工程機械節(jié)能環(huán)保研發(fā)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(jié)能環(huán)保研發(fā)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(huán)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(huán)保節(jié)能的研發(fā)背景出發(fā)，分析工程機械環(huán)保節(jié)能研發(fā)的總體趨勢，介紹新能源技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用，并指出我國混合動力工程機械產(chǎn)業(yè)化的必要性、產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化的促進作用，為我國工程機械環(huán)保與節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推廣提供參考建議。

[關(guān)鍵詞]節(jié)能環(huán)保；新能源；混合動力；工程機械；能量回收

1 環(huán)保節(jié)能研發(fā)背景

近年來，能源短缺和環(huán)境污染問題成為世界關(guān)注的焦點問題，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)高能耗、高污染的經(jīng)濟增長方式，大力推進節(jié)能減排，發(fā)展以低能耗、低排放為標志的低碳經(jīng)濟，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國迫在眉睫的任務(wù)。

然而，我國在節(jié)能減排方面的要求和規(guī)定還不是十分健全，尤其是在節(jié)能減排任務(wù)中扮演重要角色的企業(yè)方面，只有定性要求，沒有標準要求。而在規(guī)范產(chǎn)品節(jié)能減排方面，只是針對產(chǎn)品污染物的排放設(shè)立了具體的國Ⅱ標準，規(guī)定了定量的污染物排放要求，在同樣重要的產(chǎn)品二氧化碳排放和產(chǎn)品節(jié)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(nèi)，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(yè)節(jié)能減排責任格外重大。

2 工程機械環(huán)保節(jié)能研發(fā)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(tǒng)的工程機械節(jié)能研究，多數(shù)集中在提高相關(guān)元件的性能，改進液壓系統(tǒng)和提高動力系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的功率匹配等方面。但經(jīng)多年研究技術(shù)已相當成熟，難以有明顯的節(jié)能改善效果。目前，工程機械廠家開始把節(jié)能減排的探索放在其他新技術(shù)的研發(fā)上，其中包括元件級技術(shù)、系統(tǒng)級技術(shù)、新能源技術(shù)以及混合動力技術(shù)，并且取得了良好的節(jié)能效果，實現(xiàn)了環(huán)保目標。

2.1 基于元件的環(huán)保節(jié)能研發(fā)

圖1 電噴發(fā)動機電子控制系統(tǒng)

1）發(fā)動機電子控制技術(shù)（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(fā)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(jù)不同的作業(yè)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(zhì)量。其中，應(yīng)用在工程機械上典型的有五十鈴電噴發(fā)動機以及濰柴電噴發(fā)動機。

2）新型電子插裝結(jié)構(gòu)多路閥（圖2） 新型電子插裝結(jié)構(gòu)多路閥通過電子液壓系統(tǒng)的邏輯控制來實現(xiàn)對應(yīng)用產(chǎn)品的所有功能控制，采用CAN總線先導(dǎo)閥系統(tǒng)、雙平行閥設(shè)計、開放式整體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(jié)能的目的。

圖2 EATON 雙閥芯電液控制系統(tǒng)

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(diào)速機構(gòu)和機械變速機構(gòu)及分、匯流機構(gòu)組成，是一種液壓功率流與機械功率流并聯(lián)的新型傳動形式，通過機械傳動實現(xiàn)傳動高效率，通過液壓傳動與機械傳動相結(jié)合實現(xiàn)無級變速。與傳統(tǒng)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(yīng)負荷和行駛阻力的變化，實現(xiàn)無級變速，保證發(fā)動機工作在最佳工作點，有利于提高車輛動力性、燃油經(jīng)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(yōu)點，兼有無級調(diào)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(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

圖3 機械-液壓無級變速器（HMT）

2.2 基于系統(tǒng)的環(huán)保節(jié)能研發(fā)

