我國“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)下工程機(jī)械綠色發(fā)展的技術(shù)路徑探討

楊春永，高乃修，耿青，王增鋒

(卡特彼勒技術(shù)研發(fā)(中國)有限公司青島分公司，山東 青島 266061)

0 引言

我國當(dāng)前的工程機(jī)械設(shè)備保有量超過800萬臺，僅在2020年，主要產(chǎn)品銷售量就達(dá)到1475285臺套，銷售額突破7000億人民幣，稱得上是名副其實(shí)的工程機(jī)械生產(chǎn)制造大國，有力地支援了國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。但與此同時(shí)，由于工程機(jī)械設(shè)備大多以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源，能源消耗大，尾氣排放多，因此被稱為行走的環(huán)境污染大戶。在這樣的情況下，為實(shí)現(xiàn)我國在聯(lián)合國大會(huì)上2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的鄭重承諾深感責(zé)任重大，同時(shí)壓力陡增。

在深刻感受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的同時(shí)，工程機(jī)械廠家也已經(jīng)意識到碳中和目標(biāo)所蘊(yùn)藏的巨大機(jī)遇。一方面，“碳達(dá)峰、碳中和”作為國家政策，在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中，對碳中和目標(biāo)和三大支柱非常明確，工程機(jī)械廠家唯有堅(jiān)定不移地走綠色發(fā)展之路，全力打造綠色工程機(jī)械產(chǎn)品，從根本上解決產(chǎn)業(yè)環(huán)境污染的問題,這是可持續(xù)發(fā)展的必然選擇；另一方面，雖然困難重重，挑戰(zhàn)嚴(yán)峻，但正如蒸汽機(jī)的誕生帶來了影響人類歷史進(jìn)程的第一次工業(yè)革命一樣，“碳中和”必將會(huì)引發(fā)深層次的工業(yè)革命，為我國工程機(jī)械行業(yè)迎來更大的發(fā)展空間。

工程機(jī)械綠色化的整體技術(shù)策略概括為“三二一”，如圖1所示(本文沒有涉及金融政策等其他市場調(diào)節(jié)手段)。即在三大支柱的指引下，首先盡最大努力控制和減少碳排放，其次，對仍然殘余的碳化物采用技術(shù)固碳和生態(tài)固碳，轉(zhuǎn)化為對環(huán)境無害甚至有益的成分，最終實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

圖1 工程機(jī)械行業(yè)碳減排的支柱、路徑和目標(biāo)

下面，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝制造、使用維護(hù)等工程機(jī)械全生命周期的角度，圍繞實(shí)現(xiàn)我國碳中和目標(biāo)的兩條綠色發(fā)展技術(shù)路徑進(jìn)行分析探討。

1 工程機(jī)械碳減排路徑一：控制和減少碳排放

在工程機(jī)械行業(yè)，目前化石能源仍占主流，而且，在未來很長時(shí)間內(nèi)，化石能源將與新能源相伴而生，所以，在不可避免要產(chǎn)生碳排放的情況下，控制和減少碳排放成為當(dāng)務(wù)之急。

工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)在用的和發(fā)展中的節(jié)能減排技術(shù)，涵蓋綠色設(shè)計(jì)、綠色制造和綠色使用在內(nèi)的全生命周期，下面從提高效率和降低損耗兩方面分別加以介紹。

1.1 輕量化技術(shù)

工程機(jī)械輕量化技術(shù)，是指通過優(yōu)選材料、改善制造工藝、調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)等來減輕工程機(jī)械本身的整體重量，其目標(biāo)是在滿足給定的客戶需求(產(chǎn)品性能、可靠性和使用壽命等)的邊界條件下，實(shí)現(xiàn)機(jī)器結(jié)構(gòu)自身重量的最小化，以此來達(dá)到節(jié)約能源，減少污染物排放并降低成本的目的。

輕量化技術(shù)是跨學(xué)科的工程科學(xué)，它涉及到材料學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、制造技術(shù)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，是輕量化結(jié)構(gòu)、輕量化材料和輕量化工藝三種主要技術(shù)途徑的集成應(yīng)用[1]。

