執(zhí)行非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動機(jī)制造商必須在發(fā)動機(jī)后處理裝置上安裝SCR和DPF。為了應(yīng)對這種情況，許多發(fā)動機(jī)制造商和輔助制造商開始開發(fā)和生產(chǎn)新能源設(shè)備。主要介紹純電動、油電混、氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動機(jī)等工程機(jī)械的新能源發(fā)展趨勢。

工程機(jī)械的傳統(tǒng)能源是柴油，柴油燃燒效率只有35%~40%，以柴油為主要動力浪費(fèi)能源，造成環(huán)境污染。面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，國家對非公路工程機(jī)械的排放要求也越來越嚴(yán)格。預(yù)計2021年7月1日實(shí)施非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)綜合了歐iiib排放的NOX(氮氧化物)值和歐v排放的PN(粒子物數(shù))值，引擎制造商必須在引擎后處理裝置上安裝SCR和DPF。

增加SCR和DPF后處理裝置的國四排放發(fā)動機(jī)，要比同功率的國三排放發(fā)動機(jī)價格高一倍以上，大大提高了發(fā)動機(jī)和OEM廠的制造成本、服務(wù)成本和用戶的使用成本。非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)之后還會面臨國五，升級周期也會日益縮短。為應(yīng)對此情況，許多發(fā)動機(jī)廠家和配套廠家開始研發(fā)生產(chǎn)新能源設(shè)備。本文主要介紹純電動、油電混合動力、氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動機(jī)等工程機(jī)械新能源發(fā)展趨勢。

1純電動

純電驅(qū)動工程機(jī)械用電動機(jī)取代柴油發(fā)動機(jī)，用電池給電動機(jī)供電。純電動工程機(jī)械幾乎為零排放，發(fā)展純電動設(shè)備產(chǎn)業(yè)，漸已成為世界各國解決能源短缺、降低環(huán)境污染的首選途徑。電池質(zhì)量較大，可通過調(diào)整安裝位置減少工程機(jī)械部分配重的質(zhì)量。電驅(qū)工程機(jī)械更適合隧道、地鐵等空氣流通性差的工況。在這種情況下，電驅(qū)動工程機(jī)械施工效率高，同時沒有尾氣排放和發(fā)動機(jī)噪聲污染，減少了對操作人員健康的損害。但電池安全性差、綜合使用成本高、電池能量密度低、續(xù)航里程短、輔助充電設(shè)施不足等因素嚴(yán)重制約了純電工機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對工程機(jī)械充電不便的情況，業(yè)內(nèi)有人提出了移動充電寶式供電車的解決方案，但仍無法解決充電時間長的問題。在2021年baumaCHINA展覽會上，VOLVOPENTA發(fā)動機(jī)制造商展示了純電動產(chǎn)品，如圖1所示。右側(cè)為直流電機(jī)，左側(cè)為變速器，用鋰電池為電機(jī)提供600V電壓，見圖1b。此款電驅(qū)系統(tǒng)成本較高，為同功率柴油機(jī)的3～5倍。VOLVOPENTA于2021年為工業(yè)和船舶應(yīng)用提供混合動力和純電動解決方案。VOLVOPENTA認(rèn)為，傳統(tǒng)動力發(fā)動機(jī)將逐漸轉(zhuǎn)向混合動力和純電力發(fā)動機(jī)，但由于新能源技術(shù)不成熟，未來幾年傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)仍將成為許多非道路行業(yè)應(yīng)用的動力解決方案。

2油電混合動力

目前混合動力技術(shù)在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，成熟的應(yīng)用給混合動力工程機(jī)械帶來了借鑒，混合動力兼顧了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)良的動力性和純電動車輛的低排放特性。混合動力發(fā)動機(jī)將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，根據(jù)工況需要，其中一部分電能流向蓄電池儲能備用，另一部分流經(jīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)矩。混合動力工程機(jī)械使用的發(fā)動機(jī)比內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械發(fā)動機(jī)功率小，由于電機(jī)輔助，發(fā)動機(jī)可以在低油耗和低排放區(qū)長時間工作。一般來說，混合動力工程機(jī)械比同功率的內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械燃料消耗量減少30%~50%。在2021年baumaCHINA展覽會上，道依茨發(fā)動機(jī)制造商展示了TCD2.9型混合動力產(chǎn)品。該產(chǎn)品的發(fā)動機(jī)功率為55kW，最大輸出功率為發(fā)動機(jī)功率的2倍，即110kW。

設(shè)備需求電力低于55kW時，多馀的發(fā)動機(jī)電力反向拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將電力存儲在電池中，設(shè)備需求電力高于55kW時，發(fā)動機(jī)消耗電池電力補(bǔ)充發(fā)動機(jī)電力的不足，其理論最大電力達(dá)到110kW。在某些情況下，發(fā)動機(jī)也可以關(guān)閉，只使用電驅(qū)動，從而達(dá)到節(jié)能和減排的效果。據(jù)了解，道依茨將于2021年底批量生產(chǎn)這種發(fā)動機(jī)。道依茨對于電驅(qū)動車輛、混合動力車輛和傳統(tǒng)柴油機(jī)車輛未來適用工作范圍分析見圖3。電驅(qū)動車輛消耗能量低，補(bǔ)充電能頻率較高，更適用于廠內(nèi)有電源區(qū)域工作；傳統(tǒng)柴油機(jī)車輛能耗最高，能量補(bǔ)充便捷，更適用于施工現(xiàn)場；而混合動力車輛處于二者之間。

