我国“碳达峰·碳中和”目标下工程机械绿色发展的技术路径探讨

杨春永，高乃修，耿青，王增锋

(卡特彼勒技术研发(中国)有限公司青岛分公司，山东 青岛 266061)

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我国当前的工程机械设备保有量超过800万台，仅在2020年，主要产品销售量就达到1475285台套，销售额突破7000亿人民币，称得上是名副其实的工程机械生产制造大国，有力地支援了国家经济建设。但与此同时，由于工程机械设备大多以传统内燃机为动力源，能源消耗大，尾气排放多，因此被称为行走的环境污染大户。在这样的情况下，为实现我国在联合国大会上2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和目标的郑重承诺深感责任重大，同时压力陡增。

在深刻感受到严峻挑战的同时，工程机械厂家也已经意识到碳中和目标所蕴藏的巨大机遇。一方面，“碳达峰、碳中和”作为国家政策，在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，对碳中和目标和三大支柱非常明确，工程机械厂家唯有坚定不移地走绿色发展之路，全力打造绿色工程机械产品，从根本上解决产业环境污染的问题,这是可持续发展的必然选择；另一方面，虽然困难重重，挑战严峻，但正如蒸汽机的诞生带来了影响人类历史进程的第一次工业革命一样，“碳中和”必将会引发深层次的工业革命，为我国工程机械行业迎来更大的发展空间。

工程机械绿色化的整体技术策略概括为“三二一”，如图1所示(本文没有涉及金融政策等其他市场调节手段)。即在三大支柱的指引下，首先尽最大努力控制和减少碳排放，其次，对仍然残余的碳化物采用技术固碳和生态固碳，转化为对环境无害甚至有益的成分，最终实现碳中和目标。

图1 工程机械行业碳减排的支柱、路径和目标

下面，从产品设计、工艺制造、使用维护等工程机械全生命周期的角度，围绕实现我国碳中和目标的两条绿色发展技术路径进行分析探讨。

1 工程机械碳减排路径一：控制和减少碳排放

在工程机械行业，目前化石能源仍占主流，而且，在未来很长时间内，化石能源将与新能源相伴而生，所以，在不可避免要产生碳排放的情况下，控制和减少碳排放成为当务之急。

工程机械行业已经在用的和发展中的节能减排技术，涵盖绿色设计、绿色制造和绿色使用在内的全生命周期，下面从提高效率和降低损耗两方面分别加以介绍。

1.1 轻量化技术

工程机械轻量化技术，是指通过优选材料、改善制造工艺、调整结构参数等来减轻工程机械本身的整体重量，其目标是在满足给定的客户需求(产品性能、可靠性和使用寿命等)的边界条件下，实现机器结构自身重量的最小化，以此来达到节约能源，减少污染物排放并降低成本的目的。

轻量化技术是跨学科的工程科学，它涉及到材料学、结构学、计算机学、制造技术等领域的基础知识，是轻量化结构、轻量化材料和轻量化工艺三种主要技术途径的集成应用[1]。

1.1.1 轻量化结构

我国在轻量化结构设计方面发展迅速，国内研究机构对工作装置机构分析动力学仿真、车架结构分析及优化设计等方面先后进行了深入的研究，取得了丰富的研究成果。在对仿生学的研究方面也取得了大量的成果，给轻量化设计指明了方向。研究发现，在植物和动物的世界里，生态构造永远是以最小能源消耗方式制造出来的，重量轻，寿命长，并保持一定的刚度，如蜘蛛网结构以及蜂巢构造等已经应用在轻量化设计当中，如图2所示是几个实例。

图2 轻量化结构实例

1.1.2 轻量化材料

轻量化材料，即采用轻量化的金属和非金属材料来降低目前以高密度钢材为主的整机重量。轻量化的金属材料主要包括高强度合金钢、铝合金、镁合金等；轻量化非金属则主要包括工程塑料以及玻璃钢、碳纤维等复合材料。复合材料具有强度好、比模量高、抗疲劳断裂的性能好、尺寸稳固、耐磨，抗腐蚀性能好、噪音低、绝缘性能好的优点，碳纤维复合材料质量只有相同强度普通纤维材料的1/4[2]。见图3。

