探讨工程机械节能技术发展与混合动力技术产业化趋势[筑路施工机械化]

1、F E A T U R E S i 翟露 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 众所周知 工程机械是能耗高 排放差的典型机械 日本某 挖掘机厂商开展相关测试表明 以该品牌的2 0 t 级挖掘机为例 在 正常工作相同时间内 1 台挖掘机的废气排放量相当于3 0 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 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 工程机械节能技术发展与混合动力技术产业化趋势 混合动力液压挖掘机势能回收系统研究 F E A T U R E S

2、I 盈露 工程机械节能技术发展 与混合动力技术产业化趋势 De v e l o p me n t o f E n e r g y s a v i n g T e c h n o l o g y f o r Co n s t r u c t i o n M a c h i n e r y a n d I nd us t r i a l i z a t i o n o f Hy b r i d Po we r T e c h no l o g y 何 清华 张大庆 龚俊 刘 昌盛 山河智能装备股份有限公司 湖南 长沙 4 1 0 1 0 0 0引言 近年 来 能 源短 缺和 环 境污 染成为世界各国关注的焦点问题 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 已经成为追 在屑睫的任务 然而 中国在节能减排方面 的 要求和规定还不健全 尤其是对存 节能减排任务中扮演重要角色的企 业只有定性要求 没有标准要求 而在规范产品节能减排方面 只是 针对产r 污染物的排放设立了具体 的罔 标准 规定了定量的污染物 排放要求 在同样重

3、要的产 品二氧 化碳排放和产品节能方而 均没有 提出具体的标准要求 图1 众所周知 工程机械属于典型 基金项目 闰家科技支撑计划项 目 2 0 1 4 B A A 0 4 B 0 1 41 F E A T U R E S I 翻厦 1工程机械环保节能技术的发 展现状 针对 程机械能耗高 排放考 的问题 l胥大丁程机械厂商以及科 研院饺进行了大量的研究 传统的 丁程机械节能研究 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 如 图3 所示 虽然经 过多年研究 相关技术已经相当成 熟 却难以取得明显的节能减排效 果 目前 1 程机械J 一 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 能效 果 实现了环保 日标 1 1基于元件的环保节能研发 1 1 1 发动机 电子控制技术 目前 越 来越 多 的 T程机 械 采用了全 电子控 制 图4 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 况采用不问的特性 最

4、大限度地提 高柴油机的动力性能 燃料利用率 和排放质量 1 1 2新型 电子插装结构 多路 阀 E A T O N公司开发的双阀芯 电液 控制系统 图S 可以实现电子压力 控制 电子滑阀位移流量控制 容腔 控制 以及C A N总线先导阀控制 采 用双平行阀设计与开放式整体结构 减少单阀芯耦合带来的节流损失 工 作流量可达2 0 0 L mi n 最大压力 可达3 5 0 b a r 双阀芯先导阀响应在4 o H z 主阀响应可达2 5 Hz 测试试验 的结果表叫 采用阀芯系统可以减阻 2 5 降低2 O 系统功率消耗 1 1 3 液压一 机械 无级 变速 器 液压一 机械无级变速器 H MT 如图6 所示 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 4 2 l 台2 0 t 级挖掘机工作时 的废气排放量相当于约3 0 辆家用汽车的排放量 P I 图2挖 掘机 的废气 排放量测试 一 一 一 一 一 一一 一 6曩 d d 白一 磊霉磊磊 嚏 旧 6嘲 6 h 能最回收技术 混合动力 采一 发动机功率 匹配控制

5、负荷传感控制 负流量控制 流量控制 变量泉控制 1 9 6 0 在 1 9 7 0 1 9 8 0 l 9 9 0 q 2 0 0 0 q 图3 工程机械节 能技术的发展历 程 图4 电喷发动机电子的控 制系统 图5 EA T ON双阀芯电液控制系统 国H H 1 一 I l 卜 c l r L n I n n n 一 乙 f 上 上 l L 呦 图6 液压一 机械无级变速器 现高效率 通过液压传动与机械传动捌结合实现无级变速 与传统的机械式有 级变速器桐比 液压一 机械无级变速器能 自动适 负荷和行驶阻力的变化 实 现无级变速 保证发动机一 1 作存最佳 T作点 有利于提高车辆动力性 燃油经 济性和 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 冈此在 T程机械 大功率拖拉机 汽车 坦克以及 电力机械等许多领域有符良好的应用前景 1 2 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T 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 和汽车存运行 T 况和环境方面有显著差别 汽车动力

6、系统的负载T况 变化较平缓 且无 姒的周期性 而挖拥机的负载变化剧烈 周期性强 因 此 汽车领域的新能源动力午 j 关共性技术不能直接移植到T程机械领域 必须 针对 程机械的特点 发展适用于工程机械的新能源动力系统 1 2 1新能源技 术在工程机械领域 中的应用 I l I 河智能装备股份有限公司是最早将新能源技术应用存工程机械领域 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 j 干 1 比于 汽油 皮动机 液化 油气发动机能大大减少废气排放 其中c0 排放减少8 HC 减少7 5 NO 也明她下降 山河智能还推 H 了蓄电池式电动挖捌机 移动 性能好 可实现真正意义一 卜 的零排放 适合在封闭 半封闭区域作业 F E A T U R E S 疆疆 林德公 司推 以氢 燃料 电池 为动力的燃料电池叉车 副产品是 纯净水 不仅可以把排放量减少到 零 而 且为 电池充 电花 费 时间不 多 只需几分钟的时间填补压缩氢 气体 即可储存很大的能量 氰燃料 电池在很大程度上提高了效率 也 消除了原来使用铅酸电池对环境造 成污染的可能性 T e r e x g b 捅式 电源

