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摘要：非道路国四排放标准的实施，将迫使发动机制造商在发動机后处理装置中加装SCR及DPF。因此，许多发动机厂家及配套厂家开始研发生产新能源设备。基于此，本文详细分析了工程机械新能源应用现状与发展趋势。
关键词：工程机械;新能源;现状;发展趋势
工程机械的传统能源是柴油，而柴油发动机的燃烧率仅为35～40%。柴油机作为主要动力不仅浪费能源，而且污染环境。面对日益严重的环境污染问题，国家对非道路工程机械的排放要求越来越严格。2020年7月1日，实施了非道路国四排放标准，该标准整合了欧ⅢB排放的NOx值和欧V排放的PN值，迫使发动机制造商在其发动机后处理装置中加装SCR及DPF。采用SCR和DPF后处理装置的国四排放发动机价格是相同功率国三排放发动机的两倍以上，这增加了发动机及OEM厂制造成本、服务成本和用户使用成本。非道路国四排放标准发布后，我国将面临国五，升级周期将日益缩短。针对这种情况，许多发动机厂家和配套厂家开始研发生产新能源设备。
一、新能源工程机械现状
由于能源紧缺和环境污染的双重压力，节能降耗引起社会高度关注。目前，很多国内工程机械企业近年来开发出不少新能源工程机械，并且取得一定的成果。例如：燃气（LNG）动力液压挖掘机和燃气动力装载机应用LNG液化天然气作为动力、电动叉车和电动挖掘机直接应用电能、双动力挖掘机应用柴油及电能两种能源、混合动力挖掘机节能降耗等工程机械已问世。由此可见，开发新能源工程机械一定是时代趋势。
二、纯电动
纯电动工程机械用电动机代替柴油发动机，电动机由电池供电。纯电动工程机械几乎零排放，发展纯电动设备产业已逐渐成为世界各国解决能源短缺、减少环境污染的首选途径。电池质量大，通过调整安装位置，能减轻工程机械部分配重质量。
电驱动工程机械更适用于隧道、地铁等通风条件差的场所，在此种工况下，电驱动工程机械的施工效率高，因无尾气排放和发动机噪声污染，减少了对工人健康的危害。然而，电池安全性差、综合利用成本高、电池能量密度低、行驶里程短、充电配套设施不足等严重制约了纯电动工程机械行业的发展。针对工程机械充电不便的问题，业内有人提出了移动充电宝式供电车解决方案，但仍不能解决充电时间长的问题。
2018年bauma CHINA展会上，VOLVO PENT发动机制造商展示了一款纯电动产品，其右侧是直流电机，左侧是变速器，电机由锂电池提供600V电压。这种电驱动系统成本高，是同等功率柴油发动机的3～5倍。
据了解，VOLVO PENTA将在2021年为工业和船舶应用提供混合动力和纯电动解决方案。VOLVO PENTA认为，从传统动力发动机向混合动力和纯电动发动机的过渡将是渐进的，但由于新能源技术的不成熟，未来几年传统柴油发动机仍将是大多数非道路行业应用的动力解决方案。
三、油电混合动力
目前，混合动力技术已广泛应用于汽车领域，其成熟的应用为混合动力工程机械提供了借鉴，混合动力兼顾了传统内燃机优良的动力性能和纯电动汽车低排放的特性。
混合动力发动机将燃油化学能转化为机械能，然后由发电机将其转化为电能。根据工况，电能一部分流向蓄电池储能，另一部分通过电机转换成输出转矩。混合动力工程机械发动机比内燃机的功率更小，而且由于有电机的辅助，发动机能在低油耗和低排放工况下运行更长时间。通常，混合动力工程机械的油耗比同等功率的内燃机工程机械低30～50%。
四、氢燃料电池
燃料电池也被称为电化学发电器，其工作原理是将化学能转化为电能，类似于锂离子电池，但效率更高。当前，燃料电池的主要燃料是氢，氢储存在储液罐中，燃料电池类似于内燃机，是能量转化场所。氢燃料电池发电热效率可达65～85%，质量能量密度达500～700W·h/kg，体积能量密度达1000～1200W·h/L，发电效率高于固体氧化物燃料电池。燃料电池比锂离子电池更安全，因其电堆能量少，而且当电堆出现故障时，只要切断氢气即可。
与内燃机相比，氢燃料电池有一个更有效的能量转换过程，无噪声，只排放水。与纯电动和混合动力相比，氢燃料电池具有较高的能量密度，更适用于大功率工程机械。但当前氢燃料电池制造成本高，若能减少关键材料铂的使用，它将比锂电池更便宜，从而有了与锂电池及燃油车竞争的基础。除了成本因素，氢燃料电池的推广还存在其它几个瓶颈问题，如获取、储存、运输氢燃料较困难，以及氢燃料添加站点的缺乏。
五、LNG燃气发动机