图3 轻量化材料

1.1.3 轻量化工艺

工程机械的轻量化工艺可采用多种新型技术，比如：3D打印和冷喷涂技术；塑性成形技术；热成形与连接技术等[3]。

1.1.4 轻量化实例

轻量化技术的特点是综合效益好，且已被实践证明是工程机械节能减排的有效方法之一，有研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。下面是采用轻量化设计实现节能减排的实例：

(1)中联重科开发的80 m碳纤维臂架混凝土泵车，采用了碳纤维复合材料、优化结构，同时采用小一级底盘等轻量化技术，比同级的钢臂架混凝土泵车重量减轻40%，油耗降低15%，整车长度缩短30%，方便了运输和使用[3]。

(2)ZL60装载机的变速箱壳体，采用轻量化设计后，重量降低了15%，而最大变形量却降低了21%。

(3)玻璃钢在压路机、装载机等发动机罩上应用较为广泛，这种材料不仅工艺性能好，而且设计灵活，成本低，重量轻。

1.1.5 轻量化技术的现状和发展前景

我国在轻量化设计方面起步较晚，前些年虽然也引进了美国卡特彼勒和日本小松等的产品和技术，但企业自主创新能力薄弱，大量产品的设计都借鉴国外的经验数据，长期采用类推的方法 ，缺少优秀的评价标准 ，导致企业的轻量化大多还处于初级阶段，如表1所示，距离大数据支撑的专家智能设计模式相差甚远。

表1 轻量化设计存在的问题

未来提高轻量化设计水平，需要从以下三个重要的发展方向进行努力。一是学习先进的设计理念，最大限度地应用先进的设计工具，如CAD/CAE/CAM等软件，重视实验的投入和积累；二是加大仿生学的研究及成果的转化；三是推动人才发展，做好知识管理与传承。

1.2 动力系统节能减排技术

动力系统是碳排放的主要源头，因此，碳减排应首先从动力系统的节能开始，提高能源利用效率。

1.2.1 内燃机热效率提升技术

我国是内燃机产销大国，内燃机的二氧化碳排放量达到全国总量的10%，氮氧化物排放量占30%，是目前节能减排最具潜力、效果最为明显的行业之一。但内燃机的热效率不高也是一个不争的事实，自1897年世界上第一台柴油机成功面世，历经百年的改造升级，柴油机热效率也只是提升到46%。随着近几年排放法规的日益严苛，热效率的提升是世界公认的行业技术难题。

但就在2020年9月16日，内燃机发展迎来了历史性新突破！据潍柴集团网站消息，中国装备制造业的领军企业，潍柴集团正式发布拥有五大专有技术、全球首款、本体热效率达到50.26%的柴油机，且满足国六/欧Ⅵ排放要求，并率先具备了量产和商业化条件。行业专家指出，从日前46%的行业平均热效率提升至50.26%，柴油消耗将降低8%，二氧化碳排放减少8%。

1.2.2 纯电驱动技术

纯电驱动是使用电动机这种单一能源输出的机械力作为车辆驱动力的技术。由于国家政策的大力支持，纯电动技术在工程机械行业发展迅速，各厂家纷纷推出了纯电动的挖掘机、推土机、装载机、压路机、叉车等等，效率提高一倍以上，更可贵的是可实现零碳排放。目前纯电动工程机械的主要发展障碍是电池等成本较高以及续航能力有待提高。

1.2.3 燃料电池驱动技术

燃料电池有多种，但目前在工程机械中实用的只有氢燃料电池。它以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。反应后生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，且发电效益高，我国使用氢能源的公交车已经行驶在多个城市的马路上。

耕地是人类赖以生存的基本条件，是农业生产的基础，而且土地资源本身具备一定的环境修复功能，对地球表层的生态系统改造有很大影响。中国是农业大国，但是耕地总面积较少，加上近年来城市化、工业化发展，导致一部分耕地资源逐渐变为建设用地，加大了粮食安全生产压力。

