1.2 工程機械動力節能技術

為適應惡劣的工作環境和劇烈波動的負載，工程機械主要以機械式柴油發動機為原動機，通過液壓系統來傳遞動力。受制于負載工況的劇變特性，動力源、液壓系統和負載較難完全匹配，使得內燃發動機的燃油經濟性較差，能量損失十分嚴重。隨著電噴內燃發動機、高效率液壓柱塞泵、馬達以及其他液壓元器件等的裝機應用，工程機械的能量利用率得到一定提高。但動力源、液壓系統和負載三者之間的功率不能實現完全匹配始終是工程機械難以克服的問題，且該難點造成內燃發動機和液壓系統的能量損失各占工程機械總能量損失的35%左右。此外，隨著世界各國對綠色節能與環保問題的日益重視，特別是在城市的園林建設和市政工程中，柴油發動機的廢氣排放和噪聲污染是需要重點解決的問題。對此，國內外對工程機械動力技術均做了大量的研究。如圖1-1所示，主要包括基于傳統柴油發動機的功率匹配技術、混合動力技術、新型內燃發動機技術以及電驅動技術等。

1.2.1 基于內燃發動機的功率匹配技術

如圖1-2所示，由于內燃發動機輸出功率隨外負載功率劇烈波動，使內燃發動機工作點分布在各個效率區，導致內燃發動機燃油經濟性差。而影響工程機械燃油經濟性的一項主要因素是系統的功率匹配。功率匹配主要是采用先進的控制技術，如分工況控制、轉速感應控制、恒功率控制、變功率控制、內燃發動機停缸控制以及自動怠速控制等來降低燃油消耗率。這些控制技術在一定程度上提高了動力系統的節能效果，已經被用戶和制造商廣泛應用于工程機械產品中。

1.分工況控制

作為一種典型的工程機械，液壓挖掘機能完成多種作業內容：挖掘、裝載、破碎、整修和平地等。不同的作業和使用工況中液壓泵對功率的需求是不一樣的。因此，為了根據實際使用要求來對柴油機和液壓泵進行優化匹配，需要進行分工況控制。目前液壓挖掘機都有不同的動力模式可供選擇，如怠速工況、輕載工況、經濟工況和重載工況等，可保證系統既節能高效，又能夠滿足不同的功能需求。

以國內某廠家的傳統20t級液壓挖掘機為例，內燃發動機的擋位通過旋鈕分成十個擋位，駕駛人可以通過顯示屏設定負載模式（重載、中載和輕載）。不同擋位、不同負載模式時變量泵的比例電磁鐵控制電流的對應關系見表1-1~表1-3。分工況控制實際上就是內燃發動機輸出功率的分段輸出，因此也必須限制變量泵變量機構的電比例減壓閥的控制電流來調整變量泵的吸收功率。

在分工況控制中，內燃發動機的油門位置由駕駛人根據負載的類型按重載、中載和輕載等設定，功率匹配主要通過調整液壓泵的排量來最大程度地吸收內燃發動機的輸出功率以及防止內燃發動機熄火。因此，分工況控制具有以下特點。

1）只有在最大負載功率下，內燃發動機-液壓泵-負載的功率才能匹配得較好，使內燃發動機工作點位于經濟工作區。

2）由于挖掘機工況復雜，負載波動劇烈，在實際工作中，最大和最小負載功率是交替變化的。在大部分場合下，雖然液壓泵吸收了內燃發動機在其工作模式下所對應的最大輸出功率，但負載所需功率遠遠小于內燃發動機的輸出功率，所以內燃發動機輸出軸上的轉矩也劇烈波動，使內燃發動機在小負載時工作點嚴重偏離經濟工作區。因此，這種傳統的功率匹配是不完全的。

3）為滿足最大負載工況的要求，在挖掘機的設計中必須按照工作過程中的峰值功率來選擇內燃發動機，因此內燃發動機裝機功率普遍偏大，燃油經濟性差。如果按平均功率選擇內燃發動機，容易造成內燃發動機過載，導致內燃發動機過熱。

2.轉速感應控制

當柴油機運行在最大功率點時出現過載，其轉速會急劇下降直至熄火。轉速感應控制中系統實時檢測內燃發動機的轉速，若發現失速，控制器立刻發出控制信號降低液壓泵的排量，進而降低液壓泵的吸收功率，可以有效防止失速停車的現象發生。因此，轉速感應控制實際上更多是基于內燃發動機的熄火保護，而不是節能優化。圖1-3為轉速感應控制曲線，具體工作原理如下。

