节能环保工程机械正成为创新热点
                              —— 天津工程机械研究院

    一、节能环保工程机械正成为共识

    上个世纪出现了震惊全球的两次危机，一次是英国伦敦酸雾与泰晤士河污染，一次是石油危机，这两次危机使人们开始反思工业化发展的科学性、合理性和今后的走向，人们逐渐认识到了环境（自然）污染和能源危机的危害性和重要性。对西方长期奉行的“人类中心主义”的一元论提出怀疑，提出生态哲学的研究。并把目光转向中国儒家“天人合一”的二元论，即人与自然的和谐发展哲学的研究。中华文明在2500年前提出的人与自然和谐体系是对人类发展的突出贡献，在人类提高其文明程度和向自然索取时必须把生存的可持续性作为科学理念纳入到行业的科技进步中。

    工程机械行业在其发展的历程中，一直承担对自然界索取活动中的工具角色，在其活动中对能源消耗、资源消耗，对环境的负面影响也一直是较为显现的，因此自上世纪八十年代之后，工程机械行业在节能环保方面逐渐成为创新的重要内容。

    目前各国政府纷纷出台政策法规，强制机动车辆的排放指标，禁止超标排放的机动车的销售和使用。特别是美国和欧盟明确规定了非公路机动设备的排放标准，并且该标准逐渐接近于公路机动设备的排放标准。另一方面，一些国家（如日本）对低排放和零排放的机动车的生产和使用都给予非常优惠的政策。近年来我国也出台了一系列相关法规，并逐渐与国际接轨。因此，从长远的发展来看，工程机械的节能环保性能是其进入市场和被用户接受的基本要素，同时也将是该产品生存和发展的先决条件。此外，节能对于工程机械本身来说，也是非常重要的。节能研究有助于降低系统的发热，简化系统设计，提高系统设备的可靠性和工作寿命，降低系统的装机功率，从而在一定程度上有助于节约设备的制造和维护成本。对于工程机械的制造商和最终用户来说，节能将为其带来可观的经济效益。

    如今工程机械节能技术已经成为衡量其先进与否的一项重要指标，研究工程机械的燃油经济性具有非常重要的实际意义。

    二、国内外工程机械产品节能环保的分析

    我国工程机械生产厂家在节能领域的研究起步较晚。在液压元件方面，目前，国内企业基本上没有能力生产各种具有节能效果的多路阀和液压泵，因而国产的中高端工程机械产品都是选用国外的液压元件。国产柴油机的综合性能指标无法满足中型以上挖掘机的节能环保要求，与国外工程机械用柴油机相比，国产柴油机普遍存在转矩储备低，过载能力差、可靠性差等缺点。目前中型以上的国产挖掘机全部采用进口机械式调速柴油机，如美国康明斯、日本五十铃等知名品牌。大部分还是手动油门调节，只有少部分采用了电子油门控制。

    在液压挖掘机的整机方面，国内多数厂家的小型挖掘机选择日本东芝公司的产品，而中型挖掘机则多选择日本川崎公司KMX15R型多路阀和K3V112DT-151R液压泵组成的液压系统，该系统为双泵双回路负流量全功率控制系统，多路阀为三位六通阀，多路阀旁路回油路上设置有节流孔以实现负流量控制。多路阀上还设有能量回收油路，以吸收动臂、斗杆下降时的势能。该系统的节能性靠变量系统的恒功率调节和负流量控制调节，相当国外20世纪90年代的水平。挖掘机采用了林德公司的负荷传感同步（LSC）控制系统。该系统为闭中心负荷传感系统，因液压泵只向各执行机构提供其需要的流量，因而没有溢流损失。复合动作时，各个执行机构动作互不干扰，可操作性好。该系统还集成了电子控制功能，根据作业工况，可实现对柴油机油门、液压泵的排量的电子控制。可以说该系统是目前国产挖掘机节能技术最先进的配置，但是整个系统都是从国外进口的，不能算是国产挖掘机的核心技术。履带式液压挖掘机XG820，采用ESS电子控制系统使液压系统可以充分利用发动机的功率，提高作业效率，节省燃油，机器可以在H（重载模式）、S（标准模式）及L（轻载模式）下工作，以满足各种不同的工况。

    轮式装载机的整机方面，采用全液压同轴流量放大转向系统，双泵合分流、转向优先、等值卸荷液压专利技术，采用微电脑控制的（半自动或全自动）电液换档系统，保证液力变矩器在高效区工作，同时采用双泵合流、优先流量放大或负荷传感转向系统、双管路全液压制动系统，代表了目前国产装载机的最高技术水平。