3氫燃料電池

燃料電池又稱電化學(xué)發(fā)電器，其原理是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，跟鋰離子電池類似，但效率更高。目前燃料電池主要的燃料類型為氫，氫燃料儲存在儲液罐中，燃料電池類似內(nèi)燃機(jī)，是能量轉(zhuǎn)化的場所。氫燃料電池的發(fā)電熱效率可達(dá)65%～85%，質(zhì)量能量密度達(dá)500～700W?h/kg，體積能量密度達(dá)1000～1200W?h/L，發(fā)電效率高于固體氧化物燃料電池。燃料電池內(nèi)的電堆能量少，電堆出現(xiàn)問題時切斷氫氣即可，因此燃料電池的安全性比鋰電池高。與內(nèi)燃機(jī)相比，氫燃料電池能量轉(zhuǎn)換過程效率高，無噪音，排放物只有水。與純電動和混合動力相比，氫燃料電池能量密度高，適用于大功率工程機(jī)械。但是，現(xiàn)在氫燃料電池的制造成本很高，如果能降低重要材料的白金使用量的話，比鋰電池的成本低，所以有和鋰電池和燃料車競爭的基礎(chǔ)。除成本因素外，目前推廣氫燃料電池還存在氫燃料獲取、儲存和運(yùn)輸困難等幾個瓶頸問題，氫燃料添加網(wǎng)站稀少。

4LNG氣體發(fā)動機(jī)

LNG是液化天然氣(LiquefiedNaturalGas)的簡寫，天然氣經(jīng)過低溫凝聚處理。LNG氣體發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括氣體發(fā)動機(jī)、一組或單個LNG氣瓶、汽化裝置和管道。其工作原理與普通柴油機(jī)類似，不同之處在于液化天然氣能量密度高，持續(xù)距離長，LNG價格相對便宜，經(jīng)濟(jì)性好。與普通柴油發(fā)動機(jī)相比，LNG發(fā)動機(jī)的排放污染物明顯減少。有研究表明，LNG發(fā)動機(jī)可以使排放的CO2減少23%，SO2減少70%，CO減少50%。LNG發(fā)動機(jī)也有必要解決氣體發(fā)動機(jī)與同功率柴油機(jī)相比，大負(fù)荷時動力響應(yīng)速度慢，無法適應(yīng)負(fù)荷變化的問題。

LNG氣瓶溫度上升后，通過排氣閥排氣釋放內(nèi)部壓力，存在安全隱患，不能在密閉空間工作。LNG氣體注入時，需要特殊設(shè)備，在工地注入有很大的局限性。LNG燃?xì)獍l(fā)動機(jī)排氣溫度高，需要優(yōu)化增壓器、排氣管、排氣門座等發(fā)動機(jī)部件。LNG氣體對貯藏環(huán)境要求高，一般貯藏在-163℃的環(huán)境中，但目前國內(nèi)輔助設(shè)施不完善，不能長期貯藏LNG。

5未來發(fā)展趨勢

目前，我國新能源工程機(jī)械領(lǐng)域已逐步發(fā)展，取得一定進(jìn)展，新能源工程機(jī)械開發(fā)和技術(shù)理念已初步形成，部分新能源工程機(jī)械已實(shí)現(xiàn)小批量銷售，向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。由于中國新能源工程機(jī)械研究和推廣起步較晚，許多因素也限制了新能源機(jī)械的發(fā)展，如政府和企業(yè)不重視、投資不足等，國內(nèi)企業(yè)和國際大企業(yè)存在一定差距。同時，我國相對缺少鼓勵新能源工程機(jī)械發(fā)展的相關(guān)政策與方針，新能源工程機(jī)械行業(yè)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對此國家相關(guān)部門與行業(yè)協(xié)會，應(yīng)抓緊制定新能源工程機(jī)械的工藝、性能測試、質(zhì)量控制、關(guān)鍵技術(shù)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范整個行業(yè)，進(jìn)而推動行業(yè)健康發(fā)展。

博世公司開展的市場研究表明，未來非道路機(jī)械市場將增長強(qiáng)勁，預(yù)計2012～2030年期間，中國的非道路機(jī)械市場容量將翻一番。2021～2030年期間，電驅(qū)動、混合動力、LNG、燃料電池驅(qū)動機(jī)械保有量雖然會不斷攀升，但柴油動力仍將是占主導(dǎo)地位的驅(qū)動技術(shù)，如圖4所示。道依茨對未來非道路內(nèi)燃機(jī)車輛和電動車輛的發(fā)展趨勢預(yù)測如圖5所示。

從圖5可以看出，2030年，內(nèi)燃機(jī)車輛依然占據(jù)主導(dǎo)地位，接近博世公司的市場預(yù)測。到2038年，電動汽車的市場份額將超過內(nèi)燃機(jī)車的市場份額�；靹榆囕v兼顧傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)的優(yōu)良動力性和純電動車輛的良好排放特性，同時混動車輛不受充電設(shè)施限制，應(yīng)用方便，使用區(qū)域廣泛。個人認(rèn)為，在純電動車輛的儲能電池沒有取得根本性突破以前，混合動力更適合非道路工程機(jī)械應(yīng)用，是解決排放和能源等問題最具現(xiàn)實(shí)意義的途徑之一。