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(jié)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(qū)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(yōu)點。工程機械合理運用靜液壓傳動裝置，則能改善機構(gòu)性能，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能量消耗，使機器的品質(zhì)上升到一個新的階段。隨著該項技術(shù)的發(fā)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(qū)液壓技術(shù)（圖4） 相比采用傳統(tǒng)的負載敏感（LS）系統(tǒng)的液壓挖掘機，在相同的工作條件下，采用DDC直驅(qū)液壓技術(shù)的挖掘機節(jié)能39.7%，而效率提高12.9%。

圖4 DDC直驅(qū)液壓技術(shù)

3 新能源與工程機械

新能源作為一種新興的動力技術(shù)，在汽車上的成功應(yīng)用與技術(shù)優(yōu)勢為工程機械的節(jié)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(huán)境的顯著差別，汽車動力系統(tǒng)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(lǐng)域的新能源動力相關(guān)共性技術(shù)不能直接移植到工程機械領(lǐng)域，必須針對工程機械的特點，發(fā)展適用于工程機械的新能源動力系統(tǒng)。

3.1 新能源技術(shù)在工程機械領(lǐng)域中的應(yīng)用

山河智能裝備股份有限公司是最早將新能源技術(shù)應(yīng)用在工程機械領(lǐng)域中的企業(yè)之一。山河智能研發(fā)了以液化石油氣發(fā)動機為動力源的叉車，相比于汽油發(fā)動機，液化石油氣發(fā)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(xiàn)真正意義上的零排放，適合在封閉半封閉區(qū)域作業(yè)。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(qū)動挖掘機（圖7）采用外插式電源供電，適合于小范圍連續(xù)施工條件，零排放，環(huán)境友好。

3.2 工程機械中的混合動力技術(shù)

混合動力技術(shù)被認為是目前工程機械最具應(yīng)用前景的新能源技術(shù)?；旌蟿恿こ虣C械產(chǎn)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(chǎn)品。

圖7 Terex外插式電源驅(qū)動挖掘機

液壓挖掘機混合動力系統(tǒng)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(lián)方案，柴油機輸出的能量主要用于驅(qū)動負載，多余或不足的部分能量由發(fā)電機或電動機轉(zhuǎn)化補充。相關(guān)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(fā)的SWE230S油電混合動力液壓挖掘機在典型的定點挖掘并回轉(zhuǎn)90°裝車的工況中，回轉(zhuǎn)制動回收的能量高達回轉(zhuǎn)所需40%；整機節(jié)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(jié)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(chǎn)方面與標準機型無異，幫助客戶實現(xiàn)大幅節(jié)省燃油的需求；Manulorraine公司的ECO’energy系統(tǒng)應(yīng)用在Atlas的180型輪式挖掘機上。

混合動力技術(shù)也在其它工程機械上取得了較為廣泛的應(yīng)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(fā)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(shù)在國內(nèi)發(fā)展的幾點思考

4.1 中國混合動力工程機械產(chǎn)業(yè)化的必要性

1）發(fā)展混合動力對縮小與國外挖掘機差距的重要意義 國內(nèi)工程機械的核心技術(shù)大部分掌握在國外的一些配套企業(yè)，從關(guān)鍵元件到系統(tǒng)大部分都是從國外引進。其主要原因是國外對相關(guān)元件及技術(shù)研究有了幾十年甚至上百年的積累，而國內(nèi)企業(yè)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(nèi)能消除的。然而，混合動力作為一種新興技術(shù)，對挖掘機的節(jié)能減排起著十分重要的作用。國內(nèi)對于這項技術(shù)的研究并不比國外晚很多，并且從目前來看，在技術(shù)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(nèi)的工程機械生產(chǎn)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(chǎn)品差距與提高自身產(chǎn)品競爭力具有十分重要的意義。

2）發(fā)展混合動力對激發(fā)行業(yè)自主創(chuàng)新意識的重要意義 混合動力技術(shù)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(yè)的創(chuàng)新余地大、創(chuàng)新成本相對較低且見效快等特點，這將有利于國內(nèi)主機廠家投入資源進行創(chuàng)新研究，有利于激發(fā)行業(yè)的自主創(chuàng)新意識。只有不斷實現(xiàn)自主創(chuàng)新，掌握具有自主支持產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，才能使我國工程機械行業(yè)在與國外工程機械產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(yè)發(fā)展迅速，以山河智能為代表的部分企業(yè)和院校已達到世界領(lǐng)先水平，但我國混合動力工程機械行業(yè)距離產(chǎn)業(yè)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(shù)不夠成熟，許多核心的關(guān)鍵的技術(shù)還未掌握。如何達到產(chǎn)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(shù)問題。