1.1.1 輕量化結(jié)構(gòu)

我國在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面發(fā)展迅速，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對工作裝置機(jī)構(gòu)分析動(dòng)力學(xué)仿真、車架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面先后進(jìn)行了深入的研究，取得了豐富的研究成果。在對仿生學(xué)的研究方面也取得了大量的成果，給輕量化設(shè)計(jì)指明了方向。研究發(fā)現(xiàn)，在植物和動(dòng)物的世界里，生態(tài)構(gòu)造永遠(yuǎn)是以最小能源消耗方式制造出來的，重量輕，壽命長，并保持一定的剛度，如蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及蜂巢構(gòu)造等已經(jīng)應(yīng)用在輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中，如圖2所示是幾個(gè)實(shí)例。

圖2 輕量化結(jié)構(gòu)實(shí)例

1.1.2 輕量化材料

輕量化材料，即采用輕量化的金屬和非金屬材料來降低目前以高密度鋼材為主的整機(jī)重量。輕量化的金屬材料主要包括高強(qiáng)度合金鋼、鋁合金、鎂合金等；輕量化非金屬則主要包括工程塑料以及玻璃鋼、碳纖維等復(fù)合材料。復(fù)合材料具有強(qiáng)度好、比模量高、抗疲勞斷裂的性能好、尺寸穩(wěn)固、耐磨，抗腐蝕性能好、噪音低、絕緣性能好的優(yōu)點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量只有相同強(qiáng)度普通纖維材料的1/4[2]。見圖3。

圖3 輕量化材料

1.1.3 輕量化工藝

工程機(jī)械的輕量化工藝可采用多種新型技術(shù)，比如：3D打印和冷噴涂技術(shù)；塑性成形技術(shù)；熱成形與連接技術(shù)等[3]。

1.1.4 輕量化實(shí)例

輕量化技術(shù)的特點(diǎn)是綜合效益好，且已被實(shí)踐證明是工程機(jī)械節(jié)能減排的有效方法之一，有研究顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。下面是采用輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的實(shí)例：

(1)中聯(lián)重科開發(fā)的80 m碳纖維臂架混凝土泵車，采用了碳纖維復(fù)合材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用小一級底盤等輕量化技術(shù)，比同級的鋼臂架混凝土泵車重量減輕40%，油耗降低15%，整車長度縮短30%，方便了運(yùn)輸和使用[3]。

(2)ZL60裝載機(jī)的變速箱殼體，采用輕量化設(shè)計(jì)后，重量降低了15%，而最大變形量卻降低了21%。

(3)玻璃鋼在壓路機(jī)、裝載機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)罩上應(yīng)用較為廣泛，這種材料不僅工藝性能好，而且設(shè)計(jì)靈活，成本低，重量輕。

1.1.5 輕量化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

我國在輕量化設(shè)計(jì)方面起步較晚，前些年雖然也引進(jìn)了美國卡特彼勒和日本小松等的產(chǎn)品和技術(shù)，但企業(yè)自主創(chuàng)新能力薄弱，大量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，長期采用類推的方法 ，缺少優(yōu)秀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ，導(dǎo)致企業(yè)的輕量化大多還處于初級階段，如表1所示，距離大數(shù)據(jù)支撐的專家智能設(shè)計(jì)模式相差甚遠(yuǎn)。

表1 輕量化設(shè)計(jì)存在的問題

未來提高輕量化設(shè)計(jì)水平，需要從以下三個(gè)重要的發(fā)展方向進(jìn)行努力。一是學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，最大限度地應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，如CAD/CAE/CAM等軟件，重視實(shí)驗(yàn)的投入和積累；二是加大仿生學(xué)的研究及成果的轉(zhuǎn)化；三是推動(dòng)人才發(fā)展，做好知識管理與傳承。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)

動(dòng)力系統(tǒng)是碳排放的主要源頭，因此，碳減排應(yīng)首先從動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能開始，提高能源利用效率。