1.2.4 混合动力驱动技术

混合动力是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成。工程机械中常用的有油电混合动力和油液混合动力技术，目前，以油电混合动力为主的工程机械已经获得了广泛应用。以挖掘机为例，从主要生产厂家的公开资料中发现，混合动力挖掘机节约燃料30%以上，同时提高工作效率25%以上[4]。

1.2.5 发动机自动变功率控制技术

随着电喷发动机在工程机械行业的普及应用，对发动机功率控制的精细化程度进一步提高了，从最初的只能输出一条功率曲线，到可以输出三条或以上的可供用户选择的曲线，使得发动机的输出效率进一步提升，如今，随着控制系统的发展，多功率模式的选择正从手动式向自动化发展。

1.2.6 光伏及风能利用技术

随着技术的发展，光伏、风能等清洁能源将是我国未来的主力能源，根据国际可再生能源署预测，到2050年，中国风电、光伏合计占总发电装机量比重将超过70%。刚获得全球制冷技术大奖赛金奖，可降低85.7%碳排放的“零碳源”格力空调，即是以光伏为动力源，利用光伏直驱技术，实现太阳能及市电资源的无缝切换，通过自主发电大幅降低市电用量，从而减少空调运行过程中的碳排放，通过集成创新和智能设计突破了传统空调的能效极限。

工程机械大多在野外工作，暴露在风吹日晒当中，更有利于对光能和风能的充分利用，可为车辆空调和其他电器件提供源源不断的清洁能源。

1.3 传动及液压系统节能技术

效率的提升，也就意味着在工作量不变的条件下可以节约能源，减少碳排放。近年来，我国工程机械行业在传动和液压系统的效率提升方面做了大量的工作。

传动效率提升方面，像变矩器的闭锁控制、单向导轮、双泵轮技术；变速箱的自动和半自动控制、齿轮精度的提高和斜齿轮的应用、纸基摩擦片、双排量变速泵的应用；湿式制动的驱动桥及限滑差速器的应用，以及优化加油量、减小齿轮搅油损失和润滑油的性能提升等。

液压系统的能量损耗主要包括溢流损耗和节流损耗，其来源则包括液压系统和液压元件本身。液压元件的效率提升包括，用柱塞泵替代齿轮泵，用变量泵替代定量泵等；以及大大提高了液压缸和液压阀的效率等。对节能型液压系统的研究也取得了一系列的成果，如静液压技术、优化的正、负流量系统、新型复合流量系统、负载敏感系统、多泵控制系统、泵控及二次调节技术、负载口独立控制系统、液压矩阵控制技术、基于高速开关阀的液压控制技术等，完美地将恒功率和恒扭矩控制的优点结合在一起。

1.4 制动及其他系统能量回收技术

与汽车的制动类似，以装载机为代表的工程机械在行走制动时，也会产生大量的制动动能，而且制动频率远大于公路车辆工况，传统的制动动能一般消耗在机械制动系统中，不仅浪费了大量的制动动能，还会降低制动系统的可靠性。因此，在车辆制动时回收车辆的动能，并储存在电容器中，在需要时可以将能量迅速释放。

装载机的动臂、挖掘机的大臂和回转机构等，由于运动比较频繁，惯性比较大，在动臂下放或机构回转时会释放大量的能量，对传动系统的控制性能产生不利影响。而用能量回收的方法把这些能量回收起来以备再用，不但节约能源，还可以减少系统的发热和磨损，提高设备的使用寿命[5]。

1.5 润滑油提效技术

提高传动效率、减少磨损损失也是广大工程机械业主对新型润滑油的迫切要求，各主要润滑油生产厂家在研制降低磨损、延长使用寿命的润滑油等方面做了大量的工作，国产润滑油的各项性能大幅提高，也大大提高了工程机械的传动效率。

