國Ⅲ箭在弦上 工程機械如何應對

本刊記者 賈澤輝

面對日益嚴峻的環境形勢，節能減排越來越受到各行各業的高度重視，作為耗能和排放的大戶——工程機械行業而言，節能減排的任務更加艱巨。為保護人類十分寶貴且有限的資源，實現全球可持續發展，提高操作人員的安全性及工作舒適性，努力達到人、機和環境的親和，可以預見開發研制環保節能的綠色工程機械產品將是工程機械未來發展的必然趨勢。

2014年4月17～18日，第四屆中國綠色車輛國際論壇——非公路篇在上海舉行，來自工程機械相關行業協會、科研院所、整機制造商、發動機制造商、零部件制造商以及行業媒體的近200名代表參加了論壇。中國工程機械工業協會施工機械化分會作為大會的支持機構出席了論壇，卡特彼勒中國技術研發中心董事長孫曉波博士和菲亞特動力科技管理（上海）有限公司產品工程總監戚正剛先生受邀分別主持了第一天和第二天的會議。建筑機械化雜志記者受邀對大會進行了全程報道。

環保部機動車排污監控中心政策研究部副主任尹航介紹了中國大氣污染形勢和非道路移動源的排放與管理。中國工程機械學會挖掘機分會秘書長陳正利介紹了液壓挖掘機高效節能技術的新動向，并對當前液壓挖掘機實施節能環保提出了幾點建議。中國建筑科學研究院建筑機械化研究分院侯寶佳研究員介紹了國家“十二五”科技支撐計劃重點項目課題《建筑工程綠色施工機械評價技術及數據庫研究》的情況和最新進展。

工程機械整機企業代表卡特彼勒全球副總裁兼首席技術官Gwenne Henricks女士蒞臨大會發表關于非公路車輛綠色技術的演講，介紹了卡特彼勒在節能環保方面做出的努力。濟南汽車檢測中心主任王世龍介紹了我國非道路移動機械用壓燃式發動機排放標準（第Ⅲ階段）的細則與進展；美國西南研究院北京首席代表師西民介紹了滿足國Ⅲ標準規定的不同功率發動機的技術路線。發動機企業代表分享了滿足歐盟ⅢB及Ⅳ階段、美國4階段的發動機技術路線。

會議熱點話題引起了代表們的熱議。目前，產品綠色化已成為世界進步和發展的必然潮流，綠色技術是解決資源和環境問題的最佳途徑。工程機械面臨綠色的挑戰，理應順應時代潮流，推廣綠色技術，生產綠色產品，提高市場競爭力，使工程機械獲得更大的發展。本刊記者整理了部分演講嘉賓的精彩發言，以饗讀者。

非道路國Ⅲ排放標準發布在即

工程機械排放標準的漫漫升級之路牽動著產業鏈上整機制造商、發動機供應商及下游用戶等各個環節的神經。2014年第2期我刊曾就工程機械排放標準升級的話題展開過專題報道，在2013年7月1日這個時間節點上，有兩項關于排放標準升級的標準正式實施。一是重型柴油車國Ⅳ排放標準正式實施，二是北京正式實施相當于歐ⅢA階段的非道路機械京Ⅲ排放標準。以上兩個排放標準的落地對推進工程機械節能環保的進程而言正產生著積極的影響。而在本次論壇上，濟南汽車檢測中心主任王世龍與大家分享了發布在即的非道路機械國Ⅲ排放標準的細則和最新進展。

國家強制標準《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第Ⅰ、Ⅱ階段)》（GB 20891-2007）于2007年4月3日正式發布，根據標準要求，2007年10月1日實施第Ⅰ階段限值要求，2009年10月1日實施第Ⅱ階段限值要求。隨著機動車排放標準的不斷升級，非道路移動機械排放標準無論從時間上還是技術上都具備了升級的基礎。2011年，由國家環保部組織，濟南汽車檢測中心開始起草非道路移動機械國Ⅲ排放的標準草案，歷時幾年現在已形成報批稿等待正式發布。新標準規定了非道路移動機械用柴油機第Ⅲ階段排氣污染物排放限值和測量方法，相當于歐盟非道路移動機械排放標準的ⅢA階段，并提出了第Ⅳ階段的預告性要求。

新標準修改采用歐盟（EU）指令97/68/EC（截止到修訂版2004/26/EC）《關于協調各成員國采取措施防治非道路移動機械用壓燃式發動機氣態污染物和顆粒物排放的法律》中有關非道路移動機械柴油機的技術內容。與2004/26/EC指令相比，該標準增加了ISO8178中的G2測試循環；不包含歐IV階段的技術要求；在第Ⅲ階段增加了19kW以下和560kW以上柴油機控制要求；簡化了一致性檢查的判定方法；增加了催化轉化器載體體積和貴金屬含量的試驗要求；調整了試驗用基準柴油的部分技術參數；提出了第IV階段標準的預告性要求，技術要求同歐盟ⅢB，鼓勵有條件的地方提前實施。