1.2.1 內(nèi)燃機(jī)熱效率提升技術(shù)

我國是內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)銷大國，內(nèi)燃機(jī)的二氧化碳排放量達(dá)到全國總量的10%，氮氧化物排放量占30%，是目前節(jié)能減排最具潛力、效果最為明顯的行業(yè)之一。但內(nèi)燃機(jī)的熱效率不高也是一個(gè)不爭的事實(shí)，自1897年世界上第一臺柴油機(jī)成功面世，歷經(jīng)百年的改造升級，柴油機(jī)熱效率也只是提升到46%。隨著近幾年排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，熱效率的提升是世界公認(rèn)的行業(yè)技術(shù)難題。

但就在2020年9月16日，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展迎來了歷史性新突破！據(jù)濰柴集團(tuán)網(wǎng)站消息，中國裝備制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，濰柴集團(tuán)正式發(fā)布擁有五大專有技術(shù)、全球首款、本體熱效率達(dá)到50.26%的柴油機(jī)，且滿足國六/歐Ⅵ排放要求，并率先具備了量產(chǎn)和商業(yè)化條件。行業(yè)專家指出，從日前46%的行業(yè)平均熱效率提升至50.26%，柴油消耗將降低8%，二氧化碳排放減少8%。

1.2.2 純電驅(qū)動(dòng)技術(shù)

純電驅(qū)動(dòng)是使用電動(dòng)機(jī)這種單一能源輸出的機(jī)械力作為車輛驅(qū)動(dòng)力的技術(shù)。由于國家政策的大力支持，純電動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速，各廠家紛紛推出了純電動(dòng)的挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、壓路機(jī)、叉車等等，效率提高一倍以上，更可貴的是可實(shí)現(xiàn)零碳排放。目前純電動(dòng)工程機(jī)械的主要發(fā)展障礙是電池等成本較高以及續(xù)航能力有待提高。

1.2.3 燃料電池驅(qū)動(dòng)技術(shù)

燃料電池有多種，但目前在工程機(jī)械中實(shí)用的只有氫燃料電池。它以氫氣為燃料,與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。反應(yīng)后生成水,不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，且發(fā)電效益高，我國使用氫能源的公交車已經(jīng)行駛在多個(gè)城市的馬路上。

耕地是人類賴以生存的基本條件，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而且土地資源本身具備一定的環(huán)境修復(fù)功能，對地球表層的生態(tài)系統(tǒng)改造有很大影響。中國是農(nóng)業(yè)大國，但是耕地總面積較少，加上近年來城市化、工業(yè)化發(fā)展，導(dǎo)致一部分耕地資源逐漸變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，加大了糧食安全生產(chǎn)壓力。

1.2.4 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)

混合動(dòng)力是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合組成。工程機(jī)械中常用的有油電混合動(dòng)力和油液混合動(dòng)力技術(shù)，目前，以油電混合動(dòng)力為主的工程機(jī)械已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。以挖掘機(jī)為例，從主要生產(chǎn)廠家的公開資料中發(fā)現(xiàn)，混合動(dòng)力挖掘機(jī)節(jié)約燃料30%以上，同時(shí)提高工作效率25%以上[4]。

1.2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)變功率控制技術(shù)

隨著電噴發(fā)動(dòng)機(jī)在工程機(jī)械行業(yè)的普及應(yīng)用，對發(fā)動(dòng)機(jī)功率控制的精細(xì)化程度進(jìn)一步提高了，從最初的只能輸出一條功率曲線，到可以輸出三條或以上的可供用戶選擇的曲線，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出效率進(jìn)一步提升，如今，隨著控制系統(tǒng)的發(fā)展，多功率模式的選擇正從手動(dòng)式向自動(dòng)化發(fā)展。

