第1章 工程机械能耗分析与节能途径

1.1 工程机械节能的意义

（1）能源危机和大气污染

自1993年以来，中国便成为石油净进口国，2013年原油净进口达2.92亿t，对外依存度高达58%[1]。BP石油公司发布的《BP世界能源统计2011》调查报告指出，2010年中国一次能源消费总量为24.32亿t标准油，超过美国的22.86亿t标准油，已经成为世界第一大能源消费国。研究数据显示，一方面新发现储油地的进程较为缓慢，而另一方面，石油消耗量则呈现出较高的增长率；如果新发现的石油存储量及其消耗量依照现在的趋势，则全世界石油资源只可用到2038年。我国由于地理位置特殊，石油问题相对于其他发达国家更加严重。

从环境保护的角度来看，发动机排放物的数量与燃油消耗呈正相关关系，燃油内燃机车辆在大量消耗石油资源的同时又污染了环境，所排放的碳、氮、硫的氧化物及其他有害排放物已成为城市空气的主要污染源。

（2）日益严格的排放标准

放眼国际，美国已经对非道路排放标准实施了Tier4排放标准，欧盟也执行了欧Ⅳ排放标准。我国环境保护部也于2014年5月发布了《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（GB20891—2014）[2]，并规定自2014年10月1日起实行第三阶段排放要求，进一步减轻因为此类机械设备不断增长的保有量和使用量给环境带来的压力。

（3）工程机械油耗大和排放差

工程机械作为内燃机产品除汽车行业之外的第二大用户，由于所用发动机排量大、油耗高，排放标准与汽车行业相比更为宽松，对环境的污染比其他内燃机使用行业更为严重。统计数据表明，全国以工程机械为主的非道路机械柴油机污染物排放量占总排放量的38%[3]。以某型号20t挖掘机为例，一个小时耗油量在20～30L左右，相当于一辆小汽车行驶300～450km的耗油量；在正常工作相同时间内，一台20t挖掘机的废气排放量相当于30辆小型汽车的废气排放量。因此，工程机械行业节能减排的责任格外重大。

结合国务院办公厅2013年出台的《关于加强内燃机工业节能减排的意见》中针对内燃机发展趋势和目标，两年以后，内燃机产品中60%以上需使用环保节能型内燃机，比目前使用的内燃机油耗下降6%以上，噪声降低到一定程度。

（4）节能减排符合国家发展规划

中国工程机械行业协会发布的“十二五”产业发展规划中，将“开展工程机械产品节能技术研究和工程机械产品能源多样性技术研究”作为“十二五”期间有所突破的重要发展目标。在“十二五”期间，节能减排，绿色制造成果丰硕。在节能技术方面实现轮式装载机节能5%～12%，液压挖掘机节能5%。减量化技术方面装载机、叉车等产品取得降低整机重量5%～8%的科研成果。减振降噪的科技攻关取得重大突破，装载机整机噪声降到72dB，液压挖掘机整机噪声降到71dB，达到了国际先进水平。全行业单位工业增加值综合能耗从2010年的0.0758t标煤/万元，到2014年下降为0.0688t标煤/万元，整体保持下降趋势。因此2016年3月28日发布的“十三五”产业发展规划中将绿色节能产品继续列为“十三五”期间行业需要重点开发的九大类创新产品之一，力争在“十三五”期间实现我国工程机械提质增效升级，产业能耗强度下降，综合利用率大幅提升。因此，从长远来看，工程机械节能环保型将是其进入市场的基本要素，工程机械节能技术给国家、社会乃至用户带来显著的经济社会效益。

（5）液压挖掘机在工程机械行业的重要性

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。液压挖掘机作为国家基础建设的重要工程机械之一，已经广泛应用于建筑、交通、水利、矿山以及军事领域中。世界上各种土方工程约有65%～70%的土方量是由液压挖掘机来完成的。故无论从挖掘机强大的多功能适应性，还是在世界范围内的巨大发展潜力来看，均体现出其在建筑施工机械中的重要地位。因此，液压挖掘机的节能与减排已引起了人们的广泛关注与重视。液压挖掘机的工况复杂，负载变化剧烈，据研究报告，液压挖掘机中，发动机的输出能量的利用率大约只有20%。液压挖掘机作为一种工况最为复杂的典型工程机械，其各种节能技术给其他工程机械的节能研究和应用提供借鉴。故本书将重点介绍液压挖掘机，交叉介绍装载机、叉车、起重机等其他工程机械。

综上所述，工程机械节能技术已成为衡量其先进性的一项重要指标，在未来相当长的一段时间内，节能减排将成为工程机械行业的重要研究方向。在此背景下，国家在环保方面对工程机械企业实施一些技术整改制度，主要集中在排放标准的升级和新能源使用两个方面。环保型产品的研发已经关系到企业的生存与发展，工程机械企业纷纷围绕节能减排开始了技术升级。与此同时，中国工程机械行业开始了技术升级和创新，环保节能型产品是未来的发展方向。

此外，许多工程机械的共同特点是用一定重量的工作装置，将物料举升到指定高度后卸载，采用多路阀控制工作装置频繁地举升和下降会浪费许多能量，还有一些机构，如挖掘机的上车机构频繁地加速起动和减速制动，如果能够回收与利用工作机构举升后积累的势能和转台制动的动能，对提高工程机械的能量效率将非常有益，是当前工程机械节能技术研究的热点方向。研究工程机械的动力节能技术、液压节能技术辅以能量回收技术可以全面提高整机的节能性，对整机的节能研究具有非常重要的实际意义。