作為GB 20891-2007的替代標準，嚴格了污染物排放限值；增加了瞬態試驗循環（NRTC）；增加了560kW以上柴油機的控制要求；簡化了一致性檢查的判定方法；增加了排放控制耐久性要求；增加了催化轉化器載體體積和貴金屬含量的試驗要求；修訂了試驗用基準柴油的技術要求。

非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值(中國第Ⅲ、Ⅵ階段，報批稿)

按照報批稿上報的標準實施時間，自2014年10月1日起，凡進行排放型式核準的非道路移動機械用柴油機必須符合國Ⅲ要求；自2015年10月1日起，所有制造和銷售的非道路移動機械用柴油機必須符合國Ⅲ要求；自2016年4月1日起，所有制造、進口和銷售的非道路移動機械不得裝用不符合國Ⅲ要求的柴油機。

滿足國Ⅲ排放的發動機技術路線

從上面的敘述中可以看出，非道路國Ⅲ排放標準的發布已經是箭在弦上，對于發動機企業和工程機械整機企業來說，無疑是機遇和挑戰并存。在論壇上，多位嘉賓都介紹了滿足國Ⅲ排放標準的發動機技術路線。因為非道路國Ⅲ排放標準修改采用的是歐盟排放法律的有關技術內容，國Ⅲ排放標準對標的也是歐盟ⅢA階段的排放標準，所以參考歐美標桿發動機技術路線對國內發動機排放升級發展具有重要意義。歐美發動機排放標準體系完善，技術成熟，充分借鑒成熟的技術路線可以起到事半功倍的效果，在技術研發和整機成本控制上都可以不走或少走彎路。

玉柴工程研究院性能開發部經理陸壽域表示，從排放限值看，相對于第Ⅱ階段，第Ⅲ階段主要是降低了NOx 和HC，不同功率段有21%～43%的降低，而PM方面，僅18～37kW功率段降低了12.5%。從技術角度來看，由于有車用發動機第Ⅲ階段排放控制基礎，實現非道路排放標準第Ⅲ階段難度不大。增壓中冷、 EGR（廢氣再循環）、小型化和電控技術是滿足挑戰的方案,也是發動機發展的新機遇。借鑒國外和國內車用發動機的發展過程，每次排放升級都伴隨著發動機排量優化的過程，強制執行國Ⅲ排放標準正是促進發動機排量小型化的最佳時機。根據玉柴對50型裝載機用柴油機進行的應用研究，采用增壓+機械泵技術路線的10L發動機完全可以被采用增壓中冷+電控燃油系統路線的8-9L發動機所代替，而發動機的尺寸更緊湊。

滿足非道路國Ⅲ排放發動機主要技術路線

珀金斯400系列發動機無錫工廠總經理魏馬騰在會上表示，面對即將到來的中國第Ⅲ階段排放要求，OEM廠商將迎接成本、操作性能、燃油品質和設備集成等方面的挑戰。滿足中國第Ⅲ階段排放要求的發動機可以選擇機械或電控兩種燃油系統。前者的優點是性能接近于Ⅱ階段排放的發動機，結構改動小，成本低，對油品要求較低，易于維護保養；后者的優點是利于優化發動機和液壓系統以及控制系統的整合和匹配，減小熱負荷排放，優化設備性能，節油性較好。國內目前燃油的雜質、水含量、含硫量都比較高，這對電控共軌系統精密的燃油零部件帶來非常大的損害。針對燃油品質問題，珀金斯發動機采用新的共軌燃油系統，對燃油雜質的適應性可提高12倍，同時機油潤滑的高壓泵大大提高了發動機的可靠性；珀金斯發動機還有多級過濾系統，具有4倍的雜質過濾能力，油水分離能力大大提高。

在確定發動機的技術升級路線時，柳工中央研究院院長羅維認為，要基于中國實際國情和用戶群體區別，從銷售區域、應用工況、發動機原排量、成本目標、燃油品質等方面綜合考量。

國Ⅲ排放發動機技術路線的用戶分析

距離中國正式實施非道路國Ⅲ排放標準已經進入倒計時，加之日益嚴重的環境形勢，相信實施更加嚴格的排放法規的進程也必將提速。

濰柴柴油機性能開發主任工程師龔英利在會上介紹，對于滿足Stage ⅢB排放標準的發動機的技術路線，130kW以下以EGR為主；130kW以上SCR為主。對于滿足Stage Ⅳ排放標準的發動機技術路線，以SCR為主，WG增壓器是趨勢。在2013年的德國bauma展上，康明斯展出了一款SCR only發動機，達到美國4階段，最終期和歐盟IV階段排放，散熱需求比EGR的發動機相比減少40%。因此移除EGR是設計的新方向，采用高效率SCR技術將是未來發展的關鍵技術。