1.2.6 光伏及風(fēng)能利用技術(shù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，光伏、風(fēng)能等清潔能源將是我國未來的主力能源，根據(jù)國際可再生能源署預(yù)測，到2050年，中國風(fēng)電、光伏合計(jì)占總發(fā)電裝機(jī)量比重將超過70%。剛獲得全球制冷技術(shù)大獎(jiǎng)賽金獎(jiǎng)，可降低85.7%碳排放的“零碳源”格力空調(diào)，即是以光伏為動(dòng)力源，利用光伏直驅(qū)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽能及市電資源的無縫切換，通過自主發(fā)電大幅降低市電用量，從而減少空調(diào)運(yùn)行過程中的碳排放，通過集成創(chuàng)新和智能設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)空調(diào)的能效極限。

工程機(jī)械大多在野外工作，暴露在風(fēng)吹日曬當(dāng)中，更有利于對光能和風(fēng)能的充分利用，可為車輛空調(diào)和其他電器件提供源源不斷的清潔能源。

1.3 傳動(dòng)及液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

效率的提升，也就意味著在工作量不變的條件下可以節(jié)約能源，減少碳排放。近年來，我國工程機(jī)械行業(yè)在傳動(dòng)和液壓系統(tǒng)的效率提升方面做了大量的工作。

傳動(dòng)效率提升方面，像變矩器的閉鎖控制、單向?qū)л?、雙泵輪技術(shù)；變速箱的自動(dòng)和半自動(dòng)控制、齒輪精度的提高和斜齒輪的應(yīng)用、紙基摩擦片、雙排量變速泵的應(yīng)用；濕式制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)橋及限滑差速器的應(yīng)用，以及優(yōu)化加油量、減小齒輪攪油損失和潤滑油的性能提升等。

液壓系統(tǒng)的能量損耗主要包括溢流損耗和節(jié)流損耗，其來源則包括液壓系統(tǒng)和液壓元件本身。液壓元件的效率提升包括，用柱塞泵替代齒輪泵，用變量泵替代定量泵等；以及大大提高了液壓缸和液壓閥的效率等。對節(jié)能型液壓系統(tǒng)的研究也取得了一系列的成果，如靜液壓技術(shù)、優(yōu)化的正、負(fù)流量系統(tǒng)、新型復(fù)合流量系統(tǒng)、負(fù)載敏感系統(tǒng)、多泵控制系統(tǒng)、泵控及二次調(diào)節(jié)技術(shù)、負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)、液壓矩陣控制技術(shù)、基于高速開關(guān)閥的液壓控制技術(shù)等，完美地將恒功率和恒扭矩控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。

1.4 制動(dòng)及其他系統(tǒng)能量回收技術(shù)

與汽車的制動(dòng)類似，以裝載機(jī)為代表的工程機(jī)械在行走制動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的制動(dòng)動(dòng)能，而且制動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于公路車輛工況，傳統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)能一般消耗在機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，不僅浪費(fèi)了大量的制動(dòng)動(dòng)能，還會(huì)降低制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。因此，在車輛制動(dòng)時(shí)回收車輛的動(dòng)能，并儲存在電容器中，在需要時(shí)可以將能量迅速釋放。

裝載機(jī)的動(dòng)臂、挖掘機(jī)的大臂和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，由于運(yùn)動(dòng)比較頻繁，慣性比較大，在動(dòng)臂下放或機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)釋放大量的能量，對傳動(dòng)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響。而用能量回收的方法把這些能量回收起來以備再用，不但節(jié)約能源，還可以減少系統(tǒng)的發(fā)熱和磨損，提高設(shè)備的使用壽命[5]。

1.5 潤滑油提效技術(shù)

提高傳動(dòng)效率、減少磨損損失也是廣大工程機(jī)械業(yè)主對新型潤滑油的迫切要求，各主要潤滑油生產(chǎn)廠家在研制降低磨損、延長使用壽命的潤滑油等方面做了大量的工作，國產(chǎn)潤滑油的各項(xiàng)性能大幅提高，也大大提高了工程機(jī)械的傳動(dòng)效率。