其次，我國混合動力工程機械行業(yè)缺乏相應(yīng)的產(chǎn)品標準，急需相關(guān)標準來提高該產(chǎn)品的安全性（約束儲能元件的種類、電壓等級等）；需要標準規(guī)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(jié)油指標。

另外，由于國外對相關(guān)元件及技術(shù)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(nèi)目前基本上都沒有工程機械產(chǎn)品配套件的生產(chǎn)經(jīng)驗，考慮到工程機械配套件數(shù)量一般比較少，因此國內(nèi)配套件生產(chǎn)成本無法壓縮，嚴重制約了混合動力工程機械行業(yè)的發(fā)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(huán)境保護意識不夠，對節(jié)能產(chǎn)品的認識不夠，往往只重視設(shè)備的初始購置成本，忽視節(jié)能產(chǎn)品在后期使用中帶來的經(jīng)濟效益，這已成為了制約我國混合動力工程機械進一步產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。

4.3 政府對混合動力工程機械產(chǎn)業(yè)化的促進作用

1）市場引導(dǎo) 加大政府干預(yù)力度，通過合理的市場導(dǎo)向，提高節(jié)能型產(chǎn)品的市場接受度，鼓勵行業(yè)內(nèi)部通過不斷的資源整合和擴大，實現(xiàn)技術(shù)成果共享，實現(xiàn)企業(yè)強強聯(lián)合，加速能耗高、排放差的產(chǎn)品的升級換代化，引導(dǎo)企業(yè)走正確的轉(zhuǎn)型升級之路，真正實現(xiàn)混合動力工程機械產(chǎn)業(yè)化。

2）項目扶持 加大工程機械節(jié)能產(chǎn)品的項目扶持，加強協(xié)調(diào)與引導(dǎo)，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(yè)迅速成熟壯大。同時，積極引進相關(guān)專業(yè)人才，鼓勵和促進科研機構(gòu)和高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才，為今后的混合動力工程機械行業(yè)的發(fā)展進行人才儲備計劃。

3）廣泛宣傳 加大工程機械環(huán)保節(jié)能方面的宣傳，既能增強廠商研發(fā)混合動力工程機械的信心以增加研發(fā)投入，又能加強用戶的環(huán)境保護的意識，加深用戶對節(jié)能型產(chǎn)品的理解，擴大節(jié)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(chǎn)業(yè)化的進程。

4）補貼政策 對混合動力產(chǎn)品出臺相應(yīng)的扶持補貼政策，一方面能改善企業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)上的投入狀況，避免企業(yè)陷入資金鏈上的困境，另一方面能鼓勵消費者主動購買節(jié)能型產(chǎn)品，反過來又能刺激企業(yè)加大研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的自己投入，以獲得更好的經(jīng)濟效益和社會效益，這將是使企業(yè)、用戶、環(huán)境三贏的舉措。

5 結(jié) 語

工程機械行業(yè)通過新規(guī)范、新技術(shù)、新能源的應(yīng)用，在環(huán)保節(jié)能領(lǐng)域取得了顯著的成績，然而我們應(yīng)該清醒地認識到，節(jié)能減排所面臨的形勢依然十分嚴峻，節(jié)能減排技術(shù)所存在的提升空間依然很大。

環(huán)保與節(jié)能是全球可持續(xù)發(fā)展的共同任務(wù)，中國工程機械行業(yè)應(yīng)該進一步推動建立以政府為引導(dǎo)、企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用推廣體系，加快節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推廣，與全社會一道，共創(chuàng)美好未來。

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(編輯 賈澤輝）

設(shè)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