同时，随着密封技术的提高，有效降低了平时的跑冒滴漏；随着可降解润滑油的使用、强化废油回收和再制造等措施，显著地降低了环境污染；随着长寿命或全寿命润滑油的使用，大大延长了换油周期，减少了换油次数。比如，国内卡车的换油周期从1万公里变成到10万公里，意味着每行驶10万公里就减少了9次换油，减少的换油成本和停机损失等可以显著提升经济效益。同时，减少了废油的产生和新油的消耗，从而达到节能环保的效果；长效液压油寿命已可达到10000 h，相比以前的1000 h强制换油，一个长的换油周期节省了90%以上的成本。

1.6 新操控技术

毫无疑问，现代工程机械正处在一个机、电、液、信一体化的发展时代，机械、液压和电子控制以及信息技术等的有机结合，极大地提高了工程机械的各种性能，目前正朝着简单化、智能化、远程化、无人化、机群化的方向快速发展。

操控的简单化，大大减轻了司机的劳动强度。图4所示的一款装载机变速操纵杆的发展史代表了操纵简单化的发展趋势。这是一款典型的使用定轴式变速箱的五吨装载机，变速操纵杆最初有三根，分别是方向、挡位和高低速操纵杆；后来发明了单杆操纵阀，即将换向和换挡合并成为一根；再后来，成功开发半自动变速箱，又取消了高低速操纵杆；现在，已经和工作装置操纵集成在一起，单按钮即可操纵换挡；最近，触屏式操纵已经走出了试验室，即将大批量使用；而未来的操作模式应该是感应式的，所有的操纵将自动完成。

图4 一款定轴式变速箱换挡操纵杆的发展变化

除了简单化，当属操控智能化了，如平地机的自动找平，摊铺机的自动供料，挖掘机的电子功率优化，装载机自动换挡、机器的状态监控与故障自诊断等。随着5G、云计算和IIOT技术的日趋成熟和商业化，解决了困扰人们已久的大数据时延及存储难题，远程操控也已成为一大热点，多个厂家推出的两千公里以外的精准操控机型引起了客户的极大兴趣。

无人驾驶是智能化的重要标志，国际巨头们也正围绕无人驾驶展开激烈交锋，力争率先推出自己的无人驾驶产品，以抢占市场的制高点和发言权。

智能化和无人化也大大推动了集群化的发展，从最初的仅有2台机器的配合，比如挖掘机和矿车的无人化完美协作，到现在有几十台机器组成的无人化施工方阵，场面蔚为壮观。

1.7 新制造技术

当前，采用绿色制造工艺，有效地利用能源和资源，使废物产生最少化并实现综合利用已成为行业发展趋势，大量制造新技术不断涌现，并有数十家“灯塔工厂”已投入生产。

1.7.1 新机器的绿色制造技术

绿色制造技术包括传统工艺的绿色化和新绿色工艺的使用。在传统工艺中，许多都可增加绿色属性，只是绿色程度可能有差异。比如:(1)机加工中干式切削、干式磨削都属绿色加工工艺，另外高速、超高速磨削、钻削也具有绿色属性，其共同点是节约了工时，提高了效率，减少了噪声。(2)某些工艺的调整改进也增加了绿色属性，如无氰电镀、非氰化淬火等。(3)新的锻造、压铸、粉末冶金、激光拼焊等工艺减轻了零件重量、节约了材料。

在新的制造工艺和制造模式中，数字化、虚拟化和快速成型等备受青睐。对于大多数企业而言，数字化是促进碳中和的最佳工具，它打造了能耗衡量和分析的基础，并通过整合管理降低能耗。研究显示，只要是能够加速实现数字化转型的工业企业都得到了效率的提升、成本的缩减和收益的增加。通过测算增加10%劳动生产率可以相当于减少3%的能源需求。

虚拟制造技术填补了CAD/CAM技术与生产全过程、企业管理之间的技术缺口，把产品的工艺设计、作业计划、生产调度、制造过程、库存管理、成本核算、零部件采购等企业生产经营活动在产品投入之前就在计算机上加以显示和评价，从而更有效、更经济地灵活组织生产，实现了产品开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最高化。