    国内的一些高校、科研院所和企业也进行了一些工程机械智能控制节能理论和技术的研究，20t节能控制、参数显示、故障报警液压挖掘机是目前国内机电一体化技术在挖掘机上实施的一个商品化产品，开发了集远程无线遥控、故障监控、节能控制于一体的实用化挖掘机。在世界上首先柔性地实现了将负流量控制、正流量控制、交叉功率控制和压力切断控制组合起来的节能控制策略，并建立了控制模型。在此基础上，对挖掘机动力系统的节能控制进行了广泛的研究，利用挖掘机机器人对其节能性和操纵性进行了挖掘试验，取得了良好的控制效果。

    有的高校提出了一种能感受负载的节能液压系统。该节能液压系统能时刻根据负载情况调整泵的压力和流量，使油泵流量恰好满足负载变化要求，而油压仅比负载压力略高一个较小值，达到降低液压系统能量损失的目的。

    行业有关高校对发动机、变量泵、阀和负载作为一个整体进行了研究，采用模糊控制技术实现了发动机与变量泵的全功率匹配，克服了国内外挖掘机节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控制的不足，并且成功的实现了二级溢流控制，通过台架试验取得了良好的节能效果。

    采用多挡变速器和液力变矩器并结合自动变速控制技术，可以在确保牵引力的情况下，将变矩器重新“拉回”到高效区工作，提高液力机械传动的传动效率。多家高校和科研院所在液力自动变速技术的换挡策略开发和换挡品质改善等方面进行了研究，将模糊控制，神经网络等智能控制理论应用于换档控制策略的研究中，在系统仿真，台架试验中取得了一些研究成果。

    在我国，混合动力系统的研究也已经展开，并在工程机械产品上有了突破性进展，推动克混合动力节能液压挖掘机。

    在国外对液压元件的能量损耗主要是元件本身或相互连接处的泄漏、内摩擦。常用的节能液压元件有限压式变量泵、恒功率变量泵、恒压式变量泵、蓄能器、电液伺服阀、集成阀、变截面液压缸等开展细分研究。液压元件的节能研究也是以国外著名的液压元件生产商如派克、力士乐等为主，但由于国际上专业元件生产厂家技术已经相对比较成熟，对工程机械整机的节能研究作用效果不很明显。

    柴油机的节能控制可以采用电子油门控制，卡特彼勒和小松公司开发的柴油机采用了全电子控制技术，控制柴油的喷射量和喷射时间，其特性曲线可以由软件来控制，这样就可以根据不同的作业工况采用不同的特性，最大限度地提高柴油机的动力性能、燃料利用率和排放质量。据资料介绍，卡特彼勒和小松公司的关键配套件完全自己生产，日立除发动机用五十铃外，其余全部为自己产品。

    工程机械整机的节能可以通过改进液压系统；将工作装置回路和回转系统中损失的位能和动能再生利用；自动怠速控制，降低空载时的能量消耗；进行柴油机和液压泵的综合控制等进行。实际应用中，几种节能途径之间各自采用的技术并不是孤立的，它们往往是紧密地结合在一起，互相渗透，形成综合的节能技术。

    日本小松公司的CLSS（ClosedcenterLoadSensingSystem）闭式负荷感应系统由变量泵、多路操纵阀、负载传感阀（LS阀）和液压泵控制阀（PC阀）等组成。LS阀依据液压泵的出口压力与操纵阀的出口压力之差ΔPLS来控制液压泵的输出流量。PC阀根据柴油机不同级别的功率设定，使液压泵的驱动功率不超过发送机功率，实现恒功率控制。电子控制系统的控制功能主要有：液压泵与柴油机的复合控制、液压泵与操纵阀的控制、触式功率增强功能、触式速度下降功能、自动减速功能、柴油机自动加热和过热防止功能、回转控制、行走控制、快速模式功能、快速增加功率和自诊断功能。

    KATO公司的APC（自动输出功率控制）系统所控制的双泵能根据负荷的大小自动调节液压泵的压力和流量，百分之百地利用柴油机输出功率，以适应各种作业工况。根据作业内容与现场状况，始终使柴油机输出转矩与液压泵供油量处于最佳匹配状态。

    日立建机公司的转速感应系统能根据负载（土质、作业速度）的情况，由驾驶员给定其功率模式—轻载、正常和重载模式，系统自动调节柴油机油门开度和液压泵的排量，通过柴油机—液压泵的联合调节，使液压泵的吸入功率等于柴油机的输出功率，同时使柴油机工作在最佳工作点。

