工程机械节能环保研发趋势

Energy conservation and environmental protection developing trend of construction machinery

张大庆/ZHANG Da-qing

(山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙 410100）

综述探讨 Summary Discussion

工程机械节能环保研发趋势

Energy conservation and environmental protection developing trend of construction machinery

张大庆/ZHANG Da-qing

(山河智能装备股份有限公司，湖南 长沙 410100）

[摘 要]针对能源短缺和环境污染以及工程机械能耗高、排放差的问题，从我国工程机械环保节能的研发背景出发，分析工程机械环保节能研发的总体趋势，介绍新能源技术在工程机械上的应用，并指出我国混合动力工程机械产业化的必要性、产业化进程中亟待解决的问题以及政府对混合动力工程机械产业化的促进作用，为我国工程机械环保与节能技术的研发与产业化推广提供参考建议。

[关键词]节能环保；新能源；混合动力；工程机械；能量回收

1 环保节能研发背景

近年来，能源短缺和环境污染问题成为世界关注的焦点问题，转变传统高能耗、高污染的经济增长方式，大力推进节能减排，发展以低能耗、低排放为标志的低碳经济，实现可持续发展，已经成为世界各国迫在眉睫的任务。

然而，我国在节能减排方面的要求和规定还不是十分健全，尤其是在节能减排任务中扮演重要角色的企业方面，只有定性要求，没有标准要求。而在规范产品节能减排方面，只是针对产品污染物的排放设立了具体的国Ⅱ标准，规定了定量的污染物排放要求，在同样重要的产品二氧化碳排放和产品节能方面，均没有提出具体的标准要求。

众所周知，工程机械是能耗高、排放差的典型机械。以小松20t挖掘机为例，在正常工作相同时间内，一台20t挖掘机的废气排放量相当于30辆小型汽车的废气排放量。因此，工程机械行业节能减排责任格外重大。

2 工程机械环保节能研发的总体趋势

针对工程机械能耗高、排放差的问题，各大工程机械厂商以及科研院校进行了大量的研究。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。但经多年研究技术已相当成熟，难以有明显的节能改善效果。目前，工程机械厂家开始把节能减排的探索放在其他新技术的研发上，其中包括元件级技术、系统级技术、新能源技术以及混合动力技术，并且取得了良好的节能效果，实现了环保目标。

2.1 基于元件的环保节能研发

图1 电喷发动机电子控制系统

1）发动机电子控制技术（图1） 目前，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。其中，应用在工程机械上典型的有五十铃电喷发动机以及潍柴电喷发动机。

2）新型电子插装结构多路阀（图2） 新型电子插装结构多路阀通过电子液压系统的逻辑控制来实现对应用产品的所有功能控制，采用CAN总线先导阀系统、双平行阀设计、开放式整体结构，实现电子压力控制、电子滑阀位移流量控制以及容腔控制，减少能量损失，达到节能的目的。

图2 EATON 双阀芯电液控制系统

3）机械-液压无级变速器（图3） 液压机械-无级变速器(HMT)由液压调速机构和机械变速机构及分、汇流机构组成，是一种液压功率流与机械功率流并联的新型传动形式，通过机械传动实现传动高效率，通过液压传动与机械传动相结合实现无级变速。与传统的机械式有级变速器相比，液压机械无级变速器能自动适应负荷和行驶阻力的变化，实现无级变速，保证发动机工作在最佳工作点，有利于提高车辆动力性、燃油经济性和工作效率。该传动综合了液压传动和机械传动的主要优点，兼有无级调速性能和较高的传动效率，因此在工程机械、大功率拖拉机、汽车、坦克、电力机械等许多领域有着良好的应用前景。

图3 机械-液压无级变速器（HMT）

2.2 基于系统的环保节能研发

1）新型传动型式 新型传动形式包括液力机械传动、机械传动、静液压传动和电传动等传动形式。这些新型传动形式提高了传动效率，从而达到了节能的目的。以静液压传动为例，静液压传动装置是以液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传动元件（减速器或变速箱），成为一种无级变速的传动装置。它与纯机械传动和液力机械传动相比，具有高效区宽、布局灵活、无级变速、换向方便、控制方式多样和功率利用合理等众多优点。工程机械合理运用静液压传动装置，则能改善机构性能，提高生产效率，节省能量消耗，使机器的品质上升到一个新的阶段。随着该项技术的发展和所用元件的完善，采用静液压传动装置的工程机械会愈来愈多，市场前景良好。