1）內燃發動機的目標轉速通過內燃發動機控制表盤控制。

2）整機控制器計算出轉速傳感器所檢測的實際轉速和發動機的目標轉速的差值，然后整機控制器根據一定的算法產生輸出信號，并將控制信號發送到轉矩控制電磁閥。

3）轉矩控制電磁閥根據整機控制器的信號將先導壓力油供給泵，調節控制泵流量。

4）如果內燃發動機的負載增加且實際轉速比目標轉速慢，則泵的斜盤傾角減小，泵輸出流量減少，使發動機的負載減小，以防止發動機失速。

5）如果內燃發動機的實際轉速比目標轉速快，則泵斜盤傾角加大，使泵輸出流量增加，這樣可以更有效地利用內燃發動機的輸出功率。

3.恒功率控制

在實際操作中，操作人員不可能根據實際工作情況隨時調節柴油機的調速拉桿，只能對當前工作進行經驗判斷，將調速拉桿固定在某一位置來完成工作。因此，柴油機只有一個最大功率點。為了保證內燃發動機的輸出功率得到充分利用，需要對液壓泵進行相應的恒功率控制。如圖1-4所示，液壓挖掘機等多執行器復合控制的工程機械一般采用雙泵雙回路系統。在這種回路中分別對兩個液壓泵進行全功率控制、分功率控制以及交叉傳感控制，保證柴油機處于最大功率點時輸出功率被液壓泵充分吸收，提高工作效率。但恒功率控制只保證了內燃發動機-液壓泵之間的功率匹配，而忽視了液壓泵-執行器之間的功率匹配，因此仍然會存在總功率損失。

4.變功率控制

針對恒功率控制的缺點，很多學者重視起柴油機-液壓泵-執行器聯合功率匹配控制的研究。高峰等學者提出一種挖掘機載荷自適應節能控制方案，由于負載的波動經液壓系統傳遞后表現為液壓泵出口壓力的波動，因此通過實時檢測液壓泵出口壓力的變化來控制柴油機調速拉桿位置，使得柴油機輸出功率與系統實際所需功率相匹配，從而提高能量利用率。但是由于反饋信號只有壓力，并不是真正意義上的功率反饋，因此也無法實現柴油機功率的完全匹配。

工程機械的負載變化具有復雜性和多樣性，為了進一步提高燃油利用率和整機效率，往往需要綜合以上兩種或者幾種功率匹配控制方法。圖1-5為一種恒功率與變功率聯合的控制策略，控制器綜合各種反饋信號，同時對內燃發動機和液壓泵進行控制，使內燃發動機-液壓泵-負載達到良好的匹配。

5.內燃發動機停缸控制

在工程機械的一個作業循環中，液壓泵的瞬時功率較大而輸出功率平均值較小，發動機的負荷變化劇烈，為了動態地匹配內燃發動機和液壓系統的功率，在分功率控制的基礎上，太原理工大學權龍教授團隊進一步提出采用發動機停缸控制的方法，在小負荷或怠速時切斷部分氣缸的供油進行內燃發動機停缸控制，提高內燃發動機的負荷率；在大負荷時恢復供油，使內燃發動機跟蹤負荷工作在高效區域，降低燃油消耗，減少排放，提高內燃發動機在工程機械整個工作循環中的燃油經濟性，并保證整機的動力性和較低的制造成本。圖1-6為試驗測試挖掘機重載模式下（內燃發動機轉速2200r/min），內燃發動機全部氣缸工作和內燃發動機第1缸斷油停缸時的油耗對比曲線。經測試可知：在重載工作模式下，采用停缸控制技術能使每個工作循環油耗量平均下降13%。內燃發動機轉速越高，部分負載工況下越是偏離其高效區，停缸節能效果越明顯。試驗測試也表明，當發動機工作在2000r/min的經濟模式下，停缸控制技術能使每個工作循環油耗量平均下降11%。

綜上所述，基于傳統內燃發動機的功率匹配控制能夠在一定程度上提高發動機輸出功率的有效利用率以及防止熄火，但是由于內燃發動機輸出功率波動較大，效率較低，并且只有在最大負載功率下，柴油機與液壓泵的功率才能得到較好的匹配，因此節能空間十分有限，且仍存在排放差和噪聲大等問題。