同時(shí)，隨著密封技術(shù)的提高，有效降低了平時(shí)的跑冒滴漏；隨著可降解潤滑油的使用、強(qiáng)化廢油回收和再制造等措施，顯著地降低了環(huán)境污染；隨著長壽命或全壽命潤滑油的使用，大大延長了換油周期，減少了換油次數(shù)。比如，國內(nèi)卡車的換油周期從1萬公里變成到10萬公里，意味著每行駛10萬公里就減少了9次換油，減少的換油成本和停機(jī)損失等可以顯著提升經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，減少了廢油的產(chǎn)生和新油的消耗，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果；長效液壓油壽命已可達(dá)到10000 h，相比以前的1000 h強(qiáng)制換油，一個(gè)長的換油周期節(jié)省了90%以上的成本。

1.6 新操控技術(shù)

毫無疑問，現(xiàn)代工程機(jī)械正處在一個(gè)機(jī)、電、液、信一體化的發(fā)展時(shí)代，機(jī)械、液壓和電子控制以及信息技術(shù)等的有機(jī)結(jié)合，極大地提高了工程機(jī)械的各種性能，目前正朝著簡單化、智能化、遠(yuǎn)程化、無人化、機(jī)群化的方向快速發(fā)展。

操控的簡單化，大大減輕了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。圖4所示的一款裝載機(jī)變速操縱桿的發(fā)展史代表了操縱簡單化的發(fā)展趨勢。這是一款典型的使用定軸式變速箱的五噸裝載機(jī)，變速操縱桿最初有三根，分別是方向、擋位和高低速操縱桿；后來發(fā)明了單桿操縱閥，即將換向和換擋合并成為一根；再后來，成功開發(fā)半自動(dòng)變速箱，又取消了高低速操縱桿；現(xiàn)在，已經(jīng)和工作裝置操縱集成在一起，單按鈕即可操縱換擋；最近，觸屏式操縱已經(jīng)走出了試驗(yàn)室，即將大批量使用；而未來的操作模式應(yīng)該是感應(yīng)式的，所有的操縱將自動(dòng)完成。

圖4 一款定軸式變速箱換擋操縱桿的發(fā)展變化

除了簡單化，當(dāng)屬操控智能化了，如平地機(jī)的自動(dòng)找平，攤鋪機(jī)的自動(dòng)供料，挖掘機(jī)的電子功率優(yōu)化，裝載機(jī)自動(dòng)換擋、機(jī)器的狀態(tài)監(jiān)控與故障自診斷等。隨著5G、云計(jì)算和IIOT技術(shù)的日趨成熟和商業(yè)化，解決了困擾人們已久的大數(shù)據(jù)時(shí)延及存儲難題，遠(yuǎn)程操控也已成為一大熱點(diǎn)，多個(gè)廠家推出的兩千公里以外的精準(zhǔn)操控機(jī)型引起了客戶的極大興趣。

無人駕駛是智能化的重要標(biāo)志，國際巨頭們也正圍繞無人駕駛展開激烈交鋒，力爭率先推出自己的無人駕駛產(chǎn)品，以搶占市場的制高點(diǎn)和發(fā)言權(quán)。

智能化和無人化也大大推動(dòng)了集群化的發(fā)展，從最初的僅有2臺機(jī)器的配合，比如挖掘機(jī)和礦車的無人化完美協(xié)作，到現(xiàn)在有幾十臺機(jī)器組成的無人化施工方陣，場面蔚為壯觀。

1.7 新制造技術(shù)

當(dāng)前，采用綠色制造工藝，有效地利用能源和資源，使廢物產(chǎn)生最少化并實(shí)現(xiàn)綜合利用已成為行業(yè)發(fā)展趨勢，大量制造新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并有數(shù)十家“燈塔工廠”已投入生產(chǎn)。

1.7.1 新機(jī)器的綠色制造技術(shù)