2）DDC直驱液压技术（图4） 相比采用传统的负载敏感（LS）系统的液压挖掘机，在相同的工作条件下，采用DDC直驱液压技术的挖掘机节能39.7%，而效率提高12.9%。

图4 DDC直驱液压技术

3 新能源与工程机械

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。然而，由于工程机械（以液压挖掘机为例）和汽车运行工况和环境的显著差别，汽车动力系统的负载工况变化较平缓，且无明显的周期性，而挖掘机的负载变化剧烈，周期性强。因此，汽车领域的新能源动力相关共性技术不能直接移植到工程机械领域，必须针对工程机械的特点，发展适用于工程机械的新能源动力系统。

3.1 新能源技术在工程机械领域中的应用

山河智能装备股份有限公司是最早将新能源技术应用在工程机械领域中的企业之一。山河智能研发了以液化石油气发动机为动力源的叉车，相比于汽油发动机，液化石油气发动机能大大减少废气排放，CO排放减少8%，HC减少75%，NOX也明显下降。山河智能还推出了蓄电池式电动挖掘机（图5），移动性能好，实现真正意义上的零排放，适合在封闭半封闭区域作业。山河智能还推出了线缆式电动挖掘机（图6）。

图5 蓄电池式电动挖掘机

图6 线缆式电动挖掘机

Terex外插式电源驱动挖掘机（图7）采用外插式电源供电，适合于小范围连续施工条件，零排放，环境友好。

3.2 工程机械中的混合动力技术

混合动力技术被认为是目前工程机械最具应用前景的新能源技术。混合动力工程机械产品类型涉及到挖掘机、装载机、起重机、推土机、叉车、牵引车等多种工程机械产品。

图7 Terex外插式电源驱动挖掘机

液压挖掘机混合动力系统的研究尤为引人注目。2004年5月，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。

山河智能开发的SWE230S油电混合动力液压挖掘机在典型的定点挖掘并回转90°装车的工况中，回转制动回收的能量高达回转所需40%；整机节能效果在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动力的节能型挖掘机。

此外，卡特彼勒推出了336EH油液混合动力挖掘机，油耗比标准机型降低可达25%，而在性能、动力、力量、速度和生产方面与标准机型无异，帮助客户实现大幅节省燃油的需求；Manulorraine公司的ECO’energy系统应用在Atlas的180型轮式挖掘机上。

混合动力技术也在其它工程机械上取得了较为广泛的应用。沃尔沃在2009年巴黎INTERMAT展展出了油电混合动力装载机；Kawasaki 在2011年拉斯维加斯展展示了油电混合动力装载机；STILL和徐工也分别研发了油电混合动力叉车以及油液混合动力装载机。

4 混合动力技术在国内发展的几点思考

4.1 中国混合动力工程机械产业化的必要性

1）发展混合动力对缩小与国外挖掘机差距的重要意义 国内工程机械的核心技术大部分掌握在国外的一些配套企业，从关键元件到系统大部分都是从国外引进。其主要原因是国外对相关元件及技术研究有了几十年甚至上百年的积累，而国内企业大部分都是从上世纪90年代甚至更晚才开始着手这方面的工作，其差距不是短时间内能消除的。然而，混合动力作为一种新兴技术，对挖掘机的节能减排起着十分重要的作用。国内对于这项技术的研究并不比国外晚很多，并且从目前来看，在技术上的差距也是比较小的，可以说是在同一起跑线上。因此，这对于国内的工程机械生产厂商来说是一次难得的机会，是一次与国外同行同台竞技的机会，对于缩小与国外工程机械产品差距与提高自身产品竞争力具有十分重要的意义。

2）发展混合动力对激发行业自主创新意识的重要意义 混合动力技术作为一项新型的能源模式，具有对制造及工艺水平的依赖相对较小、中国主机厂家企业的创新余地大、创新成本相对较低且见效快等特点，这将有利于国内主机厂家投入资源进行创新研究，有利于激发行业的自主创新意识。只有不断实现自主创新，掌握具有自主支持产权的核心技术，才能使我国工程机械行业在与国外工程机械产品的激烈竞争中立于不败之地。