1.2.2 混合動力技術

混合動力技術是國際上公認的節能最佳方案之一。最初在汽車領域取得成功，后來受到各工程機械制造企業的青睞，紛紛開展了混合動力系統的研究，逐漸成為工程機械節能減排的重要方案。根據其儲能裝置的不同，混合動力系統主要包括油電混合動力和液壓混合動力。基于不同的儲能元件，利用電動/發電動機或者泵/馬達的削峰填谷作用，對內燃發動機輸出轉矩進行均衡控制，從而降低內燃發動機的功率等級，使內燃發動機工作點始終位于經濟工作區；同時基于電量儲存單元也可以對回轉制動動能和機械臂的重力勢能等進行電氣式回收與再利用。

混合動力系統的功率特點如圖1-7所示。

1.油電混合動力技術

根據原動機配置形式的不同，油電混合動力可分為串聯式、并聯式和混聯式。混合動力系統中的超級電容和蓄電池作為蓄能元件，可以維持內燃發動機工作在高效區內，提高燃料的利用率，降低尾氣排放。在綜合考慮了系統的節能、排放、布局和成本等因素的基礎上，工程機械上應用的油電混合動力驅動方式主要有兩種：串聯混合動力驅動方式和并聯混合動力驅動方式，而結構設計更加復雜的混聯式混合動力系統還沒有成熟的應用。

油電混合動力的優點主要體現在以下三個方面：①利用電動/發電動機的削峰填谷作用，對內燃發動機輸出轉矩進行均衡控制，不僅可以降低內燃發動機的功率等級，而且能使內燃發動機工作點始終處于經濟工作區；②基于油電混合動力系統中的電量儲存單元，可對回轉動能和機械臂的重力勢能等進行回收；③利用電動機控制技術，對每一個執行器都采用閉式傳動方案，從而取消了多路閥控制，徹底消除了閥內的節流損失。

近年來，采用內燃發動機和電動機進行復合驅動的油電混合動力挖掘機成為了國內外的研究熱點之一。目前，國內外有多個行業巨頭和科研機構正在進行油電混合動力挖掘機的研發，國外有小松、日立建機、神鋼、卡特彼勒、凱斯、早稻田大學、首爾大學、蔚山大學等，國內有浙江大學、三一重工、中聯重科、山河智能、柳工、徐工、江麓機電、吉林大學、中南大學等。

（1）國外研究現狀

2004年5月，小松研制出了世界上第一臺油電混合動力液壓挖掘機；2006年，紐荷蘭與神鋼聯合研制推出了7t串聯式油電混合動力液壓挖掘機；2008年6月，小松率先推出世界首臺20t級PC200-8型油電混合動力挖掘機，采用并聯式混合動力系統；2009年5月，凱斯推出CX210B型混合動力挖掘機；2011年，日立建機在“2011NEW環境展”上推出了油電混合動力液壓挖掘機“ZH200”，燃油效率比該公司原產品“ZX200-3”提高了20%；2011年，小松在北京BICES2011展會上推出了新一代油電混合動力液壓挖掘機HB205-1，實現了對發電動機、回轉電動機、內燃發動機的最佳控制；神鋼建機在BICES 2011上也展出了油電混合動力液壓挖掘機SK80H-2，該挖掘機可降低40%的CO₂排放，降低燃耗20%；2012年4月，法國巴黎舉行的INTERMAT2012展會上，日本小松又推出了HB215LC-1第二代混合動力液壓挖掘機；2013年，在德國慕尼黑工程機械寶馬展上，利勃海爾推出了世界上第一臺油電液混合驅動R9XX概念型混合動力液壓挖掘機。這款挖掘機整機質量約為40t，將電能回收技術與液壓能回收技術相結合，提出了“液壓-電-能量管理”的技術。該挖掘機工作時，上車平臺回轉由電動機驅動，可實現回轉制動時的能量回收，所回收的電能儲存在超級電容中；動臂下降時通過液壓方式將其勢能轉化成液壓能，并儲存在蓄能器中，這樣就最大程度上減小了液壓系統的節流損失。這些儲存在超級電容和蓄能器中的能量，不僅可以用來驅動回轉和動臂的提升動作，還可以分別通過安裝在內燃發動機上的電動機以及可逆泵/馬達輔助驅動內燃發動機工作。該集成動力系統可實現兩倍于內燃發動機裝機功率的峰值驅動能力。因此，R9XX僅需要配備160kW的內燃發動機即可，而通常情況下，40t級的液壓挖掘機至少需要使用200kW左右的內燃發動機才能滿足系統對動力的要求。國外油電混合動力液壓挖掘機樣機如圖1-8所示。

