国Ⅲ箭在弦上 工程机械如何应对

本刊记者 贾泽辉

面对日益严峻的环境形势，节能减排越来越受到各行各业的高度重视，作为耗能和排放的大户——工程机械行业而言，节能减排的任务更加艰巨。为保护人类十分宝贵且有限的资源，实现全球可持续发展，提高操作人员的安全性及工作舒适性，努力达到人、机和环境的亲和，可以预见开发研制环保节能的绿色工程机械产品将是工程机械未来发展的必然趋势。

2014年4月17～18日，第四届中国绿色车辆国际论坛——非公路篇在上海举行，来自工程机械相关行业协会、科研院所、整机制造商、发动机制造商、零部件制造商以及行业媒体的近200名代表参加了论坛。中国工程机械工业协会施工机械化分会作为大会的支持机构出席了论坛，卡特彼勒中国技术研发中心董事长孙晓波博士和菲亚特动力科技管理（上海）有限公司产品工程总监戚正刚先生受邀分别主持了第一天和第二天的会议。建筑机械化杂志记者受邀对大会进行了全程报道。

环保部机动车排污监控中心政策研究部副主任尹航介绍了中国大气污染形势和非道路移动源的排放与管理。中国工程机械学会挖掘机分会秘书长陈正利介绍了液压挖掘机高效节能技术的新动向，并对当前液压挖掘机实施节能环保提出了几点建议。中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院侯宝佳研究员介绍了国家“十二五”科技支撑计划重点项目课题《建筑工程绿色施工机械评价技术及数据库研究》的情况和最新进展。

工程机械整机企业代表卡特彼勒全球副总裁兼首席技术官Gwenne Henricks女士莅临大会发表关于非公路车辆绿色技术的演讲，介绍了卡特彼勒在节能环保方面做出的努力。济南汽车检测中心主任王世龙介绍了我国非道路移动机械用压燃式发动机排放标准（第Ⅲ阶段）的细则与进展；美国西南研究院北京首席代表师西民介绍了满足国Ⅲ标准规定的不同功率发动机的技术路线。发动机企业代表分享了满足欧盟ⅢB及Ⅳ阶段、美国4阶段的发动机技术路线。

会议热点话题引起了代表们的热议。目前，产品绿色化已成为世界进步和发展的必然潮流，绿色技术是解决资源和环境问题的最佳途径。工程机械面临绿色的挑战，理应顺应时代潮流，推广绿色技术，生产绿色产品，提高市场竞争力，使工程机械获得更大的发展。本刊记者整理了部分演讲嘉宾的精彩发言，以飨读者。

非道路国Ⅲ排放标准发布在即

工程机械排放标准的漫漫升级之路牵动着产业链上整机制造商、发动机供应商及下游用户等各个环节的神经。2014年第2期我刊曾就工程机械排放标准升级的话题展开过专题报道，在2013年7月1日这个时间节点上，有两项关于排放标准升级的标准正式实施。一是重型柴油车国Ⅳ排放标准正式实施，二是北京正式实施相当于欧ⅢA阶段的非道路机械京Ⅲ排放标准。以上两个排放标准的落地对推进工程机械节能环保的进程而言正产生着积极的影响。而在本次论坛上，济南汽车检测中心主任王世龙与大家分享了发布在即的非道路机械国Ⅲ排放标准的细则和最新进展。

国家强制标准《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第Ⅰ、Ⅱ阶段)》（GB 20891-2007）于2007年4月3日正式发布，根据标准要求，2007年10月1日实施第Ⅰ阶段限值要求，2009年10月1日实施第Ⅱ阶段限值要求。随着机动车排放标准的不断升级，非道路移动机械排放标准无论从时间上还是技术上都具备了升级的基础。2011年，由国家环保部组织，济南汽车检测中心开始起草非道路移动机械国Ⅲ排放的标准草案，历时几年现在已形成报批稿等待正式发布。新标准规定了非道路移动机械用柴油机第Ⅲ阶段排气污染物排放限值和测量方法，相当于欧盟非道路移动机械排放标准的ⅢA阶段，并提出了第Ⅳ阶段的预告性要求。

新标准修改采用欧盟（EU）指令97/68/EC（截止到修订版2004/26/EC）《关于协调各成员国采取措施防治非道路移动机械用压燃式发动机气态污染物和颗粒物排放的法律》中有关非道路移动机械柴油机的技术内容。与2004/26/EC指令相比，该标准增加了ISO8178中的G2测试循环；不包含欧IV阶段的技术要求；在第Ⅲ阶段增加了19kW以下和560kW以上柴油机控制要求；简化了一致性检查的判定方法；增加了催化转化器载体体积和贵金属含量的试验要求；调整了试验用基准柴油的部分技术参数；提出了第IV阶段标准的预告性要求，技术要求同欧盟ⅢB，鼓励有条件的地方提前实施。

