工程機械節能環保研發趨勢

Energy conservation and environmental protection developing trend of construction machinery

張大慶/ZHANG Da-qing

(山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100）

綜述探討 Summary Discussion

工程機械節能環保研發趨勢

Energy conservation and environmental protection developing trend of construction machinery

張大慶/ZHANG Da-qing

(山河智能裝備股份有限公司，湖南 長沙 410100）

[摘 要]針對能源短缺和環境污染以及工程機械能耗高、排放差的問題，從我國工程機械環保節能的研發背景出發，分析工程機械環保節能研發的總體趨勢，介紹新能源技術在工程機械上的應用，并指出我國混合動力工程機械產業化的必要性、產業化進程中亟待解決的問題以及政府對混合動力工程機械產業化的促進作用，為我國工程機械環保與節能技術的研發與產業化推廣提供參考建議。

[關鍵詞]節能環保；新能源；混合動力；工程機械；能量回收

1 環保節能研發背景

近年來，能源短缺和環境污染問題成為世界關注的焦點問題，轉變傳統高能耗、高污染的經濟增長方式，大力推進節能減排，發展以低能耗、低排放為標志的低碳經濟，實現可持續發展，已經成為世界各國迫在眉睫的任務。

然而，我國在節能減排方面的要求和規定還不是十分健全，尤其是在節能減排任務中扮演重要角色的企業方面，只有定性要求，沒有標準要求。而在規范產品節能減排方面，只是針對產品污染物的排放設立了具體的國Ⅱ標準，規定了定量的污染物排放要求，在同樣重要的產品二氧化碳排放和產品節能方面，均沒有提出具體的標準要求。

眾所周知，工程機械是能耗高、排放差的典型機械。以小松20t挖掘機為例，在正常工作相同時間內，一臺20t挖掘機的廢氣排放量相當于30輛小型汽車的廢氣排放量。因此，工程機械行業節能減排責任格外重大。

2 工程機械環保節能研發的總體趨勢

針對工程機械能耗高、排放差的問題，各大工程機械廠商以及科研院校進行了大量的研究。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。但經多年研究技術已相當成熟，難以有明顯的節能改善效果。目前，工程機械廠家開始把節能減排的探索放在其他新技術的研發上，其中包括元件級技術、系統級技術、新能源技術以及混合動力技術，并且取得了良好的節能效果，實現了環保目標。

2.1 基于元件的環保節能研發

圖1 電噴發動機電子控制系統

1）發動機電子控制技術（圖1） 目前，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。其中，應用在工程機械上典型的有五十鈴電噴發動機以及濰柴電噴發動機。

2）新型電子插裝結構多路閥（圖2） 新型電子插裝結構多路閥通過電子液壓系統的邏輯控制來實現對應用產品的所有功能控制，采用CAN總線先導閥系統、雙平行閥設計、開放式整體結構，實現電子壓力控制、電子滑閥位移流量控制以及容腔控制，減少能量損失，達到節能的目的。

圖2 EATON 雙閥芯電液控制系統

3）機械-液壓無級變速器（圖3） 液壓機械-無級變速器(HMT)由液壓調速機構和機械變速機構及分、匯流機構組成，是一種液壓功率流與機械功率流并聯的新型傳動形式，通過機械傳動實現傳動高效率，通過液壓傳動與機械傳動相結合實現無級變速。與傳統的機械式有級變速器相比，液壓機械無級變速器能自動適應負荷和行駛阻力的變化，實現無級變速，保證發動機工作在最佳工作點，有利于提高車輛動力性、燃油經濟性和工作效率。該傳動綜合了液壓傳動和機械傳動的主要優點，兼有無級調速性能和較高的傳動效率，因此在工程機械、大功率拖拉機、汽車、坦克、電力機械等許多領域有著良好的應用前景。