串聯式油電混合動力的代表是神戶制鋼所的串聯式油電混合動力液壓挖掘機，動力系統如圖1-9所示，該系統同時采用蓄電池和超級電容為儲能元件，綜合了蓄電池比能量高和超級電容比功率高的優點。這種串聯式結構中，內燃發動機與負載之間無直接機械連接，因此內燃發動機工況穩定，排放低；但是由于內燃發動機輸出的能量要經過機械能-電能-機械能的轉換流程才能驅動液壓系統，因此效率較低，元件的裝機功率較大。

并聯式油電混合動力液壓挖掘機的代表是小松公司采用并聯式油電混合動力驅動的液壓挖掘機系統方案，如圖1-10所示。該系統的特點在于內燃發動機輸出的能量并不是全部用來發電，而僅僅是將驅動液壓泵剩余部分的機械能通過電動/發電動機轉化為電能，經整流儲存在儲能單元中并再利用。與串聯式系統相比，并聯式油電混合動力系統的布局比較復雜，對控制系統的要求比較高，但內燃發動機的裝機功率相對要小，能量轉化流程較短。因此整體驅動效率較高，油耗較低。

（2）國內

國內的浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室自2003年開始油電混合動力液壓挖掘機的研究工作，在動力復合模式與參數優化、動力系統控制、電動回轉及制動能量回收、機械臂勢能回收等關鍵技術方面進行了系統性的研究，并成功研制了集整機能量管理與控制、內燃發動機工作點動態優化、電動回轉制動能量回收、機械臂勢能回收等技術為一體的油電混合動力液壓挖掘機綜合試驗樣機，如圖1-11所示。

此外，在國家科技部863重點項目的推動下，國內其他各研究單位（吉林大學、北京理工大學，太原理工大學、中南大學、上海交通大學等）和各主機廠家（三一、山河智能、柳工、江麓機電等）從2008年開始積極開展油電混合動力液壓挖掘機樣機的研制，也先后推出了各自的油電混合動力液壓挖掘機，如圖1-12所示。山河智能、柳工、徐工、三一、江麓機電等推出的機型采用并聯式油電混合動力系統，上車機構采用一個電動/發電動機代替液壓馬達進行驅動，并通過該回轉電動/發電動機來回收上車機構的回轉制動動能。

2.工程機械油電混合動力系統的不足之處

目前，雖然油電混合動力技術在工程機械的節能減排方面取得了一定的成績，但油電混合動力系統同樣具有以下不足之處，限制了該系統的進一步產業化。

（1）能量轉換環節較多，導致效率不高

由于能量轉換經歷了內燃發動機、發電動機、電量儲存單元、電動機、液壓泵、液壓缸、液壓馬達等多個環節，每一個環節都存在能量損失，因此導致整個轉換過程中的能量損失較大，從而在一定程度上抵消了采用這種技術所能取得的節能效果。同時由于能量存儲裝置（蓄電池）的功率較小，短時間無法接收和釋放較大的能量。因此所吸收的制動能量少（對于制動能量的回收效率只有20%左右），效率低。

（2）成本高

油電混合動力技術使工程機械動力系統從結構上發生了根本變化，對整機制造體系影響巨大，從而造成生產成本的上升，尤其是油電混合動力系統中的電能儲存單元的價格偏高，這些缺點無疑嚴重制約了油電混合動力技術在工程機械上的應用。

（3）系統過于復雜

系統越復雜，技術要求越高，如蓄電池壽命、電源轉換效率、重量、可靠性等，都有待進一步提高。用于油電混合動力系統的電動/發電機必須要同時具備可控性好、容錯能力強、噪聲低、效率高、對電壓波動不敏感等性能特點。