滿足Stage ⅢB 發動機排放技術路線分析

滿足Stage Ⅳ發動機排放技術路線分析

發動機與工程機械整機的動力匹配

柳工中央研究院院長羅維認為，Ⅲ階段發動機應盡可能保持與Ⅱ階段發動機一致的功率特性和扭矩特性，否則將改變整機原定的動力性能及油耗指標。在進行發動機與整機的動力匹配研究時，應進行多種工況的載荷譜試驗，把發動機經濟油耗區與整機常用工作區重合。比如針對裝載機，柳工優化變矩器匹配，確保發動機功率高效地傳遞到傳動系統，減小發動機功率損失和系統發熱，降低燃油消耗。針對挖掘機，柳工采用全功率控制匹配技術，在各擋位下根據載荷變化調整發動機扭矩及功率，使發動機運行穩定，大幅提升燃油利用率。同時羅維提出，針對產銷量大的整機產品，發動機制造商和主機廠聯合開發“定制”發動機不失為一條明智的選擇。比如針對柳工裝載機產品，柳工和康明斯聯合開發駝峰功率曲線技術，提升發動機克服外載荷能力，根據載荷譜設定的發動機經濟油耗區與高功率區重合度高，經實際用戶測試工作油耗比普通裝載機可降低5%～8%，綜合工作效率提升10%～17%。

山河智能挖機研究院院長陶海軍表示，主機廠通過定制開發的專用發動機，優化的低速段匹配，使低速工作時不但省油，還能提高工作效率。比如通過挖掘機負載研究分析，進行參數優化匹配，可以實現挖掘作業過程中發動機始終匹配于低油耗區域。另外，越來越多的工程機械采用了全電子控制的柴油發動機，控制柴油的噴射量和噴射時間，其特性曲線可以由軟件來控制，這樣就可以根據不同的作業工況采用不同的特性，最大限度地提高柴油機的動力性能、燃料利用率和排放質量。

工程機械其他節能環保技術進展

1）液壓系統改進及優化 傳統的工程機械節能研究，多數集中在提高相關元件的性能，改進液壓系統和提高動力系統與液壓系統的功率匹配等方面。經多年研究理論已相當成熟，但在產品的新工法、新應用方面進行適當的再創新仍然有明顯的環保節能效果。山河智能挖機研究院院長陶海軍介紹，通過對多路閥及整個液壓系統的動、靜態特性分析，結合機構動力學響應特性研究，對多路閥閥芯的節流口進行優化，可以降低回路綜合損失30%。山河智能開發的高效主閥在小型挖掘機上應用后增加了鏟頭合流功能，縮短了15%的挖掘復位時間，同時具有斗桿合流和獨有的平地模式，整體作業效率提升18%～25%，而油耗降低18%～20%。針對中大型液壓挖掘機液壓系統，通過加大管路直徑，優化管路接口，使壓力損失大大降低，提高了作業效率。

2）新能源及混合動力技術 新能源作為一種新興的動力技術，在汽車上的成功應用與技術優勢為工程機械的節能研究提供了較好的借鑒思路，越來越多的新能源工程機械開始在市場上嶄露頭角。隨著污染嚴重、油價上漲，工程機械主機廠紛紛展開了采取替代柴油的清潔新能源作為工程機械動力源的積極嘗試和探索，以LNG、CNG、LPG為燃料的裝載機、挖掘機和以蓄電池、外插電源作為動力的叉車、小挖等工程機械產品相繼問世。另一方面，混合動力技術也是目前乃至未來極具應用前景和推廣價值的新能源技術。2004年小松研制出了世界上第一臺混合動力液壓挖掘機的試驗機。該樣機采用并聯方案，柴油機輸出的能量主要用于驅動負載，多余或不足的部分能量由發電機或電動機轉化補充。相關報道稱，該機型與普通型液壓挖掘機相比可降低約25%的能源消耗。目前世界上主流的挖掘機、裝載機等工程機械企業都已經開發出了油電混合動力或油液混合動力的產品，引領著未來節能型工程機械的一大方向。

3）結構優化和輕量化設計 計算機輔助設計技術的應用與發展，為工程機械實現綠色設計提供了極大的便利和支持。虛擬樣機技術使產品設計可擺脫對物理樣機的依賴，體現了一種全新的研發模式。借助集合多種分析手段于一體的智能仿真等軟件，可以方便地實現工程機械的結構優化和輕量化設計，縮短研發周期，提高產品性能，同時達到節能、節材的目的。

節能與環保是全球可持續發展的共同任務。節能減排發展非一日之功，節能減排技術的產業化也將是一個長期的過程，國內工程機械廠家只有充分意識到工程機械節能減排的重要性，才能在工程機械發展的下個階段與國際一流水平同臺競技。