摘要：執(zhí)行非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn),迫使發(fā)動(dòng)機(jī)廠家必須對發(fā)動(dòng)機(jī)后處理裝置加裝SCR和DPF。為應(yīng)對此情況，許多發(fā)動(dòng)機(jī)廠家和配套廠家開始研發(fā)生產(chǎn)新能源設(shè)備。主要介紹純電動(dòng)、油電混合動(dòng)力、氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)等工程機(jī)械新能源發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：國四排放標(biāo)準(zhǔn)；新能源；發(fā)展趨勢
工程機(jī)械傳統(tǒng)能源為柴油，而柴油機(jī)燃燒效率只有35%～40%，使用柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿仍斐闪四茉蠢速M(fèi)，同時(shí)造成環(huán)境污染。面對日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，國家對非道路工程機(jī)械的排放要求也越來越嚴(yán)格。預(yù)計(jì)2020年7月1日將執(zhí)行非道路國四排放標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)綜合了歐ⅢB排放的NOX（氮氧化物）值和歐Ⅴ排放的PN（顆粒物數(shù)量）值，從而迫使發(fā)動(dòng)機(jī)廠家必須對發(fā)動(dòng)機(jī)后處理裝置加裝SCR和DPF。增加SCR和DPF后處理裝置的國四排放發(fā)動(dòng)機(jī)，要比同功率的國三排放發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格高一倍以上，大大提高了發(fā)動(dòng)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(huì)面臨國五，升級(jí)周期也會(huì)日益縮短。為應(yīng)對此情況，許多發(fā)動(dòng)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(dòng)、油電混合動(dòng)力、氫燃料電池、LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)等工程機(jī)械新能源發(fā)展趨勢。
1純電動(dòng)
純電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械用電動(dòng)機(jī)取代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，用電池給電動(dòng)機(jī)供電。純電動(dòng)工程機(jī)械幾乎為零排放，發(fā)展純電動(dòng)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，可以通過調(diào)整安裝位置減少工程機(jī)械部分配重的質(zhì)量。電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械更適合隧道和地鐵等空氣流通性差的工況。在這種工況電驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械施工效率高，同時(shí)因?yàn)闆]有尾氣排放和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲污染，降低了對操作員健康的損害。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、配套充電設(shè)施不足等因素，嚴(yán)重制約著純電動(dòng)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對工程機(jī)械充電不便狀況，業(yè)內(nèi)有人提出了移動(dòng)充電寶式供電車解決方案，但仍無法解決充電時(shí)間長的問題。在2018年baumaCHINA展會(huì)，VOLVOPENTA發(fā)動(dòng)機(jī)廠家展示了一款純電動(dòng)產(chǎn)品，如圖1所示。右側(cè)為直流電機(jī)，左側(cè)為變速器，用鋰電池給電機(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。據(jù)了解，VOLVOPENTA將于2021年為工業(yè)及船機(jī)應(yīng)用提供混合動(dòng)力及純電動(dòng)的解決方案。VOLVOPENTA認(rèn)為，傳統(tǒng)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)逐漸過渡至混合動(dòng)力及純電動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，但由于新能源技術(shù)不成熟，未來的數(shù)年內(nèi)傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍將是大多數(shù)非道路行業(yè)應(yīng)用的動(dòng)力解決方案。
2油電混合動(dòng)力
目前混合動(dòng)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(dòng)力工程機(jī)械帶來了借鑒，混合動(dòng)力兼顧了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)良的動(dòng)力性和純電動(dòng)車輛的低排放特性。混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)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(chǔ)能備用，另一部分流經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)矩�；旌蟿�(dòng)力工程機(jī)械上用的發(fā)動(dòng)機(jī)比內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)功率小，由于電機(jī)輔助，發(fā)動(dòng)機(jī)可以更長時(shí)間工作在低油耗和低排放區(qū)域。一般來講，混合動(dòng)力工程機(jī)械比同功率的內(nèi)燃機(jī)工程機(jī)械燃油消耗降低30%～50%。在2018年baumaCHINA展會(huì)上，道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)廠家展示了TCD2.9型混合動(dòng)力產(chǎn)品。