3.液壓混合動力技術

液壓混合動力系統的輔助動力裝置由能量轉換元件（液壓泵/馬達）和儲能元件（液壓蓄能器）組成，利用液壓蓄能器能量暫存特性和液壓泵/馬達可工作于四象限的特點，對內燃發動機進行功率調峰和再生制動。系統工作時，液壓輔助動力裝置主動調節內燃發動機工作于燃油經濟性較高區域，根據控制策略可以單獨或與內燃發動機一起輸出動力；制動時，液壓泵/馬達將制動能轉換成液壓能，儲存在液壓蓄能器中，在隨后的起動、加速或正常運行工況，制動過程中回收的液壓能通過液壓馬達釋放出來，輔助內燃發動機或者單獨驅動車輛行駛。

液壓混合動力技術能顯著降低油耗和提高經濟性，主要體現在以下四個方面。

（1）運用再生制動技術回收制動能，減少了能量損耗

傳統裝載機、推土機等在減速或者制動時，大部分的動能都以制動蹄片的摩擦、內燃發動機的機械摩擦、泵損失等形式耗散。同理，傳統液壓挖掘機在機械臂下放和轉臺制動時也存在大量的負值負載消耗在節流口上。液壓混合動力系統采用液壓二次元件（液壓泵/馬達）和液壓蓄能器可以對負值負載進行能量回收，在裝載機加速或起動時釋放或者液壓挖掘機驅動重載時釋放，輔助內燃發動機驅動負載，從而減少內燃發動機的輸出功率。

（2）降低了內燃發動機的裝機功率，提高了經濟性

在液壓混合動力系統中，液壓泵/馬達還具有為內燃發動機提供功率輔助輸出的作用。工程機械在正常工作時并不總是需要內燃發動機提供峰值功率，在降低內燃發動機的排量時，液壓馬達為內燃發動機提供短暫的峰值功率，使得車輛的動力性并未因內燃發動機排量的降低而減弱。同時內燃發動機排量減小帶來的另外一個優勢是，在給定的負荷條件下，排量小的內燃發動機摩擦損失、熱損失等方面都較小。

（3）運用主動調節技術穩定和優化內燃發動機工作點

由于利用液壓二次元件的液壓混合動力系統對內燃發動機的輸出特性具有“削峰填谷”的作用，控制變量液壓泵/馬達的功率狀態，可以使內燃發動機持續運行在高效區域。同時減小燃燒不充分帶來的效率低下和排放惡化。此外，由于內燃發動機的工況更為平穩，因此可以采用一個國產的內燃發動機代替進口內燃發動機，同樣提高了經濟性，而這點往往被忽略。

（4）通過內燃發動機怠速來優化節能效果

裝載機在作業時，內燃發動機平均有20%的時間處于怠速狀態。當內燃發動機處于怠速或車輛減速時，將內燃發動機關閉能降低大約5%~8%的燃油消耗。與傳統的起動電動機相比，液壓混合動力工程機械使用的大功率液壓泵/馬達（工作在馬達模式）能夠快速起動內燃發動機，在起動初期的0.5s之內就把內燃發動機拖動到正常怠速時的轉速之上，降低了油耗，減少了燃料的不完全燃燒時間及由此引起的尾氣排放量。

液壓混合動力技術改善內燃發動機尾氣排放的途徑表現在以下三個方面：①混合動力整機的經濟性提高，直接降低了油耗量。②優化了內燃發動機的工作點，降低了污染物排放的強度。③內燃發動機動態過程相對穩定，為內燃發動機排放的后處理降低了技術難度。

總體上，油電混合動力技術和液壓混合動力各具有自身的優勢和不足之處，而且其優缺點也是針對不同時代的技術而言。在現有的技術條件下，與油電混合動力技術相比，液壓混合動力技術具有以下優勢。

（1）功率密度大

能量密度和功率密度是儲能元件最重要的兩個參數。由圖1-13和表1-4可知，從能量密度來看，蓄電池（30W·h/kg）和超級電容（10W·h/kg）優于液壓蓄能器（1.9W·h/kg），可以長時間提供能量；從功率密度角度來看，液壓蓄能器（2500W/kg）優于其他能量存儲方式（鉛酸蓄電池200W/kg，鎳氫蓄電池650W/kg，超級電容1000W/kg）。只有高功率密度系統才能在短時間內滿足制動時的能量轉換和儲能要求。雖然超級電容的功率密度、效率、放能度和環保性能優良，但其較高的使用成本和尚不成熟的技術限制了其應用。從整體上看，液壓混合動力具有較高的能量密度，液壓元件（液壓泵、馬達、液壓蓄能器）的平均功率密度（1458W/kg）是電傳動元件（發電機、電動機、蓄電池）平均功率密度（283W/kg）的5.15倍多。因此，對于同等功率的混合動力工程機械，液壓混合動力技術可以大大減少質量。與其他能量存儲方式相比，液壓蓄能器更適用于中重型城市公共汽車、載貨車輛和工程機械。