7、驱动 挖捌 机 图7 采用外插式电源供电 适用 于小范 围连续施工 零排放 环境 友好 1 2 2 工程机械 中的混合动 力技 术 混合动力技术被认为是 前 r 程机械 中最具应用前景的新能源技 术 混合动力工程机械产品类 涉 及挖掘机 装载机 起重机 推十 机 叉车和牵引车等多种 1 机械 产品 液压挖掘机混合动力系统的研 究尤为引入注目 2 0 0 4 年5 月 小松 研制H J 世界一 卜 第一台混合动力液 挖掘机 的试验机 8 该样机采 用并联方案 柴油机输 H 的能精主 要用于驱动负载 多余或不足的能 量南发 电机或 电动机转化补充 十 关报道称 该机型与普通型液压挖 掘机相 比 可 降低约2 5 的能源消 耗 其中运用混合动力技术降低约 1 5 6 其他系统改善 占约1 0 效 果非常明显 由1 I J 河智能开发的S WE 2 3 0 S H y b r id 图9 油 电混合动力液压挖抛机存 典型的定点挖掘并 同转9 0 装车的 丁况中 同转制动同收的能量高达 回转所需 的4 0 整机节能效果 2 0 以上 可以有效地提高 丁作效 率 此后 I I 河智能又推 丫多款

8、基于油液混合动力的节能型挖掘机 此外 卡特彼 勒于2 0 1 3 年慕尼 黑展会中展 f 了3 3 6 E H Hy b r i d油液 混合动力挖掘机 图1 0 油耗比标 准机型降4 k t 1 0 而存性能 动力 力量 速度干 l 1 生产方面与标准机 无异 可以帮助客户实现火 节省 43 F E A F U R E S 盈匿 燃油的H的 混合动力技术也存 他 程机械上取得了较为广泛的应用 沃尔沃存2 0 0 9 年巴黎I N T E R MA T 展会 展H 丫油电混合动力装载机 川崎重一 l 存2 0 1 1 年拉斯 维加斯腱会上展示了油 U 混合动力装载机 S T I L L 和徐T也分别研发了油电混 合动力义车 图1 1 以及油液混合动力装载机 总的来讲 混合动力作为液压挖掘机节能技术发展的新阶段 不管是技 术创新性还是节能潜力 郜引起丫研究学者 T程人员的广泛关注与重视 成 为 T 机械节能技术开发的风向标 2 混合动力技术产业化发展趋势分析 2 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嘲外挖捌机的筹距其彳 丁 承耍意义 大 J 的 程机械从荚键元件

9、到系统 火部分部从 外引进 核心技术大部分掌撼任州外 的一 眦套企业于中 主要原 是闰外对十 1 l 火元件及技术的研究彳 丁 了儿 卜 年 甚 h 年的秘累 而 大 J I i 大部分都是从2 0 l 9 o 乍代甚 蜓晚才开始符 手这 的一 1 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 对挖捌机的节能减排起荇十分重要n 勺 作川 同内对于这项技术的研究 并 比 外晚很多 并J I 从I 前来看 技术 的斧距也比较小 f U 以说是 同 一 起跑线 此 这刈 j 内的T程机械牛产J 商来说是一次难得的与旧外 同行川俞竞技的机会 埘于缩小与囡外丁 L 械产r 1 的差距 r 1 身产 党 争力 分垣婪的意义 2 发展混合动力对激发行业的自主创新意识具有需要崽 义 合动力 技术作为一个新型的能源模式 具有对制造及 l 水平的依赖l十 1 i 埘较小 中 土机J 家 的创新余地火 创新成本相对较低且见效快等特点 这将彳 r 利下 旧内主机 家投入资源进行创新研究 有利 激发行业的向主创新意识 只彳 不断实j I 主创新 掌擗具有 门主知识产权的核心技术 才能使中 程

10、 机械行业 与 外一 程机枉 茈 的激烈竞争f 丁不败之地 2 2 中国混合动力工程机械产业化进程中亟待解决的问题 近年米 J I I F 机械混合动力技术发艇迅速 以L I j 河钳能为代表的部 分企业干 1 院卡 变 的研究技术 达到世界先进水 柑的研究技术拱争达到国际领 先水 仇 滟合动力技术的产业化方而 仍枰存 少难题 1 f1 1 混合动力一 l 机械 日前基本 I 椰处于试验样机阶段 混合动力 技术不够成热 许多核心的关键技术还未掌撼 如何达到产品的性能要求 特 成 技 行 关 约 收 愉 节 技 积 固 得 有 较 法 动 厂 环 的 一 湾 广 的 械 相 I 同 的 圾 的 从 货 没 啦 比 无 合 吩 的 韵 圮 腻 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 用 一 力 准 的 效 反 前 的 生 制 提 僦 加 对 最 微 艘 以 一 动 标 三 川 订 埘 甚 什 高 日 件 川 件 I 三 帆 蛴 卧 二三 三 产 使 之 牦 年 套 格 内 套 姗 会 严 程 帻 往 忽 瑚 羁 赇 脯 溅 靳 删

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