工程机械传统能源为柴油，而柴油机燃烧效率只有35%~40%，使用柴油机作为主要动力既造成了能源浪费，同时造成环境污染。面对日益严峻的环境污染问题，国家对非道路工程机械的排放要求也越来越严格。预计2020年7月1日将执行非道路国四排放标准，此标准综合了欧IIIB排放的NOX(氮氧化物)值和欧V排放的PN(颗粒物数量)值，从而迫使发动机厂家必须对发动机后处理装置加装SCR和DPF。增加SCR和DPF后处理装置的国四排放发动机，要比同功率的国三排放发动机价格高一倍以上，大大提高了发动机和OEM厂的制造成本、服务成本和用户的使用成本。非道路国四排放标准之后还会面临国五，升级周期也会日益缩短。为应对此情况，许多发动机厂家和配套厂家开始研发生产新能源设备。本文主要介绍纯电动、油电混合动力、氢燃料电池、LNG燃气发动机等工程机械新能源发展趋势。
一、纯电动
纯电驱动工程机械用电动机取代柴油发动机，用电池给电动机供电。纯电动工程机械几乎为零排放，发展纯电动设备产业，渐已成为世界各国解决能源短缺、降低环境污染的首选途径。电池质量较大，可以通过调整安装位置减少工程机械部分配重的质量。
电驱动工程机械更适合隧道和地铁等空气流通性差的工况。在这种工况电驱动工程机械施工效率高，同时因为没有尾气排放和发动机噪声污染，降低了对操作员健康的损害。但电池安全性差、综合使用成本高、电池能量密度低、续航里程短、配套充电设施不足等因素，严重制约着纯电动工程机械产业的发展。针对工程机械充电不便状况，业内有人提出了移动充电宝式供电车解决方案，但仍无法解决充电时间长的问题。
在2018年baumaCHINA展会，VOLVOPENTA发动机厂家展示了一款纯电动产品，如图1所示。右侧为直流电机，左侧为变速器，用锂电池给电机提供600V电压，见图1b。此款电驱系统成本较高，为同功率柴油机的3~5倍。
据了解，VOLVOPENTA将于2021年为工业及船机应用提供混合动力及纯电动的解决方案。VOLVOPENTA认为，传统动力发动机将会逐渐过渡至混合动力及纯电动力发动机，但由于新能源技术不成熟，未来的数年内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。
二、油电混合动力
目前混合动力技术在汽车领域已经得到了广泛应用，成熟的应用给混合动力工程机械带来了借鉴，混合动力兼顾了传统内燃机优良的动力性和纯电动车辆的低排放特性。
混合动力发动机将燃油化学能转化为机械能，然后再经过发电机转换为电能，根据工况需要，其中一部分电能流向蓄电池储能备用，另一部分流经电动机转化为输出转矩。混合动力工程机械上用的发动机比内燃机工程机械发动机功率小，由于电机辅助，发动机可以更长时间工作在低油耗和低排放区域。一般来讲，混合动力工程机械比同功率的内燃机工程机械燃油消耗降低30%~50%。
在2018年baumaCHINA展会上，道依茨发动机厂家展示了TCD2.9型混合动力产品。该产品发动机功率为55kW，最大输出功率为发动机功率的2倍，即110kW。当设备需求功率低于55kW时，多余的发动机功率反拖电机发电，将电能存储在电池中，当设备需求功率高于55kW时，电动机消耗电池电能补充发动机动力的不足，其理论最大功率可达110kW。在某些情况下，也可关闭发动机，只采用电驱动，从而达到节能、减排效果。据了解道依茨将于2020年底量产此类型发动机。
道依茨对于电驱动车辆、混合动力车辆和传统柴油机车辆未来适用工作范围分析见图3。
电驱动车辆消耗能量低，补充电能频率较高，更适用于厂内有电源区域工作;传统柴油机车辆能耗最高，能量补充便捷，更适用于施工现场;而混合动力车辆处于二者之间。
三、氢燃料电池