（2）循環效率高

循環效率指制動動能從驅動軸進入能量回收系統到回收的能量再次進入驅動軸的效率。與油電混合動力系統相比，液壓混合動力系統的能量轉換元件——液壓泵/馬達與電動/發電機的效率相差無幾（約89%～93%），但液壓混合動力系統沒有多次能源轉換的循環效率和時間效應的影響。由圖1-14可見，液壓儲能系統的循環效率明顯高于蓄電池系統，甚至高于超級電容系統。新型復合材料蓄能器的出現和液壓泵/馬達技術的提高，使得液壓儲能系統的能量循環效率得到了進一步的提升，循環效率可達82%。

（3）成本較低

液壓元件目前已經非常廣泛地應用在工業的各個領域，其中工程機械大量采用液壓驅動方式，經受了各種復雜工況的考驗，已經作為工業通用元件大批量生產，因此具有較低的制造成本。而油電混合動力系統中的蓄電池、超級電容、高性能永磁電動/發電機及控制器等成本居高不下。與其他類型的儲能系統相比，液壓儲能系統價格更為低廉。以20t液壓挖掘機為例，液壓混合動力增加的成本大約為6萬元，而油電混合動力系統增加的成本至少17.5萬元以上，見表1-5。

（4）對環境污染小

蓄電池的使用是不可逆的過程，蓄電池含有大量的有毒原料，如濃縮酸和重金屬等，報廢后如果處理不當會對環境造成很大的污染。而液壓元件的使用具有可逆性，其傳動介質是礦物油，目前在大力研究的水液壓傳動更使液壓傳動具有良好的環保性能。

（5）可靠性高

液壓元件有很成熟的使用經驗，有強度較高的外殼，能夠承受較大的外力作用，同時其內部的動力傳遞及存儲是物理過程，使用較為安全。液壓蓄能器殼體強度大，能夠承受來自內部的極限壓力，使用壽命長，適于多次、快速、大能量流的能量存儲。在工作時可以在液壓蓄能器的出口設置一個安全閥，來保證液壓蓄能器的工作壓力不會超出其合理范圍。即使在停機時，液壓儲能系統還可以自動卸壓，避免了自燃、爆炸等危險的發生。液壓儲能系統可工作于惡劣環境下，受高溫、嚴寒和潮濕的影響明顯小于油電混合動力系統。液壓蓄能器已廣泛地應用于工業領域，技術成熟。因此，液壓混合動力系統可靠性更高，易于集成，設備維護簡單。而蓄電池內部的能量存儲和釋放主要是化學過程，安全性不易得到保證。

（6）儲能裝置重量輕

油電混合動力車輛采用蓄電池或者超級電容等作為能量存儲單元，蓄電池通常采用鎳氫電池和鈉氯化鎳電池，液壓混合動力系統采用液壓蓄能器來存儲能量。對于同一類型的混合動力系統，鎳氫蓄電池和鈉氯化鎳蓄電池儲能系統質量比液壓儲能系統高出近1倍，超級電容系統的質量也比液壓儲能系統高出40%。雖然工程機械由于自身需要配置一定質量的配重，元件質量的增加可以通過合理設置配重來抵消元件質量的增加。但當前在配重位置放置儲能元件的方式，由于配重難以裝卸的特點，也存在維修不方便等不足之處。因此，更輕的儲能系統可以為工程機械合理布置儲能元件提供更大的靈活性。

美國卡特彼勒在2012年推出了以液壓蓄能器為儲能元件的第一款液壓混合動力挖掘機Cat336eh，如圖1-15所示。不同于其他混合動力產品，該機型以回轉制動能量回收為主要節能途徑，在一個典型的15s裝載和卸載循環中有兩次起動和停止。當回轉減速時，液壓系統回收能量，當再次起動回轉時能量被重新利用。與普通機型相比，該系統的油耗降低約25%。

美國普渡大學的Monika Ivantysynova教授等成功研發出采用直接泵控技術的6t液壓混合動力挖掘機，整機回路原理如圖1-16所示，液壓混合輔助動力單元采用轉矩耦聯方式接入系統。經試驗驗證，在保持相同工作效率的前提下，較同規格機型降低內燃發動機裝機功率50%，較現有負載敏感系統節約燃油50%左右。