作为GB 20891-2007的替代标准，严格了污染物排放限值；增加了瞬态试验循环（NRTC）；增加了560kW以上柴油机的控制要求；简化了一致性检查的判定方法；增加了排放控制耐久性要求；增加了催化转化器载体体积和贵金属含量的试验要求；修订了试验用基准柴油的技术要求。

非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值(中国第Ⅲ、Ⅵ阶段，报批稿)

按照报批稿上报的标准实施时间，自2014年10月1日起，凡进行排放型式核准的非道路移动机械用柴油机必须符合国Ⅲ要求；自2015年10月1日起，所有制造和销售的非道路移动机械用柴油机必须符合国Ⅲ要求；自2016年4月1日起，所有制造、进口和销售的非道路移动机械不得装用不符合国Ⅲ要求的柴油机。

满足国Ⅲ排放的发动机技术路线

从上面的叙述中可以看出，非道路国Ⅲ排放标准的发布已经是箭在弦上，对于发动机企业和工程机械整机企业来说，无疑是机遇和挑战并存。在论坛上，多位嘉宾都介绍了满足国Ⅲ排放标准的发动机技术路线。因为非道路国Ⅲ排放标准修改采用的是欧盟排放法律的有关技术内容，国Ⅲ排放标准对标的也是欧盟ⅢA阶段的排放标准，所以参考欧美标杆发动机技术路线对国内发动机排放升级发展具有重要意义。欧美发动机排放标准体系完善，技术成熟，充分借鉴成熟的技术路线可以起到事半功倍的效果，在技术研发和整机成本控制上都可以不走或少走弯路。

玉柴工程研究院性能开发部经理陆寿域表示，从排放限值看，相对于第Ⅱ阶段，第Ⅲ阶段主要是降低了NOx 和HC，不同功率段有21%～43%的降低，而PM方面，仅18～37kW功率段降低了12.5%。从技术角度来看，由于有车用发动机第Ⅲ阶段排放控制基础，实现非道路排放标准第Ⅲ阶段难度不大。增压中冷、 EGR（废气再循环）、小型化和电控技术是满足挑战的方案,也是发动机发展的新机遇。借鉴国外和国内车用发动机的发展过程，每次排放升级都伴随着发动机排量优化的过程，强制执行国Ⅲ排放标准正是促进发动机排量小型化的最佳时机。根据玉柴对50型装载机用柴油机进行的应用研究，采用增压+机械泵技术路线的10L发动机完全可以被采用增压中冷+电控燃油系统路线的8-9L发动机所代替，而发动机的尺寸更紧凑。

满足非道路国Ⅲ排放发动机主要技术路线

珀金斯400系列发动机无锡工厂总经理魏马腾在会上表示，面对即将到来的中国第Ⅲ阶段排放要求，OEM厂商将迎接成本、操作性能、燃油品质和设备集成等方面的挑战。满足中国第Ⅲ阶段排放要求的发动机可以选择机械或电控两种燃油系统。前者的优点是性能接近于Ⅱ阶段排放的发动机，结构改动小，成本低，对油品要求较低，易于维护保养；后者的优点是利于优化发动机和液压系统以及控制系统的整合和匹配，减小热负荷排放，优化设备性能，节油性较好。国内目前燃油的杂质、水含量、含硫量都比较高，这对电控共轨系统精密的燃油零部件带来非常大的损害。针对燃油品质问题，珀金斯发动机采用新的共轨燃油系统，对燃油杂质的适应性可提高12倍，同时机油润滑的高压泵大大提高了发动机的可靠性；珀金斯发动机还有多级过滤系统，具有4倍的杂质过滤能力，油水分离能力大大提高。

在确定发动机的技术升级路线时，柳工中央研究院院长罗维认为，要基于中国实际国情和用户群体区别，从销售区域、应用工况、发动机原排量、成本目标、燃油品质等方面综合考量。

国Ⅲ排放发动机技术路线的用户分析

距离中国正式实施非道路国Ⅲ排放标准已经进入倒计时，加之日益严重的环境形势，相信实施更加严格的排放法规的进程也必将提速。

潍柴柴油机性能开发主任工程师龚英利在会上介绍，对于满足Stage ⅢB排放标准的发动机的技术路线，130kW以下以EGR为主；130kW以上SCR为主。对于满足Stage Ⅳ排放标准的发动机技术路线，以SCR为主，WG增压器是趋势。在2013年的德国bauma展上，康明斯展出了一款SCR only发动机，达到美国4阶段，最终期和欧盟IV阶段排放，散热需求比EGR的发动机相比减少40%。因此移除EGR是设计的新方向，采用高效率SCR技术将是未来发展的关键技术。