綠色制造技術(shù)包括傳統(tǒng)工藝的綠色化和新綠色工藝的使用。在傳統(tǒng)工藝中，許多都可增加綠色屬性，只是綠色程度可能有差異。比如:(1)機(jī)加工中干式切削、干式磨削都屬綠色加工工藝，另外高速、超高速磨削、鉆削也具有綠色屬性，其共同點(diǎn)是節(jié)約了工時(shí)，提高了效率，減少了噪聲。(2)某些工藝的調(diào)整改進(jìn)也增加了綠色屬性，如無氰電鍍、非氰化淬火等。(3)新的鍛造、壓鑄、粉末冶金、激光拼焊等工藝減輕了零件重量、節(jié)約了材料。

在新的制造工藝和制造模式中，數(shù)字化、虛擬化和快速成型等備受青睞。對于大多數(shù)企業(yè)而言，數(shù)字化是促進(jìn)碳中和的最佳工具，它打造了能耗衡量和分析的基礎(chǔ)，并通過整合管理降低能耗。研究顯示，只要是能夠加速實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工業(yè)企業(yè)都得到了效率的提升、成本的縮減和收益的增加。通過測算增加10%勞動(dòng)生產(chǎn)率可以相當(dāng)于減少3%的能源需求。

虛擬制造技術(shù)填補(bǔ)了CAD/CAM技術(shù)與生產(chǎn)全過程、企業(yè)管理之間的技術(shù)缺口，把產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、制造過程、庫存管理、成本核算、零部件采購等企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)在產(chǎn)品投入之前就在計(jì)算機(jī)上加以顯示和評價(jià)，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)地靈活組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。

快速成型技術(shù)(RPM)是集CAD/CAM、激光加工、數(shù)控和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)。該技術(shù)不像傳統(tǒng)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時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本[6]。

1.7.2 再制造技術(shù)

再制造為舊機(jī)器注入新的活力，它雖然以舊機(jī)器設(shè)備為毛坯，但卻采用專門的工藝和技術(shù)，在原有制造的基礎(chǔ)上拆解到最小的部分，并進(jìn)行新的創(chuàng)造，確保重新制造出來的產(chǎn)品在性能和質(zhì)量方面均不遜色于原來的新品。再制造有科學(xué)的生產(chǎn)流程，也是先進(jìn)表面技術(shù)、微納米涂層及微納米減摩自修復(fù)材料和技術(shù)、修復(fù)熱處理技術(shù)、再制造毛坯快速成形技術(shù)及過時(shí)產(chǎn)品的性能升級技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成，和二手翻新有根本的不同工程機(jī)械中適合再制造的零部件主要有發(fā)動(dòng)機(jī)及燃油系統(tǒng)、傳動(dòng)及液壓零部件、潤滑油等，其中，潤滑油再生油項(xiàng)目潛力巨大，因?yàn)?0%以上的潤滑油廢液可以再生利用，經(jīng)提煉后高達(dá)75%的油液可轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)油，剩余含有油泥、積炭的殘?jiān)蓾M足鋪路瀝青等的需求，此外還有少部分燃油產(chǎn)品和循環(huán)水，廢液經(jīng)過整個(gè)流程處理后不再產(chǎn)生遺留物質(zhì)，“變廢為寶”全部轉(zhuǎn)化為可利用資源。

在國外，美國和日本等再制造較為成熟，卡特彼勒從1973年開始再制造業(yè)務(wù)，2005年在上海建立了再制造中心，2012年再次擴(kuò)產(chǎn)。以氣缸蓋為例，再制造可以減少61%的溫室氣體排放，減少86%的用水量，減少85%的能源消耗，同時(shí)提高82%的生產(chǎn)安全性[7]。

在國內(nèi)，部分廠家開展了再制造業(yè)務(wù)，但總體來講，成套技術(shù)尚不成熟，還處于技術(shù)啟動(dòng)階段。

1.8 智慧服務(wù)技術(shù)

智慧化服務(wù)的核心是利用大數(shù)據(jù)、5G和北斗等技術(shù)，能夠提前準(zhǔn)確地識別出客戶不同階段的真正需求，為客戶提供成套化的解決方案，讓客戶的運(yùn)營更高效、更加可持續(xù)。其最終目標(biāo)是設(shè)備狀態(tài)可控，服務(wù)按需提供，故障診斷遠(yuǎn)程，維護(hù)替代維修。

