausferrytycznej (ACGI), o osnowie ferrytycznej (Si-Mo CGI), jak również o osnowie austenitycznej.

Stopy aluminium. Do produkcji odlewów dla motoryzacji opracowano szereg stopów aluminium, które są odlewane do form piaskowych, do kokil lub ciśnieniowo. Obrabialność stopów aluminium jest ogólnie dobra, nawet wówczas, gdy ich właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu spowodowanym wzrostem zawartości Si. Inną korzystną właściwością stopów aluminium jest ich dobre przewodnictwo cieplne, ponieważ przyczynia się to do poprawy chłodzenia silnika. Głównymi wadami stopów aluminium w porównaniu z żeliwem, przy stosowaniu ich na odlewy bloków silników są: niższa wytrzymałość na rozciąganie, szczególnie na gorąco [19], słabe właściwości tłumiące, czego efektem jest zwiększony poziom emisji hałasu pracy silnika, większy współczynnik rozszerzalności cieplnej. W tabeli 3 podano przykładowe składy chemiczne dwóch stopów aluminium stosowanych na odlewy dla motoryzacji.

Stopy magnezu. Stopy magnezu z dodatkiem glinu, cynku, manganu i innymi pierwiastkami uzyskują wysoką wytrzymałość i dużą sztywność, a równocześnie posiadają bardzo dobre właściwości odlewnicze i wysoką zdolność do tłumienia drgań. Zastosowanie stopów magnezu w przemyśle motoryzacyjnym sprzyja dalszej redukcji ciężaru samochodu, a w konsekwencji zmniejszeniu zużycia paliwa i ograniczeniu emisji gazów.

Stopy magnezu są zwykle poddawane obróbce cieplnej w celu poprawy właściwości wytrzymałościowych oraz dla osiągnięcia maksymalnej udarności i stabilności wymiarowej. Po przesyceniu, stopy magnezu uzyskują najwyższą wartość granicy plastyczności oraz twardość [21]. Wysokojakościowe stopy Mg (po obróbce cieplnej) mają zbliżony do żeliwa ADI stosunek wytrzymałości do gęstości, a także sztywność właściwą [22].

Podobnie jak stopy odlewnicze aluminium, odlewnicze stopy Mg wykazują gwałtowne pogorszenie właściwości fizykochemicznych wraz ze wzrostem temperatury. Odlewy ze stopów magnezu mogą być z powodzeniem stosowane w niskiej temperaturze, ponieważ nie wykazują znacznego spadku wytrzymałości i odporności na pękanie.

Stosowane są różne gatunki stopów magnezu do odlewania. Większość z nich zawiera jako główny dodatek stopowy glin (zakres zawartości glinu od 1,7% do około 10% w zależności od gatunku) oraz małe ilości cynku i manganu. Obecnie najszerzej stosownymi stopami odlewniczymi Mg są stopy serii: AZ (MgAlZn) i AM (MgAlMn) (tabela 4), ale są również opracowywane i produkowane nowe zaawansowane stopy Mg do przeróbki plastycznej i specjalne stopy na odlewy ciśnieniowe zawierające Ca, Sn, Sr i metale ziem rzadkich.

Gatunek EN MC-MgAl9Zn1 jest najbardziej popularnym stopem magnezu stosowanym przy wysokociśnieniowym odlewaniu kokilowym. Posiada on dobry stosunek wytrzymałości do gęstości, bardzo dobrą odporność na korozję i doskonałą lejność. Stop EN MCMgAl6Mn jest szeroko stosowany na odlewy ciśnieniowe dla motoryzacji związane z bezpieczeństwem.

Elementy samochodowe wykonane ze stopów Mg to: felgi, ramy siedzeń, obudowy rozrządu, tablice przyrządów, wzmocnienia kolumny kierownicy itp.

Poważną trudnością w pełnym wykorzystaniu stopów Mg w motoryzacji jest recykling tych stopów.

Podsumowanie

Transport jest jednym z najważniejszych źródeł emisji zanieczyszczeń środowiska [24]. Jest to szczególnie widoczne w dużych miastach, gdzie występują drastyczne przekroczenia m.in. stężenia tlenku azotu (IV) NO2: Londyn 92 mg/m3, Paryż 83 mg/m3, Monachium 80 mg/m3 (norma dla krajów UE wynosi 40 mg/m3) czy pyłu zawieszonego: Sofia 68 mg/m3, Kraków 54 mg/m3 i Bukareszt 48 mg/m3. Wartość normatywna dla krajów UE pyłu PM10 wynosi 40 mg/m3. Obecność NO2 jest typowa dla spalin z silników Diesla. Ze względu na wysoce toksyczne działanie tego tlenku na organizm ludzi silniki Diesla stwarzają większe zagrożenie dla środowiska niż silniki benzynowe. A przez wiele lat opinia specjalistów była całkowicie odmienna. Skutkuje to wprowadzaniem coraz ostrzejszych norm w zakresie emisji NO2 oraz wdrażaniem rozwiązań technicznych ograniczających emisję (np. technologię SCR). Ale również spaliny emitowane z silników benzynowych stanowią zagrożenie dla środowiska. Dotyczy to głownie emisji gazów cieplarnianych [24]. Dlatego główne prace nad ograniczeniem emisji ze środków transportu koncentrują się na: redukcji ciężaru pojazdu, poprawie jakości paliwa oraz opracowaniu nowych konstrukcji silników (elektryczne, hybrydowe). W działaniach tych istotną rolę może odegrać przemysł odlewniczy, opracowując nowe tworzywa na odlewy dla przemysłu motoryzacyjnego. Tworzywa te powinny charakteryzować się znacznie mniejszym ciężarem właściwym od stali i żeliwa oraz odpowiednimi właściwościami mechanicznymi w temperaturze pokojowej i podwyższonej (w temperaturze pracy silnika). W chwili obecnej najlepszymi zamiennikami wydają się być stopy aluminium i magnezu. Przewiduje się, że udział tych stopów w konstrukcji samochodu osobowego w roku 2030 będzie stanowił 30%, przy czym udział stopów aluminium w roku 2020 będzie wynosił 260 kg/ samochód.