    KOBELCO公司的ITCS电子控制系统具有三种工作模式：模糊控制模式、手动模式和破碎机模式。模糊控制模式是优先考虑工作效率的模式，ITCS系统采用模糊推理，可识别挖掘及装载、平整、夯实、撒土等作业内容并自动对其进行辅助，使柴油机输出功率达到最佳化，发挥出最大工作效率，最大限度节约燃油。手动模式优先考虑工作能力的重挖掘模式，能最大限度发挥柴油机的功率以提高作业能力。

    林德公司的负荷传感同步控制系统（LSC）是林德公司专门为挖掘机设计的液压系统。其核心是一个主泵（开式负荷传感泵）和一组带压力补偿功能的主阀组。主阀组为闭中心结构。主泵只向各执行元件提供需要的流量，没有多余的流量输出，因而没有溢流损失；当所有执行元件无动作时，主泵排量基本回到零位，有效降低燃油消耗。该控制系统除了具有功率模式选择、过热保护、自动怠速、自动暖机等功能外，还具有柴油机失速补偿功能。

    通过控制策略来改善液压系统以及发动机——液压系统的功率匹配，虽然对工程机械的节能发挥了重大作用，但并没能从根本上解决能耗问题。混合动力技术对改善发动机的工作条件具有较大的促进作用，在电动汽车领域已经被成功应用。将混合动力技术应用于工程机械，同时配合混合动力驱动系统，开展液压马达能量回收、进出口独立调节、单独驱动等的节能研究具有较好的节能前景。

    近年来，为了提高下一代产品的竞争力和市场占有率，国外各工程机械制造企业高度重视混合动力系统的开发，将它作为工程机械节能降耗、降低排放的重要研究课题。日立建机、神户制钢、小松、新卡特彼勒一三菱等世界上各大工程机械制造商，纷纷开展了混合动力系统在工程机械上的应用研究工作。2003年，日立建机生产出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机，这是混合动力系统在工程机械上的首次应用。2004年5月，小松研制出了世界上第一台混合动力液压挖掘机的试验机型。

    三、节能环保工程机械创新方兴未艾

    针对工程机械液压系统的功率损失，国内外工程机械生产商开发了多种节能控制技术，较好地解决了这一问题。功率匹配损失是由于工程机械的工况复杂，负载变化剧烈，导致柴油机严重偏离经济工作区，造成燃油利用率不高，为解决这一问题，国外很早就展开了研究，对发动机和液压泵采取功率匹配控制，以挖掘机为例，到目前为止，几乎所有的国外公司生产的中型挖掘机都配备了这一控制系统，控制柴油机在各种负载功率条件下都工作在经济工作区。

    在传统的功率匹配控制中，为满足最大负载工况的要求，在工程机械的设计中按照工作过程中的峰值功率来选择柴油机，因此柴油机功率普遍偏大，燃油经济性较差。为解决这些问题，国外各著名工程机械生产厂家普遍将研究开发方向转向了混合动力系统。日立建机，小松，神户制钢，卡特彼勒等公司纷纷推出了自己的混合动力装载机和挖掘机。这些公司普遍采用的是油电混合的解决方案，借助蓄电池、超级电容等储能元件，在小负载工况下由柴油机驱动发电机向储能元件蓄能，在大负载工况下再将储存的能量释放出来驱动电机，作为辅助动力与柴油机一起满足峰值负载功率的要求，或者用电机直接驱动液压系统，实现柴油机输出功率和扭矩的均衡控制。这样，就可以在设计中按照平均负载功率来选择柴油机，用功率较小的柴油机来驱动大吨位机器，而且柴油机的运行工况平稳，始终处于高效运行状态，因此能大幅提高燃油效率。油电混合还可以利用电机控制技术，对每一个液压缸都采用闭式传动方案，消除阀内的节流损失，对回转动能、工作装置的重力势能等进行回收。但是，油电混合技术的能量转换环节增多，系统趋于复杂。降低能量转换过程中的损失，提高电池、电源等部件的寿命、转换效率、可靠性等是今后的油电混合技术发展趋向。

    鉴于油电混合技术的不足，一些公司将研发方向转向液压解决方案，如美国环境署支持研究的液压混合动力装置。在这种解决方案中，利用蓄能器作为储能元件，采用静压传动技术，用来驱动以行走、回转等动作为主的行走设备，如汽车、装载机、推土机等。

    我院对工程机械行业承载的社会责任、科技进步责任、行业可持续性发展和国际化的责任有着清醒的认识，并有一种深切的责任感、紧迫感，我们将劳其心智，以自强不息永争第一的理念，在行业方兴未艾节能环保技术进步种做好研发、服务工作。