圖3 機械-液壓無級變速器（HMT）

2.2 基于系統的環保節能研發

1）新型傳動型式 新型傳動形式包括液力機械傳動、機械傳動、靜液壓傳動和電傳動等傳動形式。這些新型傳動形式提高了傳動效率，從而達到了節能的目的。以靜液壓傳動為例，靜液壓傳動裝置是以液壓泵和液壓馬達為主組成，附加各種變量控制單元和傳動元件（減速器或變速箱），成為一種無級變速的傳動裝置。它與純機械傳動和液力機械傳動相比，具有高效區寬、布局靈活、無級變速、換向方便、控制方式多樣和功率利用合理等眾多優點。工程機械合理運用靜液壓傳動裝置，則能改善機構性能，提高生產效率，節省能量消耗，使機器的品質上升到一個新的階段。隨著該項技術的發展和所用元件的完善，采用靜液壓傳動裝置的工程機械會愈來愈多，市場前景良好。

2）DDC直驅液壓技術（圖4） 相比采用傳統的負載敏感（LS）系統的液壓挖掘機，在相同的工作條件下，采用DDC直驅液壓技術的挖掘機節能39.7%，而效率提高12.9%。

圖4 DDC直驅液壓技術

3 新能源與工程機械

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。然而，由于工程機械（以液壓挖掘機為例）和汽車運行工況和環境的顯著差別，汽車動力系統的負載工況變化較平緩，且無明顯的周期性，而挖掘機的負載變化劇烈，周期性強。因此，汽車領域的新能源動力相關共性技術不能直接移植到工程機械領域，必須針對工程機械的特點，發展適用于工程機械的新能源動力系統。

3.1 新能源技術在工程機械領域中的應用

山河智能裝備股份有限公司是最早將新能源技術應用在工程機械領域中的企業之一。山河智能研發了以液化石油氣發動機為動力源的叉車，相比于汽油發動機，液化石油氣發動機能大大減少廢氣排放，CO排放減少8%，HC減少75%，NOX也明顯下降。山河智能還推出了蓄電池式電動挖掘機（圖5），移動性能好，實現真正意義上的零排放，適合在封閉半封閉區域作業。山河智能還推出了線纜式電動挖掘機（圖6）。

圖5 蓄電池式電動挖掘機

圖6 線纜式電動挖掘機

Terex外插式電源驅動挖掘機（圖7）采用外插式電源供電，適合于小范圍連續施工條件，零排放，環境友好。

3.2 工程機械中的混合動力技術

混合動力技術被認為是目前工程機械最具應用前景的新能源技術。混合動力工程機械產品類型涉及到挖掘機、裝載機、起重機、推土機、叉車、牽引車等多種工程機械產品。

圖7 Terex外插式電源驅動挖掘機

液壓挖掘機混合動力系統的研究尤為引人注目。2004年5月，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。

山河智能開發的SWE230S油電混合動力液壓挖掘機在典型的定點挖掘并回轉90°裝車的工況中，回轉制動回收的能量高達回轉所需40%；整機節能效果在20%以上，并可有效的提高工作效率。此后，山河智能又推出了多款基于油液混合動力的節能型挖掘機。

此外，卡特彼勒推出了336EH油液混合動力挖掘機，油耗比標準機型降低可達25%，而在性能、動力、力量、速度和生產方面與標準機型無異，幫助客戶實現大幅節省燃油的需求；Manulorraine公司的ECO’energy系統應用在Atlas的180型輪式挖掘機上。

混合動力技術也在其它工程機械上取得了較為廣泛的應用。沃爾沃在2009年巴黎INTERMAT展展出了油電混合動力裝載機；Kawasaki 在2011年拉斯維加斯展展示了油電混合動力裝載機；STILL和徐工也分別研發了油電混合動力叉車以及油液混合動力裝載機。

4 混合動力技術在國內發展的幾點思考

4.1 中國混合動力工程機械產業化的必要性

1）發展混合動力對縮小與國外挖掘機差距的重要意義 國內工程機械的核心技術大部分掌握在國外的一些配套企業，從關鍵元件到系統大部分都是從國外引進。其主要原因是國外對相關元件及技術研究有了幾十年甚至上百年的積累，而國內企業大部分都是從上世紀90年代甚至更晚才開始著手這方面的工作，其差距不是短時間內能消除的。然而，混合動力作為一種新興技術，對挖掘機的節能減排起著十分重要的作用。國內對于這項技術的研究并不比國外晚很多，并且從目前來看，在技術上的差距也是比較小的，可以說是在同一起跑線上。因此，這對于國內的工程機械生產廠商來說是一次難得的機會，是一次與國外同行同臺競技的機會，對于縮小與國外工程機械產品差距與提高自身產品競爭力具有十分重要的意義。