快速成型技术(RPM)是集CAD/CAM、激光加工、数控和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本[6]。

1.7.2 再制造技术

再制造为旧机器注入新的活力，它虽然以旧机器设备为毛坯，但却采用专门的工艺和技术，在原有制造的基础上拆解到最小的部分，并进行新的创造，确保重新制造出来的产品在性能和质量方面均不逊色于原来的新品。再制造有科学的生产流程，也是先进表面技术、微纳米涂层及微纳米减摩自修复材料和技术、修复热处理技术、再制造毛坯快速成形技术及过时产品的性能升级技术等多种高新技术的高度集成，和二手翻新有根本的不同工程机械中适合再制造的零部件主要有发动机及燃油系统、传动及液压零部件、润滑油等，其中，润滑油再生油项目潜力巨大，因为90%以上的润滑油废液可以再生利用，经提炼后高达75%的油液可转化为基础油，剩余含有油泥、积炭的残渣可满足铺路沥青等的需求，此外还有少部分燃油产品和循环水，废液经过整个流程处理后不再产生遗留物质，“变废为宝”全部转化为可利用资源。

在国外，美国和日本等再制造较为成熟，卡特彼勒从1973年开始再制造业务，2005年在上海建立了再制造中心，2012年再次扩产。以气缸盖为例，再制造可以减少61%的温室气体排放，减少86%的用水量，减少85%的能源消耗，同时提高82%的生产安全性[7]。

在国内，部分厂家开展了再制造业务，但总体来讲，成套技术尚不成熟，还处于技术启动阶段。

1.8 智慧服务技术

智慧化服务的核心是利用大数据、5G和北斗等技术，能够提前准确地识别出客户不同阶段的真正需求，为客户提供成套化的解决方案，让客户的运营更高效、更加可持续。其最终目标是设备状态可控，服务按需提供，故障诊断远程，维护替代维修。

智慧化服务之所以重要，除了从商业角度可以赚取更多的配件利润以外，从节能减排的角度看意义更大。首先，工程机械在使用中的浪费依然触目惊心！以轮式工程机械主要消耗品的轮胎为例，据统计，轮胎在总使用成本中占比达到20%以上，而只有25.9%的轮胎为正常报废，74.1%为使用或修理不当等原因造成的非正常报废。造成这种情况的根本原因，除了轮胎本身的质量问题以及用户的使用和管理问题外，最重要的是在使用过程中，没有持续地对胎压、温度等直接影响轮胎使用寿命的因素进行监测。其次，智慧化服务将单纯的产品竞争，扩展到全生命周期的服务竞争，利于用优质的产品、服务和体验留住终端客户[8]。

智慧化服务中另一个潜力巨大的项目是各类润滑油和滤油器的管理。作为另一个主要消耗品，目前仍然沿用传统的按时间或按里程的更换方式，部分机器虽加装了弹出式指示器，但从实际调研的情况看效果并不理想。换句话说，在目前的换油模式下，要么换油早了，造成浪费；要么换油晚了，造成损失。还有就是，很多客户的换油方式并不正确，换油时没有彻底清洗系统，造成新油和旧油的混用[9]。

随着数字化时代的到来，5G和大数据等技术有望帮助彻底打通客户和服务提供商之间的隔阂，利用传感器技术采集并实时传递客户机器的实时状态到服务提供商，为客户提供远程诊断和维护指导。

2 工程机械碳减排路径二：促进和增加碳吸收

通过使用新能源和新技术控制和减少碳排放，直至达到近零排放当然是工程机械行业的最大愿望。然而，未来几十年的实际情况是，虽然非化石能源的消费比重逐渐增加，但我国能源消费依然以煤炭等化石能源为主，其作为我国兜底保障能源的地位和作用短期内较难改变。也就是说，使用化石能源的工程机械还将长期存在，而这些工程机械在经过常规的技术碳减排措施后，仍然会不可避免地排放一定量的碳化物到自然界中。要使这部分工程机械真正实现零碳排放，就需要采用碳减排的第二条路径，即促进和增加碳吸收。针对存量化石能源，增加碳吸收的意义是不言而喻的，换句话说，碳吸收不仅能吸收新产生的碳，它还能消除一些已经存在于大气里的碳。

