摘要: 對于工程機械來說,傳統(tǒng)燃料為柴油,即對環(huán)境造成污染,同時也嚴重浪費能源,為了改善這一狀況,現(xiàn)在許多工程機械廠家投身開發(fā)新能源車輛,這對于降低環(huán)境污染,節(jié)省能源具有十分重要的意義。
新能源工程機械現(xiàn)狀
由于能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力,節(jié)能降耗引起社會高度關注。目前,很多國內(nèi)工程機械企業(yè)近年來開發(fā)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(jié)能降耗等工程機械已經(jīng)問世。綜上分析,開發(fā)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(huán)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(qū)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(tài)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(tài)的天然氣 (Liquefied Natural Gas),簡稱LNG。是天然氣經(jīng)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(tài)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(fā)動機的續(xù)航能力更長,在工程機械上更具有發(fā)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(fā)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(tài)天然氣,通過一系列燃氣壓力調(diào)整后天然氣進入燃氣發(fā)動機(燃氣發(fā)動機低壓濾清器),在發(fā)動機裝置中進一步調(diào)整,調(diào)整后在發(fā)動機內(nèi)燃燒,對外輸出的轉速、功率、扭矩等傳遞到耗功裝置,實現(xiàn)動力輸出。經(jīng)過測試,能源消耗費用節(jié)省30%~40%。
目前,中國品牌主機企業(yè)在LNG產(chǎn)品開發(fā)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(xiàn)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(lián)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(fā)動機也存在一些問題需要解決:
?。?)燃氣發(fā)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(diào)節(jié)滯后,不能很好的適應負載變化;
?。?)不能在密閉的空間里作業(yè)。LNG氣瓶在內(nèi)部壓力高時,會通過放氣閥門釋放瓶內(nèi)壓力,以保證瓶內(nèi)壓力在安全壓力內(nèi);
?。?)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(fā)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(fā)動機尾氣或作為燃料使用時排放滿足更加嚴格的標準創(chuàng)造了條件,這對改善發(fā)動機尾氣對大氣的污染具有十分重要的意義。
電驅(qū)動工程機械
電驅(qū)動工程機械是以大功率電動馬達取代發(fā)動機驅(qū)動,在大型工程機械產(chǎn)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(qū)動方式。如山重建機也開發(fā)了一款JCM921D(電動)挖掘機,并實現(xiàn)銷售。
以JCM921D(電動)挖掘機為例,它的動力源為電網(wǎng)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(wǎng),控制器與變頻器進行數(shù)據(jù)通信,根據(jù)負載變化對電機進行變頻調(diào)速,并控制電磁比例閥調(diào)整斜盤變量泵的吸收功率,達到最優(yōu)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(shù)據(jù)通信,對回轉電機進行變頻調(diào)速。解決了采用傳統(tǒng)柴油機帶來的能量消耗大的問題,達到更加節(jié)能、低噪、環(huán)保的目的。
此種工程機械完全采用電網(wǎng)電源,零排放、噪聲小、節(jié)能是其突出優(yōu)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(nèi)。
雙動力工程機械
目前國內(nèi)外雙動力工程機械均有發(fā)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(tǒng)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(chǎn)品:如美國power screen公司開發(fā)的雙動力移動篩分機,車載發(fā)動機驅(qū)動行走到達作業(yè)區(qū)后,接上外接電源,由機載交流電動機驅(qū)動作業(yè)機構。英國LUCAS維修公司開發(fā)的折疊式雙動力隨車起重機,德國依發(fā)汽車廠開發(fā)的ADK汽車起重機等均是由發(fā)動機驅(qū)動行走,到達作業(yè)區(qū)后接入交流電供車載電動機驅(qū)動作業(yè)機構運轉。國內(nèi)產(chǎn)品;如山重建機GC258DP-8雙動力抓料機(見圖5)及其他廠家開發(fā)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(wǎng)用于驅(qū)動,當機器在城鎮(zhèn)施工或用電方便的施工環(huán)境時,可以采用電動機驅(qū)動。同時,GC258DP-8駕駛室一個獨特的優(yōu)勢,可以根據(jù)需求調(diào)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(jié)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(xiàn)場時,可以使用發(fā)動機驅(qū)動。
混合動力工程機械
混合動力技術在汽車領域已經(jīng)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(nèi)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(qū)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(nèi)燃機工程機械節(jié)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(fā)的L220F混合動力裝載機,俄羅斯車里雅賓斯克拖拉機廠開發(fā)的混合動力推土機,卡特彼勒開發(fā)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(fā)的混合動力高空作業(yè)車,德國福格勒公司開發(fā)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(fā)各具特色的混合動力工程機械。而國內(nèi)的一些主機廠,如山重建機、三一重工、中聯(lián)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(chǎn)品,國內(nèi)企業(yè)由于受到自身研發(fā)能力和市場環(huán)境的影響,還很難實現(xiàn)批量生產(chǎn)及銷售。