1.5 工程机械节能途径

1.5.1 动力节能技术

液压挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械，承担的工种多，工作时间长。为了适应其工作内容和环境，目前主要以机械式柴油发动机作为主动力源，以液压传动为主要的动力传递方式。受制于负载工况的剧变特性，动力源、液压系统和负载较难完全匹配，能量损耗十分严重。随着电喷发动机的装机，高效率液压柱塞泵、马达以及其他液压元器件的应用，液压挖掘机的能量损失得到了一定的改进。而正流量、负流量、负荷敏感、压力切断、恒功率控制、恒压力控制等一系列液压系统的控制方案出现，进一步提升了液压挖掘机的操作性和节能性。但是动力源、液压系统、负载三者之间的功率匹配损耗始终是液压挖掘机上难以克服的难点，且该项难点造成的发动机和液压系统的能量损耗各占传统挖掘机总能量损耗的35%左右。

在传统工程机械功率匹配控制中，发动机的油门位置由驾驶人根据负载的类型按重载、中载和轻载等设定，功率匹配主要通过调整液压泵的排量来最大程度地吸收发动机的输出功率以及防止发动机熄火。因此只有在最大负载功率下，柴油机与液压泵的功率才能匹配得较好，使柴油机工作点位于经济工作区。但由于挖掘机工况复杂，负载剧烈波动，在实际工作中，最大和最小负载功率是交替变化的，大部分场合，虽然液压泵吸收了发动机在其工作模式所对应的最大输出功率，但液压系统所需功率远远小于发动机的输出功率，所以柴油机输出轴上的转矩也剧烈波动，使柴油机在小负载时工作点严重偏离经济工作区，因此这种传统的功率匹配是不完全的。另外，为满足最大负载工况的要求，在挖掘机的设计中必须按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机装机功率普遍偏大，燃油经济性差。如果按平均功率选择柴油机，容易造成发动机过载，柴油机经常过热。

为了解决负载波动对发动机效率的影响，混合动力技术是国际上公认的节能的最佳方案之一[8]。混合动力系统利用电动机/发电机或者液压泵/马达的削峰填谷作用，对发动机输出转矩进行均衡控制，降低发动机的功率等级，也使发动机工作点始终位于经济工作区。虽然混合动力技术在发动机的节能方面取得了一定的效果，但由于工程机械大都为单泵多执行元件的系统，发动机功率并不能轻易地降低，同时负载的波动需要通过液压系统后才能传递到液压泵，负载的波动并不能实时传递到液压泵，同时由于混合动力单元的动态响应问题，混合动力单元难以实时动态补偿负载的波动。因此当前的混合动力技术对发动机油耗的降低有限。

当前，除了混合动力技术之外，本书将在第2章中介绍纯电驱动系统、电喷发动机技术、自由活塞发动机、天然气发动机、氢发动机等新型动力节能技术。