國內針對挖掘機整機的液壓混合動力研究主要有浙江大學、哈爾濱工業大學和華僑大學等高校以及部分主機廠，如圖1-17所示。其中山河智能推出的ES系列液壓混合動力液壓挖掘機集成了包括多液壓缸機械臂能量回收、回轉流量自匹配等多項技術。與傳統同級別液壓挖掘機相比，節能效果明顯，整機油耗最大可降低27%，作業效率提高25%以上。此外，徐工、三一均推出了相應的液壓混合動力液壓挖掘機。

4.混合動力技術的瓶頸

綜上所述，無論是油電混合動力技術，還是液壓混合動力技術，當前混合動力技術始終不能全面普及的原因如下。

1）與車輛不同，工程機械大都為單泵多執行器的系統，內燃發動機功率并不能輕易降低，導致內燃發動機的節能效果比較有限。

2）由于液壓回路較長，負載的波動并不能真正實時地傳遞到液壓泵；同時，由于蓄電池充放電速度、液壓泵/馬達或電動/發電機等混合動力單元難以精確控制轉矩和轉速，因此動力系統的混合動力單元難以實時動態補償負載的波動。

3）油電混合動力系統中的能量轉換環節較多，且對負載波動劇烈的工程機械來說，油電混合動力系統的電能儲存單元更適合采用超級電容，但目前超級電容的價格昂貴。

4）液壓混合動力系統采用液壓泵/馬達-液壓蓄能器作為能量轉換和儲能單元，雖然液壓蓄能器功率密度大，全充全放能力強，但是液壓蓄能器的能量密度小，在吸收內燃發動機富余功率和長時間提供能量方面不如油電混合動力系統，且液壓泵/馬達的噪聲問題也會對其應用領域產生制約。

5）混合動力系統的主要動力單元仍然是柴油發動機，難以從根本上解決排放污染差，噪聲大等問題。

1.2.3 CNG/LNG工程機械

天然氣作為燃料，有CNG與LNG的區別。CNG是壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG），是天然氣加壓（超過3600lbf/in,1lbf/in=6894.76Pa）并以氣態儲存在容器中，它與管道天然氣的成分相同。液化天然氣即為液態的天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），是天然氣經過低溫冷凝等一系列處理，使天然氣在超低溫（-162℃）常壓狀態下液化，成為液化天然氣。由于CNG與LNG密度比為1∶3，所以LNG發動機的續航能力更長，在工程機械上更具有發展的潛力。

普通的柴油工程機械設備的主要排放物是一氧化碳以及一些氮氧化物，都屬于主要的大氣污染物；而LNG工程機械設備只排放二氧化碳和水，不排放氮氧化物。據統計，LNG工程機械設備能減少93%的一氧化碳、33%的氮氧化物和50%的活性烴氣體排放。可見，大規模使用LNG工程機械產品將對我國防治大氣污染、保護環境起到至關重要的作用。

目前，中國品牌主機企業在LNG產品開發中取得一定成果，如在裝載機方面，徐工LNG裝載機在世界上率先應用和實現批量銷售（徐工2011年在北京BICES展會上推出了全球第一臺LNG裝載機）；同時，雷沃重工、臨工、廈工等也相繼推出了LNG裝載機系列。在挖掘機方面，山重建機的LNG挖掘機也在世界上率先得到應用，并取得一定成績（山重建機2012年在上海Bauma展上展出了LNG挖掘機）。另外，LNG在混凝土機械上也取得很好的應用，中聯重科、三一重工和中集凌宇還推出了多款技術成熟的混凝土攪拌車等。

然而，LNG發動機也存在一些問題需要解決：

1）燃氣發動機與同級別柴油發動機相比，動力性能還有差別。例如，在重負載工作時，動力調節滯后，不能很好地適應負載變化。

2）不能在密閉的空間里作業。LNG氣瓶在內部壓力高時，會通過放氣閥門釋放瓶內壓力，以保證瓶內壓力在安全壓力內。

3）LNG氣體加注時，需要特殊設備。目前LNG工程機械車輛在工地上加注具有很大的局限性，這在一定的程度上限制LNG的推廣使用。

但是與普通柴油發動機相比，LNG發動機排放污染物明顯減少。研究表明，CO₂減少23%、SO₂減少70%、CO減少50%，為LNG發動機尾氣或作為燃料使用時排放滿足更加嚴格的標準創造了條件，這對改善LNG發動機尾氣對大氣的污染具有十分重要的意義。