Zarówno wzrost udziału odlewów ze stopów aluminium i magnezu w konstrukcji samochodu, jak również przewidywany wzrost produkcji samochodów osobowych i ciężarowych w najbliższych latach stwarzają korzystną sytuację dla rozwoju przemysłu odlewniczego. Szczególnie dotyczy to wzrostu produkcji odlewów ze stopów aluminium i magnezu.

Podziękowania: Praca została zrealizowana w ramach pracy własnej nr 11.11.170.318/7 prowadzonej na Wydziale Odlewnictwa AGH w roku 2016.

Literatura

1. Holtzer M., Kmita A.: Czym oddychamy w XXI wieku? Przegląd Odlewnictwa: 2015, t. 65 nr 5-6, s. 182-185

2. Pakiet Klimatyczno-Energetyczny 2020 "3 x 20%" , Komisja Europejska, 2007 r.

3. Energy, transport and environment indicators. 2014 edition, ISSN 2363-2372, Pocketbooks EUROSTAT, European Union, 2014 r.

4. Green House Emission [online] http:// ec. europa. eu/ eurostat /statisticsexplained /index. php/Greenhouse_gas_emission_statistics. (dostęp: 20.07.2015)

5. Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie [online] www.igcp.org.pl (dostęp: 30.07.2015)

6. Setis Ec Europa [online] http://setis.ec.europa.eu/set-plan-implementation/technology-roadmaps/european-initiative-smart-cities PL 21 PL 1990 r (dostęp: 30.07.2015).

7. Komunikat Komisji do Parlamentu Europejskiego, Rady, Europejskiego Komitetu Ekonomiczno-Społecznego I Komitetu Regionów Ramy polityczne na okres 2020-2030 dotyczące klimatu i energii. Bruksela, dnia 22.1.2014 r. COM(2014) 15 final.

8. WŁODARSKI A.: Gazeta Wyborcza 30 marca 2015 r.

9. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) NR 253/2014 z dnia 26 lutego 2014 r. zmieniające rozporządzenie (UE) nr 510/2011 w celu określenia warunków osiągnięcia docelowego zmniejszenia emisji CO2 z nowych lekkich samochodów dostawczych przewidzianego na 2020 r.

10. Zagrożenie spalinami silnika Diesla. Praca zbiorowa. CIOPPIB Warszawa 2010, ISBN 978-83-7373-081-6.

11. CANTRELL B.K., WATTS W.F.: Diesel Exhaust Aerosol: Review of Occupational Exposure Appl. Occup. Environ. Hyg. 12(12), 1997, s. 1019‐1027.

12. Raport NIK: Ochrona powietrza przed zanieczyszczeniami. Informacja o wynikach kontroli NIK. LKR-4101-007-00/2014 (http://www.nik.gov.pl/plik/id,7764,vp,9732.pdf).

13. BUCHNER H.J.: Changes in the global Foundry Industry and its Consequences on the Foundry Machinery Manufacturing. VDMA Prezentacja September 2014.

14. LICKFETT H.: International Foundry Forum, 26-27 Sept. 2014, Venice CAEF, CAEF, WWW. caef.eu.

15. Ducker Worldwide [online] http://www.ducker.com/2015. (dostęp:28.07.2015)

16. CHAMINI L., MENDIS A.S.: Magnesium recycling: to the grave and beyond. Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2015,vol. 65, No. 10, pp.1283-1284.

17. HOLTZER M., GÓRNY M., KMITA A.: Tworzywa na odlewy dla motoryzacji a ochrona środowiska. Rozdział w monografii. Komitet Metalurgii Polskiej Akademii Nauk., Wyd. "Akapit", 2014, ISBN: 978-83-63663-47-6. s. 389-405.

18. GÓRNY M.: Kształtowanie struktury supercienkościennych odlewów z żeliwa sferoidalnego. Kraków 2010, Wyd. Akapit.

19. MOORE C.M., ROHRIG K., DEIKE R.: Automative Aluminum Castings: Are they Really Cost Effective? Foundry Management & Technology, 1999, vol.9, s. 55-65.

20. Polska Norma: PN-EN 1706:2001

21. Heat Treater’s Guide. Practices and procedures for nonferrous alloys, ASM Intl.

22. Engineering materials and their applications. R.A. Flin, P.K. Trojan, Houghton Mifflin, 4-Ed, 1990.

23. Polska Norma: PN-EN 1753-2001

24. HOLTZER M., GÓRNY M., KMITA A.: The influence of motorization on the climate warming, International Journal of Global Warming, w druku.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

SŁOWA KLUCZOWE I ALERTY

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Czy można pogodzić rozwój motoryzacji z ograniczeniem zanieczyszczenia środowiska?

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!