LNG是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的简称，由天然气经低温冷凝而成。LNG燃气发动机的基本结构包括燃气发动机、一组或单个LNG气瓶、一套汽化装置和管路。它的工作原理与普通柴油机类似，不同之处在于液化天然气具有更高的能量密度和更长的航程，而且价格相对便宜和更经济的使用方式。与普通柴油机相比，LNG发动机排放污染物明显减少。有研究表明，LNG发动机可减少23%的CO2排放，70%的SO2，50%的CO排放。
LNG发动机也存在一些问题需解决：与同功率柴油机相比，燃气发动机在高负荷下动态响应较慢，不能很好地适应负载变化。当LNG气瓶温度升高时，会通过排气阀释放内部压力，存在安全隐患，不能在密闭空间内操作。LNG充装需专用设备，在施工现场充装有很大的局限性。LNG燃气发动机排气温度高，因此有必要对增压器、排气管、进排气门座等发动机部件进行优化。LNG气体对储存环境要求高，一般储存在-163℃环境下，且目前国内配套设施不完善，不能长期储存LNG。
六、未来发展趋势
当前，我国新能源工程机械领域已逐步发展起来，并取得了一定的进展，新能源工程机械的研发及技术思路已初步形成，部分新能源工程机械已实现了小批量销售和产业化的发展。由于我国新能源工程机械的研究和推广起步较晚，许多因素也制约了新能源机械的发展，如政府和企业重视不够、投资不足等，导致国内企业与国际大企业之间存在一定差距。同时，我国相对缺乏鼓励新能源工程机械发展的相关政策指引，新能源工程机械行业缺乏统一标准。为此，国家有关部门和行业协会应及时制定新能源工程机械的工艺、性能检测、质量控制、关键技术等相关标准，规范整个行业，促进行业健康发展。
博世公司的市场研究表明，未来非道路机械市场将强劲增长，中国非道路机械市场容量预计在2012～2030年期间将翻一番。2020～2030年期间，尽管电驱动、混合动力、LNG和燃料电池驱动机械保有量将继续攀升，但柴油动力仍将是主要的驱动技术。
道依茨对未来非道路内燃机车辆及电动车辆发展趋势预测为，2030年内燃机车辆仍占主导地位，接近博世公司的市场预测。到2038年，电动车辆市场份额将超过内燃机车辆。
混合动力车辆兼顾了传统柴油机优异的动力性能及纯电动车辆较好的排放特性。同时，混合动力车辆不受充电设施的限制，使用更加方便和广泛。另外，在纯电动车辆的储能电池还未取得根本性突破之前，混合动力更适合于非道路工程机械的应用，这是解决排放及能源问题最实际的途径之一。
参考文献
[1]邱瑞.浅谈几种新能源工程机械特点及发展[J].山东工业技术，2017（11）.
[2]郭锐.浅析工程机械新能源应用现状与发展趋势[J].工程机械与维修，2019（04）.
关键词：工程机械;新能源;现状;发展趋势
工程机械的传统能源是柴油，而柴油发动机的燃烧率仅为35～40%。柴油机作为主要动力不仅浪费能源，而且污染环境。面对日益严重的环境污染问题，国家对非道路工程机械的排放要求越来越严格。2020年7月1日，实施了非道路国四排放标准，该标准整合了欧ⅢB排放的NOx值和欧V排放的PN值，迫使发动机制造商在其发动机后处理装置中加装SCR及DPF。采用SCR和DPF后处理装置的国四排放发动机价格是相同功率国三排放发动机的两倍以上，这增加了发动机及OEM厂制造成本、服务成本和用户使用成本。非道路国四排放标准发布后，我国将面临国五，升级周期将日益缩短。针对这种情况，许多发动机厂家和配套厂家开始研发生产新能源设备。
一、新能源工程机械现状
由于能源紧缺和环境污染的双重压力，节能降耗引起社会高度关注。目前，很多国内工程机械企业近年来开发出不少新能源工程机械，并且取得一定的成果。例如：燃气（LNG）动力液压挖掘机和燃气动力装载机应用LNG液化天然气作为动力、电动叉车和电动挖掘机直接应用电能、双动力挖掘机应用柴油及电能两种能源、混合动力挖掘机节能降耗等工程机械已问世。由此可见，开发新能源工程机械一定是时代趋势。
二、纯电动
纯电动工程机械用电动机代替柴油发动机，电动机由电池供电。纯电动工程机械几乎零排放，发展纯电动设备产业已逐渐成为世界各国解决能源短缺、减少环境污染的首选途径。电池质量大，通过调整安装位置，能减轻工程机械部分配重质量。
电驱动工程机械更适用于隧道、地铁等通风条件差的场所，在此种工况下，电驱动工程机械的施工效率高，因无尾气排放和发动机噪声污染，减少了对工人健康的危害。然而，电池安全性差、综合利用成本高、电池能量密度低、行驶里程短、充电配套设施不足等严重制约了纯电动工程机械行业的发展。针对工程机械充电不便的问题，业内有人提出了移动充电宝式供电车解决方案，但仍不能解决充电时间长的问题。
2018年bauma CHINA展会上，VOLVO PENT发动机制造商展示了一款纯电动产品，其右侧是直流电机，左侧是变速器，电机由锂电池提供600V电压。这种电驱动系统成本高，是同等功率柴油发动机的3～5倍。
