摘要: 對于工程機械來說,傳統燃料為柴油,即對環境造成污染,同時也嚴重浪費能源,為了改善這一狀況,現在許多工程機械廠家投身開發新能源車輛,這對于降低環境污染,節省能源具有十分重要的意義。
新能源工程機械現狀
由于能源緊缺和環境污染的雙重壓力,節能降耗引起社會高度關注。目前,很多國內工程機械企業近年來開發出不少新能源工程機械,并且取得一定的成果。例如:燃氣(LNG)動力液壓挖掘機和燃氣動力裝載機應用LNG液化天然氣作為動力、電動叉車和電動挖掘機直接應用電能、雙動力挖掘機應用柴油及電能兩種能源、混合動力挖掘機節能降耗等工程機械已經問世。綜上分析,開發新能源工程機械一定是時代趨勢。
新能源工程機械的多樣性
由于工程機械種類眾多,而且各種類的工況及運行環境不一,所以新能源工程機械具有多樣性的特點。
LNG工程機械
天然氣作為燃料,有CNG與LNG的區別, CNG就是壓縮天然氣(Compressed Natural Gas),簡稱CNG。是天然氣加壓(超過3,600磅/平方英寸)并以氣態儲存在容器中。它與管道天然氣的成分相同。液化天然氣即為液態的天然氣 (Liquefied Natural Gas),簡稱LNG。是天然氣經過低溫冷凝等一系列處理,使天然氣在超低溫(-162°C)常壓狀態下液化,成為液化天然氣。由于CNG與LNG密度比為1:3,所以LNG發動機的續航能力更長,在工程機械上更具有發展的潛力。其基本動力構成(見圖1,略,詳見《建設機械技術與管理》雜志第三期)是燃氣發動機、一組或單個LNG氣瓶、一套汽化裝置及管路組成;應用一個特殊汽化裝置把液化天然氣汽化為氣態天然氣,通過一系列燃氣壓力調整后天然氣進入燃氣發動機(燃氣發動機低壓濾清器),在發動機裝置中進一步調整,調整后在發動機內燃燒,對外輸出的轉速、功率、扭矩等傳遞到耗功裝置,實現動力輸出。經過測試,能源消耗費用節省30%~40%。
目前,中國品牌主機企業在LNG產品開發中取得一定成果,如:在裝載機方面;徐工LNG裝載機(見圖2)在世界上率先應用和率先實現批量銷售(徐工2011年BICES展會上推出全球第一臺LNG裝載機),同時,雷沃重工、臨工、廈工等也相繼推出了LNG裝載機系列。在挖掘機方面;山重建機LNG挖掘機在世界上也率先應用,并取得一定成績(山重建機2012年在上海bauma展上展出LNG挖掘機)。另外,LNG在混凝土機械上也取得很好的應用,中聯重科、三一重工和中集凌宇還推出了多款技術成熟的混凝土攪拌車等。
然而,LNG發動機也存在一些問題需要解決:
(1)燃氣發動機與同級別柴油機相比,動力性能還有差別。例如,在重負載工作時,動力調節滯后,不能很好的適應負載變化;
(2)不能在密閉的空間里作業。LNG氣瓶在內部壓力高時,會通過放氣閥門釋放瓶內壓力,以保證瓶內壓力在安全壓力內;
(3)LNG氣體加注時,需要特殊設備,目前LNG工程機械車輛在工地上加注具有很大的局限性,這在一定的程度上限制LNG的推廣使用。
但是相對普通柴油機,LNG發動機排放污染物明顯減少,研究表明,CO2減少23%、SO2減少70% 、CO減少50%,為發動機尾氣或作為燃料使用時排放滿足更加嚴格的標準創造了條件,這對改善發動機尾氣對大氣的污染具有十分重要的意義。
電驅動工程機械
電驅動工程機械是以大功率電動馬達取代發動機驅動,在大型工程機械產品使用較多,如國外品牌日立的EX3600、EX5500、EX8000-6液壓挖掘機采用的都是電驅動方式。如山重建機也開發了一款JCM921D(電動)挖掘機,并實現銷售。