2）發展混合動力對激發行業自主創新意識的重要意義 混合動力技術作為一項新型的能源模式，具有對制造及工藝水平的依賴相對較小、中國主機廠家企業的創新余地大、創新成本相對較低且見效快等特點，這將有利于國內主機廠家投入資源進行創新研究，有利于激發行業的自主創新意識。只有不斷實現自主創新，掌握具有自主支持產權的核心技術，才能使我國工程機械行業在與國外工程機械產品的激烈競爭中立于不敗之地。

4.2 中國混合動力工程機械產業化進程中亟待解決的問題

近年來，我國混合動力工程機械行業發展迅速，以山河智能為代表的部分企業和院校已達到世界領先水平，但我國混合動力工程機械行業距離產業化仍有一定距離。

首先，我國混合動力工程機械目前基本上都處于試驗樣機階段，混合動力技術不夠成熟，許多核心的關鍵的技術還未掌握。如何達到產品的性能要求，特別是可靠性要求，以及如何被市場所接受成為商品，將是主要技術問題。

其次，我國混合動力工程機械行業缺乏相應的產品標準，急需相關標準來提高該產品的安全性（約束儲能元件的種類、電壓等級等）；需要標準規范其使用、報廢及回收等流程；需要行之有效的標準真正的檢測整機的油耗，反映整機的節油指標。

另外，由于國外對相關元件及技術研究有了幾十年甚至上百年的積累，工程機械配套件基本都從國外進口，不但價格高，而且供貨還得不到保證。而國內目前基本上都沒有工程機械產品配套件的生產經驗，考慮到工程機械配套件數量一般比較少，因此國內配套件生產成本無法壓縮，嚴重制約了混合動力工程機械行業的發展。

更為重要的是，大部分廠商在混合動力工程機械工程化、商品化上謹慎投入，加上用戶環境保護意識不夠，對節能產品的認識不夠，往往只重視設備的初始購置成本，忽視節能產品在后期使用中帶來的經濟效益，這已成為了制約我國混合動力工程機械進一步產業化的瓶頸。

4.3 政府對混合動力工程機械產業化的促進作用

1）市場引導 加大政府干預力度，通過合理的市場導向，提高節能型產品的市場接受度，鼓勵行業內部通過不斷的資源整合和擴大，實現技術成果共享，實現企業強強聯合，加速能耗高、排放差的產品的升級換代化，引導企業走正確的轉型升級之路，真正實現混合動力工程機械產業化。

2）項目扶持 加大工程機械節能產品的項目扶持，加強協調與引導，通過政策支持等一系列的扶持措施，幫助混合動力工程機械行業迅速成熟壯大。同時，積極引進相關專業人才，鼓勵和促進科研機構和高等院校培養高素質技術人才，為今后的混合動力工程機械行業的發展進行人才儲備計劃。

3）廣泛宣傳 加大工程機械環保節能方面的宣傳，既能增強廠商研發混合動力工程機械的信心以增加研發投入，又能加強用戶的環境保護的意識，加深用戶對節能型產品的理解，擴大節能型工程機械的市場需求，從兩個方面推動混合動力工程機械的產業化的進程。

4）補貼政策 對混合動力產品出臺相應的扶持補貼政策，一方面能改善企業在關鍵技術上的投入狀況，避免企業陷入資金鏈上的困境，另一方面能鼓勵消費者主動購買節能型產品，反過來又能刺激企業加大研發關鍵技術的自己投入，以獲得更好的經濟效益和社會效益，這將是使企業、用戶、環境三贏的舉措。

5 結 語

工程機械行業通過新規范、新技術、新能源的應用，在環保節能領域取得了顯著的成績，然而我們應該清醒地認識到，節能減排所面臨的形勢依然十分嚴峻，節能減排技術所存在的提升空間依然很大。

環保與節能是全球可持續發展的共同任務，中國工程機械行業應該進一步推動建立以政府為引導、企業為主體、產學研相結合的節能減排技術創新與應用推廣體系，加快節能減排技術的研發與產業化推廣，與全社會一道，共創美好未來。

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(編輯 賈澤輝）

設計研究 Design & Research

［中圖分類號］TU62

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0027-04

［收稿日期］2015-05-09