天然氣裝載機和挖掘機的外形如圖1-18所示。

1.2.4 雙動力工程機械

雙動力工程機械是采用內燃發動機與電動機雙獨立動力源的驅動模式。內燃發動機與電動機可單獨工作也可同時輸出，可根據工作場合及要求選擇不同的驅動方式。該類型工程機械的工作方式較為靈活、噪聲低，既可保證工程機械的爆發能力，又可在一定程度上減少排放，但雙動力方案成本較高，控制策略較為復雜，且并未從根本上取代內燃發動機。有代表性的雙動力挖掘機主要包括卡特彼勒的300.9D VPS、威克諾森的803 Dual power和竹內的TB216H。

如圖1-19所示，卡特300.9D VPS是一款1t級的微型挖掘機，采用洋馬9.7kW內燃發動機，VPS意為多功能動力系統。該機在卡特300.9D挖掘機的基礎上，允許機器與其他單獨的液壓動力單元一起工作，卡特彼勒標配的移動動力單元是卡特HPU300。卡特HPU300采用2輪小車式底盤，質量192kg，安裝有一臺三相交流電動機，電壓480V，功率7.5kW，通過液壓泵，可對外提供20L/min、19MPa的液壓油。連接軟管長度為10m，可保證損失的能量最小。在室外工作時，卡特300.9D VPS可不外接HPU300動力單元，使用自身的柴油機作為動力，而在室內或者緊鄰建筑物工作時，則可接上動力單元，并接通電源，使用電力作為動力，這樣即可實現零排放和低噪聲。為減少牽引鉤等裝置，HPU300動力單元的運輸采用馱運的方式，即挖掘機用推土鏟托起動力單元，將其掛在車體后部進行移動。當然，短距離移動則通常采用人力推動。

如圖1-20所示，德國威克諾森803 Dual power挖掘機與卡特300.9D VPS & HPU300組合非常類似，該機以威克諾森803挖掘機為基礎，通過安裝外接動力適配裝置，并接上HPU8動力單元，就變身成為雙動力挖掘機。威克諾森803 Dual power與卡特300.9D VPS & HPU300組合在技術參數上也比較接近。挖掘機都是1t級，但功率稍大，內燃發動機也采用洋馬，功率11.5kW，HPU8上的電動機功率為9kW，液壓方面與卡特的相同，另外其軟管長度為12m，略長于卡特。動力單元的移動方式也與卡特相同。

如圖1-21所示，與上述兩款不同，竹內TB216H挖掘機采用了更加簡潔的解決方案，該機以2t級的竹內TB216H挖掘機為基礎，直接增加了一臺三相交流電動機。由于微型挖掘機本來就很緊湊了，機體內沒有多余的空間，因此增加的部分如同掛在了車體之外。為了避免增加新的動力傳動裝置，產生布置和安裝的麻煩，竹內TB216H為電動機配套了獨立的液壓泵及相應的管路。該機采用的洋馬內燃發動機功率為11.1kW，480V電動機的功率為10.6kW。在運用上，竹內TB216H挖掘機與前述兩款基本類似。要用一句話總結與上述二者的區別，那就是卡特彼勒和威克諾森采用分體式設計，而竹內將外置動力單元集成在機體上。因此與上述二者的區別也就體現在集成與分體上。集成式的無疑更簡潔，也無需頻繁連接，減小了液壓系統污染的可能性，但電纜會相對麻煩。分體式的更靈活，戶外工作可以不接動力單元，在室內工作時可以將動力單元停在電纜擺放方便的位置。同時，分體式的可以在現有型號上簡單改造，而集成式的就需要專門設計。

無論哪種形式，雙動力挖掘機無非是為了滿足一些特定的需求。上述三款產品更是針對北美市場，因為使用480V工業電壓的只有美國、加拿大和少數歐洲國家。對于更廣泛的應用而言，接入工業電源并沒有那么容易，因此采用柴油機+外接電源的雙動力并沒有很大的發展空間，而以蓄電池提供動力更能滿足實際需求。因為小型設備的出動率不高，可以有充足的時間進行充電。