以JCM921D(電動)挖掘機為例,它的動力源為電網電能的電動工程機械,取消原有的柴油機,以電動機代替柴油機對外輸出功率。電機動力均來自380V電網,控制器與變頻器進行數據通信,根據負載變化對電機進行變頻調速,并控制電磁比例閥調整斜盤變量泵的吸收功率,達到最優功率匹配;回轉不再使用液壓回轉馬達,而是直接應用回轉電機,通過控制器與回轉電機變頻器進行數據通信,對回轉電機進行變頻調速。解決了采用傳統柴油機帶來的能量消耗大的問題,達到更加節能、低噪、環保的目的。
此種工程機械完全采用電網電源,零排放、噪聲小、節能是其突出優勢,該挖掘機的使用成本比燃油挖掘機少30%。但由于挖掘機功率大,充電太浪費時間,該挖掘機適用于有電源的場所,如港口、隧道、礦山及城市內。
雙動力工程機械
目前國內外雙動力工程機械均有發展。雙動力工程機械改變原來單一動力源,而是安裝二臺動力機,一臺是傳統柴油機或汽油機,另一臺是交流電動機,兩臺動力機在機械輸出上沒有連接,各自獨立或合流。國外產品:如美國power screen公司開發的雙動力移動篩分機,車載發動機驅動行走到達作業區后,接上外接電源,由機載交流電動機驅動作業機構。英國LUCAS維修公司開發的折疊式雙動力隨車起重機,德國依發汽車廠開發的ADK汽車起重機等均是由發動機驅動行走,到達作業區后接入交流電供車載電動機驅動作業機構運轉。國內產品;如山重建機GC258DP-8雙動力抓料機(見圖5)及其他廠家開發的雙動力挖掘機,均采用以上結構,兩個耗功裝置通過輸出管路合流在一起,然后進入多路閥。電動機采用220V或380V電網用于驅動,當機器在城鎮施工或用電方便的施工環境時,可以采用電動機驅動。同時,GC258DP-8駕駛室一個獨特的優勢,可以根據需求調整高度,擴大駕駛員的視野。
這種工程機械設備即可以降低噪音,又可以節省能源,降低施工費用;在無外接電源、遠離電源或轉離施工現場時,可以使用發動機驅動。
混合動力工程機械
混合動力技術在汽車領域已經得到廣泛應用,它給混合動力工程機械帶來了機遇。
工程機械常用的混合動力大致可分為:油電混合(電動回轉馬達代替液壓回轉馬達)、油液混合(回收儲存液壓能及其它形式能,以供輔助機械動作)及油電液混合三種形式。由于有電動機的輔助,混合動力工程機械上用的柴油機功率可以比同能力的內燃機工程機械的柴油機的功率小一些。另外,由于電動機輔助,柴油機可以在低油耗、低排放的區域運行。綜上所屬,混合動力混合動力工程機械比同能力的內燃機工程機械節油15%~30%,污染排放物也下降15%~30%。
目前,混合動力技術在工程機械上應用以國外大品牌為主國,如沃爾沃公司開發的L220F混合動力裝載機,俄羅斯車里雅賓斯克拖拉機廠開發的混合動力推土機,卡特彼勒開發設計的CAT336EH混合動力挖掘機,小松已面向中國市場銷售的HB205、HB215混合動力挖掘機,美國特雷克斯公司開發的混合動力高空作業車,德國福格勒公司開發的混合動力瀝青攤鋪機,另外日本的日立建機、住友建機、三菱及韓國斗山等世界著名工程機械已開發各具特色的混合動力工程機械。而國內的一些主機廠,如山重建機、三一重工、中聯重科、山河智能等,也早在2011年前后展出了自行研制的混合動力挖掘機等新產品,國內企業由于受到自身研發能力和市場環境的影響,還很難實現批量生產及銷售。