据了解，VOLVO PENTA将在2021年为工业和船舶应用提供混合动力和纯电动解决方案。VOLVO PENTA认为，从传统动力发动机向混合动力和纯电动发动机的过渡将是渐进的，但由于新能源技术的不成熟，未来几年传统柴油发动机仍将是大多数非道路行业应用的动力解决方案。
三、油电混合动力
目前，混合动力技术已广泛应用于汽车领域，其成熟的应用为混合动力工程机械提供了借鉴，混合动力兼顾了传统内燃机优良的动力性能和纯电动汽车低排放的特性。
混合动力发动机将燃油化学能转化为机械能，然后由发电机将其转化为电能。根据工况，电能一部分流向蓄电池储能，另一部分通过电机转换成输出转矩。混合动力工程机械发动机比内燃机的功率更小，而且由于有电机的辅助，发动机能在低油耗和低排放工况下运行更长时间。通常，混合动力工程机械的油耗比同等功率的内燃机工程机械低30～50%。
四、氢燃料电池
燃料电池也被称为电化学发电器，其工作原理是将化学能转化为电能，类似于锂离子电池，但效率更高。当前，燃料电池的主要燃料是氢，氢储存在储液罐中，燃料电池类似于内燃机，是能量转化场所。氢燃料电池发电热效率可达65～85%，质量能量密度达500～700W·h/kg，体积能量密度达1000～1200W·h/L，发电效率高于固体氧化物燃料电池。燃料电池比锂离子电池更安全，因其电堆能量少，而且当电堆出现故障时，只要切断氢气即可。
与内燃机相比，氢燃料电池有一个更有效的能量转换过程，无噪声，只排放水。与纯电动和混合动力相比，氢燃料电池具有较高的能量密度，更适用于大功率工程机械。但当前氢燃料电池制造成本高，若能减少关键材料铂的使用，它将比锂电池更便宜，从而有了与锂电池及燃油车竞争的基础。除了成本因素，氢燃料电池的推广还存在其它几个瓶颈问题，如获取、储存、运输氢燃料较困难，以及氢燃料添加站点的缺乏。
五、LNG燃气发动机
LNG是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的简称，由天然气经低温冷凝而成。LNG燃气发动机的基本结构包括燃气发动机、一组或单个LNG气瓶、一套汽化装置和管路。它的工作原理与普通柴油机类似，不同之处在于液化天然气具有更高的能量密度和更长的航程，而且价格相对便宜和更经济的使用方式。与普通柴油机相比，LNG发动机排放污染物明显减少。有研究表明，LNG发动机可减少23%的CO2排放，70%的SO2，50%的CO排放。
LNG发动机也存在一些问题需解决：与同功率柴油机相比，燃气发动机在高负荷下动态响应较慢，不能很好地适应负载变化。当LNG气瓶温度升高时，会通过排气阀释放内部压力，存在安全隐患，不能在密闭空间内操作。LNG充装需专用设备，在施工现场充装有很大的局限性。LNG燃气发动机排气温度高，因此有必要对增压器、排气管、进排气门座等发动机部件进行优化。LNG气体对储存环境要求高，一般储存在-163℃环境下，且目前国内配套设施不完善，不能长期储存LNG。
六、未来发展趋势
当前，我国新能源工程机械领域已逐步发展起来，并取得了一定的进展，新能源工程机械的研发及技术思路已初步形成，部分新能源工程机械已实现了小批量销售和产业化的发展。由于我国新能源工程机械的研究和推广起步较晚，许多因素也制约了新能源机械的发展，如政府和企业重视不够、投资不足等，导致国内企业与国际大企业之间存在一定差距。同时，我国相对缺乏鼓励新能源工程机械发展的相关政策指引，新能源工程机械行业缺乏统一标准。为此，国家有关部门和行业协会应及时制定新能源工程机械的工艺、性能检测、质量控制、关键技术等相关标准，规范整个行业，促进行业健康发展。
博世公司的市场研究表明，未来非道路机械市场将强劲增长，中国非道路机械市场容量预计在2012～2030年期间将翻一番。2020～2030年期间，尽管电驱动、混合动力、LNG和燃料电池驱动机械保有量将继续攀升，但柴油动力仍将是主要的驱动技术。
道依茨对未来非道路内燃机车辆及电动车辆发展趋势预测为，2030年内燃机车辆仍占主导地位，接近博世公司的市场预测。到2038年，电动车辆市场份额将超过内燃机车辆。
混合动力车辆兼顾了传统柴油机优异的动力性能及纯电动车辆较好的排放特性。同时，混合动力车辆不受充电设施的限制，使用更加方便和广泛。另外，在纯电动车辆的储能电池还未取得根本性突破之前，混合动力更适合于非道路工程机械的应用，这是解决排放及能源问题最实际的途径之一。
参考文献
[1]邱瑞.浅谈几种新能源工程机械特点及发展[J].山东工业技术，2017（11）.
[2]郭锐.浅析工程机械新能源应用现状与发展趋势[J].工程机械与维修，2019（04）.