第1章 工程機械電動化的背景和意義

1.1 工程機械節能的背景和意義

1.能源危機和環境污染

隨著社會經濟高速發展，我國對石油的需求量也越來越大。從1993年起，我國已成為石油凈進口國，2019年我國進口原油已達5.06億t，對外依存度高達70.8%。《BP世界能源統計年鑒2019》調查報告指出，盡管中國的經濟增長正在放緩且經歷結構轉型，但中國仍保持其作為世界上最大的能源消費國、生產國和凈進口國的角色，其中2018年中國占全球能源消費量的24%和全球能源消費增長的34%。我國連續12年成為全球能源消費增長最主要的來源。研究數據顯示，由于新發現儲油地的進程較為緩慢，且石油消耗量依然維持較高的增長率，若依照現在的趨勢，則全世界石油資源只可用到2038年。我國由于地理位置特殊，石油問題相對于其他發達國家更加嚴重。

從對環境污染的角度來看，內燃發動機消耗的燃油越多，排放出來的污染物也越多，排放中的有害物質包括氮氧化物、碳氧化物以及硫氧化物等。這些有害物質的排放不僅會危害人體健康和嚴重影響植物正常生長，而且會導致氣溫異常變化。隨著城市化、工業化發展，內燃發動機驅動型車輛的有害排放物已成為城市空氣的主要污染源。

2.日益嚴格的排放標準

全球環境污染不斷惡化，世界各國十分重視綠色環保問題。美國自2011年1月1日起，對于非道路使用的中、重型柴油發動機和功率大于560kW的大功率內燃發動機，實施了Tier4排放標準；自2013年1月4日起，歐盟宣布對部分新款公共汽車和重型載貨車輛執行歐Ⅳ排放標準。為防治污染、保護和改善生態環境，我國也于2014年6月發布了《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（GB 20891—2014）國家標準，該標準規定自2014年10月1日起，凡進行排氣污染物排放型式核準的非道路移動機械用柴油機都必須符合標準第三階段要求，進一步減輕因為此類機械設備不斷增長的保有量和使用量給環境帶來的壓力。2018年，生態環境部發布的《非道路移動機械污染防治技術政策》提出，以柴油機等內燃發動機作為動力的非道路移動機械至2020年要求達到國四的排放標準，至2025年達到國際先進排放標準。

3.工程機械油耗大和排放差

作為內燃機產品除汽車行業之外的第二大用戶，工程機械所用柴油發動機排量大、油耗高，但由于我國內燃發動機研發水平和經濟成本的雙重壓力使得我國工程機械的排放標準難以升級，與汽車行業相比更為寬松，因此對環境的污染比其他內燃機使用行業更為嚴重。統計數據表明，工程機械領域中污染物的排放量占全部移動機械排放源排量的14%，已成為全球環境最為嚴重的污染源之一。以挖掘機為例，其燃油消耗量占全國各行業燃油消耗量的9.7%，是不可忽視的主要污染排放源。在一些特殊的作業環境下，如封閉的隧道、高原環境、市區作業、礦山作業，傳統工程機械依然存在較多問題。

以某型號20t挖掘機為例，每小時的耗油量在20~30L左右，相當于一輛小型汽車行駛300~450km的耗油量；在正常工作相同時間內，一臺20t挖掘機的廢氣排放量相當于30輛小型汽車的廢氣排放量。因此，工程機械行業節能減排責任格外重大。

4.節能減排符合國家發展規劃

2011年，中國工程機械行業協會發布的“十二五”產業發展規劃中，將“開展工程機械產品節能技術研究和工程機械產品能源多樣性技術研究”作為“十二五”期間重點突破的科技發展目標。在“十二五”期間，節能減排、綠色制造成果豐碩。在節能技術方面實現輪式裝載機節能5%~12%，液壓挖掘機節能5%。通過產品結構優化和輕量化設計，裝載機、叉車等產品取得降低整機質量5%~8%。減振降噪的科技攻關也取得重大突破，裝載機整機噪聲降到72dB，液壓挖掘機整機噪聲降到71dB，達到了國際先進水平。全行業單位工業增加值綜合能耗從2010年的0.0758t標煤/萬元，到2014年下降為0.0688t標煤/萬元，整體保持下降趨勢。2016年3月28日發布的“十三五”產業發展規劃中將綠色節能產品繼續列為“十三五”期間行業需要重點開發的九大類創新產品之一，力爭在“十三五”期間實現我國工程機械提質增效升級，產業能耗強度下降，綜合利用率大幅提升。因此，從長遠來看，節能環保型工程機械將成為市場的基本準入標準，節能技術研究可以為國家、社會乃至用戶帶來顯著的經濟社會效益。

5.彎道超車，實現工程機械強國夢

我國工程機械產業經過多年的發展，已經成為我國的支柱產業。但我國是一個工程機械大國，而不是工程機械強國。尤其是在內燃發動機和高端液壓件方面一直無法超越發達國家。而在發展新能源工程機械上，中國與發達國家站在同一起跑線上，且還在關鍵技術領域處于領先地位。但是與汽車相比，工程機械的工況波動更為劇烈，工作模式更為復雜，汽車領域的電動化技術并不能直接移植到工程機械領域。因此，以工程機械電動化為契機，推進工程機械進程，不僅可以實現在液壓行業引領全球，也可以從整體上推動我國工程機械技術的發展，實現我國從工程機械大國邁向工程機械強國的目標。

綜上所述，工程機械的節能效果已成為衡量其先進性的一項重要指標，國內企業生產的工程機械產品能量利用效率低下、排放污染嚴重、噪聲大，因此，在未來相當長的一段時間內，節能減排仍然是工程機械行業的重要研究方向。在此背景下，國家在環保方面對工程機械企業實施一些技術整改政策，主要集中在排放標準的升級和新能源使用兩個方面。環保型產品的研發已經關系到企業的生存與發展，工程機械企業紛紛努力尋求新的節能減排技術突破，以提高產品的市場競爭力。與此同時，我國工程機械行業也逐漸開始了技術升級和創新，環保節能型產品是未來的發展方向。