满足Stage ⅢB 发动机排放技术路线分析

满足Stage Ⅳ发动机排放技术路线分析

发动机与工程机械整机的动力匹配

柳工中央研究院院长罗维认为，Ⅲ阶段发动机应尽可能保持与Ⅱ阶段发动机一致的功率特性和扭矩特性，否则将改变整机原定的动力性能及油耗指标。在进行发动机与整机的动力匹配研究时，应进行多种工况的载荷谱试验，把发动机经济油耗区与整机常用工作区重合。比如针对装载机，柳工优化变矩器匹配，确保发动机功率高效地传递到传动系统，减小发动机功率损失和系统发热，降低燃油消耗。针对挖掘机，柳工采用全功率控制匹配技术，在各挡位下根据载荷变化调整发动机扭矩及功率，使发动机运行稳定，大幅提升燃油利用率。同时罗维提出，针对产销量大的整机产品，发动机制造商和主机厂联合开发“定制”发动机不失为一条明智的选择。比如针对柳工装载机产品，柳工和康明斯联合开发驼峰功率曲线技术，提升发动机克服外载荷能力，根据载荷谱设定的发动机经济油耗区与高功率区重合度高，经实际用户测试工作油耗比普通装载机可降低5%～8%，综合工作效率提升10%～17%。

山河智能挖机研究院院长陶海军表示，主机厂通过定制开发的专用发动机，优化的低速段匹配，使低速工作时不但省油，还能提高工作效率。比如通过挖掘机负载研究分析，进行参数优化匹配，可以实现挖掘作业过程中发动机始终匹配于低油耗区域。另外，越来越多的工程机械采用了全电子控制的柴油发动机，控制柴油的喷射量和喷射时间，其特性曲线可以由软件来控制，这样就可以根据不同的作业工况采用不同的特性，最大限度地提高柴油机的动力性能、燃料利用率和排放质量。

工程机械其他节能环保技术进展

1）液压系统改进及优化 传统的工程机械节能研究，多数集中在提高相关元件的性能，改进液压系统和提高动力系统与液压系统的功率匹配等方面。经多年研究理论已相当成熟，但在产品的新工法、新应用方面进行适当的再创新仍然有明显的环保节能效果。山河智能挖机研究院院长陶海军介绍，通过对多路阀及整个液压系统的动、静态特性分析，结合机构动力学响应特性研究，对多路阀阀芯的节流口进行优化，可以降低回路综合损失30%。山河智能开发的高效主阀在小型挖掘机上应用后增加了铲头合流功能，缩短了15%的挖掘复位时间，同时具有斗杆合流和独有的平地模式，整体作业效率提升18%～25%，而油耗降低18%～20%。针对中大型液压挖掘机液压系统，通过加大管路直径，优化管路接口，使压力损失大大降低，提高了作业效率。

2）新能源及混合动力技术 新能源作为一种新兴的动力技术，在汽车上的成功应用与技术优势为工程机械的节能研究提供了较好的借鉴思路，越来越多的新能源工程机械开始在市场上崭露头角。随着污染严重、油价上涨，工程机械主机厂纷纷展开了采取替代柴油的清洁新能源作为工程机械动力源的积极尝试和探索，以LNG、CNG、LPG为燃料的装载机、挖掘机和以蓄电池、外插电源作为动力的叉车、小挖等工程机械产品相继问世。另一方面，混合动力技术也是目前乃至未来极具应用前景和推广价值的新能源技术。2004年小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机。该样机采用并联方案，柴油机输出的能量主要用于驱动负载，多余或不足的部分能量由发电机或电动机转化补充。相关报道称，该机型与普通型液压挖掘机相比可降低约25%的能源消耗。目前世界上主流的挖掘机、装载机等工程机械企业都已经开发出了油电混合动力或油液混合动力的产品，引领着未来节能型工程机械的一大方向。

3）结构优化和轻量化设计 计算机辅助设计技术的应用与发展，为工程机械实现绿色设计提供了极大的便利和支持。虚拟样机技术使产品设计可摆脱对物理样机的依赖，体现了一种全新的研发模式。借助集合多种分析手段于一体的智能仿真等软件，可以方便地实现工程机械的结构优化和轻量化设计，缩短研发周期，提高产品性能，同时达到节能、节材的目的。

节能与环保是全球可持续发展的共同任务。节能减排发展非一日之功，节能减排技术的产业化也将是一个长期的过程，国内工程机械厂家只有充分意识到工程机械节能减排的重要性，才能在工程机械发展的下个阶段与国际一流水平同台竞技。