智慧化服務(wù)之所以重要，除了從商業(yè)角度可以賺取更多的配件利潤以外，從節(jié)能減排的角度看意義更大。首先，工程機(jī)械在使用中的浪費(fèi)依然觸目驚心！以輪式工程機(jī)械主要消耗品的輪胎為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，輪胎在總使用成本中占比達(dá)到20%以上，而只有25.9%的輪胎為正常報(bào)廢，74.1%為使用或修理不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻姆钦?bào)廢。造成這種情況的根本原因，除了輪胎本身的質(zhì)量問題以及用戶的使用和管理問題外，最重要的是在使用過程中，沒有持續(xù)地對胎壓、溫度等直接影響輪胎使用壽命的因素進(jìn)行監(jiān)測。其次，智慧化服務(wù)將單純的產(chǎn)品競爭，擴(kuò)展到全生命周期的服務(wù)競爭，利于用優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、服務(wù)和體驗(yàn)留住終端客戶[8]。

智慧化服務(wù)中另一個(gè)潛力巨大的項(xiàng)目是各類潤滑油和濾油器的管理。作為另一個(gè)主要消耗品，目前仍然沿用傳統(tǒng)的按時(shí)間或按里程的更換方式，部分機(jī)器雖加裝了彈出式指示器，但從實(shí)際調(diào)研的情況看效果并不理想。換句話說，在目前的換油模式下，要么換油早了，造成浪費(fèi)；要么換油晚了，造成損失。還有就是，很多客戶的換油方式并不正確，換油時(shí)沒有徹底清洗系統(tǒng)，造成新油和舊油的混用[9]。

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，5G和大數(shù)據(jù)等技術(shù)有望幫助徹底打通客戶和服務(wù)提供商之間的隔閡，利用傳感器技術(shù)采集并實(shí)時(shí)傳遞客戶機(jī)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)到服務(wù)提供商，為客戶提供遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)指導(dǎo)。

2 工程機(jī)械碳減排路徑二：促進(jìn)和增加碳吸收

通過使用新能源和新技術(shù)控制和減少碳排放，直至達(dá)到近零排放當(dāng)然是工程機(jī)械行業(yè)的最大愿望。然而，未來幾十年的實(shí)際情況是，雖然非化石能源的消費(fèi)比重逐漸增加，但我國能源消費(fèi)依然以煤炭等化石能源為主，其作為我國兜底保障能源的地位和作用短期內(nèi)較難改變。也就是說，使用化石能源的工程機(jī)械還將長期存在，而這些工程機(jī)械在經(jīng)過常規(guī)的技術(shù)碳減排措施后，仍然會(huì)不可避免地排放一定量的碳化物到自然界中。要使這部分工程機(jī)械真正實(shí)現(xiàn)零碳排放，就需要采用碳減排的第二條路徑，即促進(jìn)和增加碳吸收。針對存量化石能源，增加碳吸收的意義是不言而喻的，換句話說，碳吸收不僅能吸收新產(chǎn)生的碳，它還能消除一些已經(jīng)存在于大氣里的碳。

所謂碳吸收，即通過技術(shù)手段將游離的二氧化碳等溫室氣體固化，并儲存起來，設(shè)法減少大氣中的碳存量，目前其技術(shù)措施包括技術(shù)固碳和生態(tài)固碳。

技術(shù)固碳，主要是指碳捕集、利用與封存技術(shù)(簡稱CCUS或CCS)。它是將二氧化碳從排放源中分離后收集起來加以利用或者儲存起來以實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的技術(shù)過程，是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳化利用的減排技術(shù)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“30·60目標(biāo)”的重要技術(shù)手段之一，是實(shí)現(xiàn)化石能源凈零排放的唯一技術(shù)選擇。目前，常用的技術(shù)固碳方法包括化學(xué)吸收法、物理吸附法、膜分離法等。同時(shí)，所捕集到的二氧化碳，可應(yīng)用于食品加工、化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)等工業(yè)化利用領(lǐng)域。就此而言，碳捕集、利用與封存技術(shù)的發(fā)展，不僅能為煤電、煤化工、水泥、鋼鐵等高排放行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型留下緩沖空間，也對搭建“人工碳循環(huán)”模式具有重要意義。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)評估報(bào)告指出，如果沒有碳捕集、利用與封存技術(shù)，碳減排成本將會(huì)成倍增加。