所谓碳吸收，即通过技术手段将游离的二氧化碳等温室气体固化，并储存起来，设法减少大气中的碳存量，目前其技术措施包括技术固碳和生态固碳。

技术固碳，主要是指碳捕集、利用与封存技术(简称CCUS或CCS)。它是将二氧化碳从排放源中分离后收集起来加以利用或者储存起来以实现二氧化碳减排的技术过程，是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，被认为是实现“30·60目标”的重要技术手段之一，是实现化石能源净零排放的唯一技术选择。目前，常用的技术固碳方法包括化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等。同时，所捕集到的二氧化碳，可应用于食品加工、化学产品生产等工业化利用领域。就此而言，碳捕集、利用与封存技术的发展，不仅能为煤电、煤化工、水泥、钢铁等高排放行业的绿色低碳转型留下缓冲空间，也对搭建“人工碳循环”模式具有重要意义。联合国政府间气候变化专门委员会评估报告指出，如果没有碳捕集、利用与封存技术，碳减排成本将会成倍增加。

碳达峰、碳中和目标的提出，为绿色低碳技术提供了历史性机遇，也使得碳捕集、利用与封存技术受到更多关注，迎来更大的发展空间。当前，中国CCUS技术的发展与应用已经得到政府与企业的重视，技术水平也在快速发展，但普遍商用仍面临着高成本、高能耗等挑战。我们会积极探索大规模、低成本的碳捕集、利用与封存技术路径，为实现碳达峰、碳中和目标贡献更大力量，为我国工程机械行业的低碳绿色转型、高质量发展注入新动能。

生态固碳，则是利用植物的光合作用，即地球森林吸入二氧化碳，呼出氧气。人类可以通过植树造林最大化大自然的捕碳能力，提高生态系统的碳吸收和储存能力，从而减少二氧化碳在大气中的浓度，减缓全球变暖趋势，这是一种回归本源的固碳方法。气候学家豪斯法瑟表示：“未来几十年的大气平均温度增幅肯定会超过1.5 ℃，挽救的唯一方法是积极地吸收大气二氧化碳，几乎没有其他方法可以做到这一点。”

绿色植物通过光合作用固定的二氧化碳被称为“绿碳”，而海洋和沿海生态系统——藻类、海草以及红树林等的碳封存称为“蓝碳”。推进绿碳和蓝碳工作不仅助力碳负计划，还可以带来一系列好的连锁效应，比如更高的生物多样性、更繁荣的旅游业和更丰富的植被，植被能防止侵蚀，也会从风暴潮中吸收水分，利于缓解某些地方的海平面上升问题，最近很多环保人士将更多注意力转向了蓝碳。

这种回归自然的固碳方式具备可持续性，同时可惠及当地就业，从实际操作层面看效果更好。当然需要指出的是，有助于解决气候危机的天然碳汇当前正受到气候危机的威胁，最直接的一个威胁就是森林野火。

3 总结

综上所述，本文从全生命周期的角度分析了工程机械行业的净零碳排放、碳捕获技术以及生态固碳的实施手段及减排效果，讨论了这些技术和手段对于实现我国双碳目标的重大意义。

最后需要说明的是，要正确理解与环保部在2020年末发布的“非道路国四”排放法规的异同。两者既有相同点，又有不同点。“非道路国四”主要是限制有毒气体及颗粒物排放，而有些限制尾气排放而采用的技术手段恰恰是生成二氧化碳等温室气体，如DOC(柴油机氧化催化器)技术，就是利用柴油机尾气通过催化剂时，尾气中碳氢化合物、一氧化碳等与氧气进行化学反应，生成无污染的水和二氧化碳。所以目前来看，最好的办法是将限制碳排放的技术和环保法规中限制尾气排放的技术相结合，从而达到综合治理的双重效果。