該產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)功率為55kW，最大輸出功率為發(fā)動(dòng)機(jī)功率的2倍，即110kW。當(dāng)設(shè)備需求功率低于55kW時(shí)，多余的發(fā)動(dòng)機(jī)功率反拖電機(jī)發(fā)電，將電能存儲(chǔ)在電池中，當(dāng)設(shè)備需求功率高于55kW時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗電池電能補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的不足，其理論最大功率可達(dá)110kW。在某些情況下，也可關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，只采用電驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到節(jié)能、減排效果。據(jù)了解道依茨將于2020年底量產(chǎn)此類型發(fā)動(dòng)機(jī)。道依茨對于電驅(qū)動(dòng)車輛、混合動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)存在儲(chǔ)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)的電堆能量很少，電堆出問題時(shí)只要把氫氣切斷即可，為此燃料電池安全性要高于鋰電池。跟內(nèi)燃機(jī)比，氫燃料電池能量轉(zhuǎn)換過程效率高，無噪聲，排放物僅僅是水。跟純電動(dòng)和混合動(dòng)力相比，氫燃料電池能量密度高，更適用于大功率工程機(jī)械。然而目前氫燃料電池制造成本較高，如果能把關(guān)鍵材料鉑用量降下來，它將比鋰電池成本低，所以它有跟鋰電池和燃油車競爭的基礎(chǔ)。除成本因素之外，目前推廣氫燃料電池還有其他幾項(xiàng)瓶頸問題，如氫燃料獲取、儲(chǔ)存和運(yùn)輸困難，氫燃料添加站點(diǎn)稀少。
4LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)
LNG是液化天然氣（LiquefiedNaturalGas）的簡寫，是天然氣經(jīng)過低溫冷凝處理而成。LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)包含燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、一組或單個(gè)LNG氣瓶、一套汽化裝置及管路。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更高，續(xù)航里程更長，且LNG價(jià)格相對便宜，使用經(jīng)濟(jì)性更好。相對于普通柴油機(jī)，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物明顯減少。有研究表明，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)可使排放的CO2減少23%，SO2減少70%，CO減少50%。LNG發(fā)動(dòng)機(jī)也存在一些問題需要解決：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)與同功率柴油機(jī)相比，在大負(fù)載時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)速度慢，不能很好地適應(yīng)負(fù)載變化。LNG氣瓶溫度升高后，會(huì)通過放氣閥放氣釋放內(nèi)部壓力，存在安全隱患，所以不能在密閉空間里作業(yè)。LNG氣體加注時(shí)，需要特殊設(shè)備，在施工現(xiàn)場加注具有很大的局限性。LNG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高，所以需要對增壓器、排氣管、進(jìn)排氣門座等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行優(yōu)化。LNG氣體對儲(chǔ)存環(huán)境要求較高，一般要儲(chǔ)存于-163℃的環(huán)境中，而目前國內(nèi)配套設(shè)施不完善，無法對LNG進(jìn)行長期保存。
5未來發(fā)展趨勢
目前，我國的新能源工程機(jī)械領(lǐng)域已逐步發(fā)展，并且取得了一定的進(jìn)展，新能源工程機(jī)械研發(fā)和技術(shù)理念已初步形成，部分新能源工程機(jī)械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量銷售且在向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。由于我國的新能源工程機(jī)械研究與推廣起步較晚，多方面的因素也制約了新能源機(jī)械的發(fā)展，如政府與企業(yè)不夠重視、投入不足等，致使國內(nèi)企業(yè)與國際大企業(yè)存在一定差距。同時(shí)，我國相對缺少鼓勵(lì)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(huì)，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(gè)行業(yè)，進(jìn)而推動(dòng)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(jì)2012～2030年期間，中國的非道路機(jī)械市場容量將翻一番。2020～2030年期間，電驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力、LNG、燃料電池驅(qū)動(dòng)機(jī)械保有量雖然會(huì)不斷攀升，但柴油動(dòng)力仍將是占主導(dǎo)地位的驅(qū)動(dòng)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(dòng)車輛發(fā)展趨勢預(yù)測如圖5所示。從圖5看出，2030年，內(nèi)燃機(jī)車輛依然占據(jù)主導(dǎo)地位，與博世公司的市場預(yù)測接近。而到2038年，電動(dòng)車輛市場份額將超越內(nèi)燃機(jī)車輛市場份額�；旌蟿�(dòng)力車輛兼顧了傳統(tǒng)柴油機(jī)優(yōu)良的動(dòng)力性和純電動(dòng)車輛較好的排放特性，同時(shí)混合動(dòng)力車輛不受充電設(shè)施限制，應(yīng)用更便捷，使用區(qū)域更廣泛。個(gè)人認(rèn)為，在純電動(dòng)車輛的儲(chǔ)能電池沒有取得根本性突破以前，混合動(dòng)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。