4.2 中国混合动力工程机械产业化进程中亟待解决的问题

近年来，我国混合动力工程机械行业发展迅速，以山河智能为代表的部分企业和院校已达到世界领先水平，但我国混合动力工程机械行业距离产业化仍有一定距离。

首先，我国混合动力工程机械目前基本上都处于试验样机阶段，混合动力技术不够成熟，许多核心的关键的技术还未掌握。如何达到产品的性能要求，特别是可靠性要求，以及如何被市场所接受成为商品，将是主要技术问题。

其次，我国混合动力工程机械行业缺乏相应的产品标准，急需相关标准来提高该产品的安全性（约束储能元件的种类、电压等级等）；需要标准规范其使用、报废及回收等流程；需要行之有效的标准真正的检测整机的油耗，反映整机的节油指标。

另外，由于国外对相关元件及技术研究有了几十年甚至上百年的积累，工程机械配套件基本都从国外进口，不但价格高，而且供货还得不到保证。而国内目前基本上都没有工程机械产品配套件的生产经验，考虑到工程机械配套件数量一般比较少，因此国内配套件生产成本无法压缩，严重制约了混合动力工程机械行业的发展。

更为重要的是，大部分厂商在混合动力工程机械工程化、商品化上谨慎投入，加上用户环境保护意识不够，对节能产品的认识不够，往往只重视设备的初始购置成本，忽视节能产品在后期使用中带来的经济效益，这已成为了制约我国混合动力工程机械进一步产业化的瓶颈。

4.3 政府对混合动力工程机械产业化的促进作用

1）市场引导 加大政府干预力度，通过合理的市场导向，提高节能型产品的市场接受度，鼓励行业内部通过不断的资源整合和扩大，实现技术成果共享，实现企业强强联合，加速能耗高、排放差的产品的升级换代化，引导企业走正确的转型升级之路，真正实现混合动力工程机械产业化。

2）项目扶持 加大工程机械节能产品的项目扶持，加强协调与引导，通过政策支持等一系列的扶持措施，帮助混合动力工程机械行业迅速成熟壮大。同时，积极引进相关专业人才，鼓励和促进科研机构和高等院校培养高素质技术人才，为今后的混合动力工程机械行业的发展进行人才储备计划。

3）广泛宣传 加大工程机械环保节能方面的宣传，既能增强厂商研发混合动力工程机械的信心以增加研发投入，又能加强用户的环境保护的意识，加深用户对节能型产品的理解，扩大节能型工程机械的市场需求，从两个方面推动混合动力工程机械的产业化的进程。

4）补贴政策 对混合动力产品出台相应的扶持补贴政策，一方面能改善企业在关键技术上的投入状况，避免企业陷入资金链上的困境，另一方面能鼓励消费者主动购买节能型产品，反过来又能刺激企业加大研发关键技术的自己投入，以获得更好的经济效益和社会效益，这将是使企业、用户、环境三赢的举措。

5 结 语

工程机械行业通过新规范、新技术、新能源的应用，在环保节能领域取得了显著的成绩，然而我们应该清醒地认识到，节能减排所面临的形势依然十分严峻，节能减排技术所存在的提升空间依然很大。

环保与节能是全球可持续发展的共同任务，中国工程机械行业应该进一步推动建立以政府为引导、企业为主体、产学研相结合的节能减排技术创新与应用推广体系，加快节能减排技术的研发与产业化推广，与全社会一道，共创美好未来。

[参考文献]

[1] 李伟雄，黄宗益.混合动力在工程机械中的应用[J].建筑机械，2010，(4)：35-38.

[2] 章崇任．新能源工程机械特点分析[J]．建筑机械，2009，(8)：90-92.

[3] 王庆丰，魏建华，吴根茂，等．工程机械液压控制技术的研究进展与展望[J]．机械工程学报，2003，(12)：51-53.

[4] 张 奕，龙水根．工程机械节能的新途径[J]．液压与气动，2006，(9)：73-74.

[5] 张振兴．混合动力发展三问[J]．工程机械与维修，2010，(1)：54-56.

(编辑 贾泽辉）

设计研究 Design & Research

［中图分类号］TU62

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)06-0027-04

［收稿日期］2015-05-09