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，為綠色低碳技術(shù)提供了歷史性機(jī)遇，也使得碳捕集、利用與封存技術(shù)受到更多關(guān)注，迎來更大的發(fā)展空間。當(dāng)前，中國CCUS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)得到政府與企業(yè)的重視，技術(shù)水平也在快速發(fā)展，但普遍商用仍面臨著高成本、高能耗等挑戰(zhàn)。我們會(huì)積極探索大規(guī)模、低成本的碳捕集、利用與封存技術(shù)路徑，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)更大力量，為我國工程機(jī)械行業(yè)的低碳綠色轉(zhuǎn)型、高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)能。

生態(tài)固碳，則是利用植物的光合作用，即地球森林吸入二氧化碳，呼出氧氣。人類可以通過植樹造林最大化大自然的捕碳能力，提高生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲存能力，從而減少二氧化碳在大氣中的濃度，減緩全球變暖趨勢，這是一種回歸本源的固碳方法。氣候?qū)W家豪斯法瑟表示：“未來幾十年的大氣平均溫度增幅肯定會(huì)超過1.5 ℃，挽救的唯一方法是積極地吸收大氣二氧化碳，幾乎沒有其他方法可以做到這一點(diǎn)?！?/p>

綠色植物通過光合作用固定的二氧化碳被稱為“綠碳”，而海洋和沿海生態(tài)系統(tǒng)——藻類、海草以及紅樹林等的碳封存稱為“藍(lán)碳”。推進(jìn)綠碳和藍(lán)碳工作不僅助力碳負(fù)計(jì)劃，還可以帶來一系列好的連鎖效應(yīng)，比如更高的生物多樣性、更繁榮的旅游業(yè)和更豐富的植被，植被能防止侵蝕，也會(huì)從風(fēng)暴潮中吸收水分，利于緩解某些地方的海平面上升問題，最近很多環(huán)保人士將更多注意力轉(zhuǎn)向了藍(lán)碳。

這種回歸自然的固碳方式具備可持續(xù)性，同時(shí)可惠及當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)，從實(shí)際操作層面看效果更好。當(dāng)然需要指出的是，有助于解決氣候危機(jī)的天然碳匯當(dāng)前正受到氣候危機(jī)的威脅，最直接的一個(gè)威脅就是森林野火。

3 總結(jié)

綜上所述，本文從全生命周期的角度分析了工程機(jī)械行業(yè)的凈零碳排放、碳捕獲技術(shù)以及生態(tài)固碳的實(shí)施手段及減排效果，討論了這些技術(shù)和手段對于實(shí)現(xiàn)我國雙碳目標(biāo)的重大意義。

最后需要說明的是，要正確理解與環(huán)保部在2020年末發(fā)布的“非道路國四”排放法規(guī)的異同。兩者既有相同點(diǎn)，又有不同點(diǎn)?！胺堑缆穱摹敝饕窍拗朴卸練怏w及顆粒物排放，而有些限制尾氣排放而采用的技術(shù)手段恰恰是生成二氧化碳等溫室氣體，如DOC(柴油機(jī)氧化催化器)技術(shù)，就是利用柴油機(jī)尾氣通過催化劑時(shí)，尾氣中碳?xì)浠衔?、一氧化碳等與氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成無污染的水和二氧化碳。所以目前來看，最好的辦法是將限制碳排放的技術(shù)和環(huán)保法規(guī)中限制尾氣排放的技術(shù)相結(jié)合，從而達(dá)到綜合治理的雙重效果。