燃料电池又称电化学发电器，其原理是将化学能转化为电能，跟锂离子电池类似，但效率更高。目前燃料电池主要的燃料类型为氢，氢燃料储存在储液罐中，燃料电池类似内燃机，是能量转化的场所。氢燃料电池的发电热效率可达65%~85%，质量能量密度达500~700Wh/kg，体积能量密度达1000~1200Wh/L，发电效率高于固体氧化物燃料电池。燃料电池内的电堆能量很少，电堆出问题时只要把氢气切断即可，为此燃料电池安全性要高于锂电池。
跟内燃机比，氢燃料电池能量转换过程效率高，无噪声，排放物仅仅是水。跟纯电动和混合动力相比，氢燃料电池能量密度高，更适用于大功率工程机械。然而目前氢燃料电池制造成本较高，如果能把关键材料铂用量降下来，它将比锂电池成本低，所以它有跟锂电池和燃油车竞争的基础。除成本因素之外，目前推广氢燃料电池还有其他几项瓶颈问题，如氢燃料获取、储存和运输困难，氢燃料添加站点稀少。
四、LNG燃气发动机
LNG是液化天然气(LiquefiedNaturalGas)的简写，是天然气经过低温冷凝处理而成。LNG燃气发动机基本结构包含燃气发动机、一组或单个LNG气瓶、一套汽化装置及管路。其工作原理与普通柴油机类似，不同之处在于液化天然气能量密度更高，续航里程更长，且LNG价格相对便宜，使用经济性更好。相对于普通柴油机，LNG发动机排放污染物明显减少。有研究表明，LNG发动机可使排放的CO2减少23%，SO2减少70%，CO减少50%。
LNG发动机也存在一些问题需要解决:燃气发动机与同功率柴油机相比，在大负载时，动力响应速度慢，不能很好地适应负载变化。LNG气瓶温度升高后，会通过放气阀放气释放内部压力，存在安全隐患，所以不能在密闭空间里作业。LNG气体加注时，需要特殊设备，在施工现场加注具有很大的局限性。LNG燃气发动机排气温度较高，所以需要对增压器、排气管、进排气门座等发动机零部件进行优化。LNG气体对储存环境要求较高，一般要储存于-163°C的环境中，而目前国内配套设施不完善，无法对LNG进行长期保存。
五、未来发展趋势
目前，我国的新能源工程机械领域已逐步发展，并且取得了一定的进展，新能源工程机械研发和技术理念已初步形成，部分新能源工程机械已经实现小批量销售且在向产业化发展。由于我国的新能源工程机械研究与推广起步较晚，多方面的因素也制约了新能源机械的发展，如政府与企业不够重视、投入不足等，致使国内企业与国际大企业存在一定差距。同时，我国相对缺少鼓励新能源工程机械发展的相关政策与方针，新能源工程机械行业缺乏统一的标准。对此国家相关部门与行业协会，应抓紧制定新能源工程机械的工艺、性能测试、质量控制、关键技术等相关标准来规范整个行业，进而推动行业健康发展。
博世公司开展的市场研究表明，未来非道路机械市场将增长强劲，预计2012~2030年期间，中国的非道路机械市场容量将翻一番。2020~2030年期间，电驱动、混合动力、LNG、燃料电池驱动机械保有量虽然会不断攀升，但柴油动力仍将是占主导地位的驱动技术，如图4所示。
道依茨对未来非道路内燃机车辆和电动车辆发展趋势预测如图5所示。从图5看出，2030年，内燃机车辆依然占据主导地位，与博世公司的市场预测接近。而到2038年，电动车辆市场份额将超越内燃机车辆市场份额。
混合动力车辆兼顾了传统柴油机优良的动力性和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限制，应用更便捷，使用区域更广泛。个人认为，在纯电动车辆的储能电池没有取得根本性突破以前，混合动力更适合非道路工程机械应用，是解决排放和能源等问题最具现实意义的途径之一。
本文选自《工程机械与维修》杂志2019年第4期
作者：郭锐 韩彪 张淼
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