- 电动挖掘机关键技术及应用
- 付胜杰 林添良等编著
- 12284字
- 2021-08-24 12:06:21
1.2 工程机械动力节能技术
为适应恶劣的工作环境和剧烈波动的负载,工程机械主要以机械式柴油发动机为原动机,通过液压系统来传递动力。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,使得内燃发动机的燃油经济性较差,能量损失十分严重。随着电喷内燃发动机、高效率液压柱塞泵、马达以及其他液压元器件等的装机应用,工程机械的能量利用率得到一定提高。但动力源、液压系统和负载三者之间的功率不能实现完全匹配始终是工程机械难以克服的问题,且该难点造成内燃发动机和液压系统的能量损失各占工程机械总能量损失的35%左右。此外,随着世界各国对绿色节能与环保问题的日益重视,特别是在城市的园林建设和市政工程中,柴油发动机的废气排放和噪声污染是需要重点解决的问题。对此,国内外对工程机械动力技术均做了大量的研究。如图1-1所示,主要包括基于传统柴油发动机的功率匹配技术、混合动力技术、新型内燃发动机技术以及电驱动技术等。
图1-1 液压挖掘机的节能技术
1.2.1 基于内燃发动机的功率匹配技术
如图1-2所示,由于内燃发动机输出功率随外负载功率剧烈波动,使内燃发动机工作点分布在各个效率区,导致内燃发动机燃油经济性差。而影响工程机械燃油经济性的一项主要因素是系统的功率匹配。功率匹配主要是采用先进的控制技术,如分工况控制、转速感应控制、恒功率控制、变功率控制、内燃发动机停缸控制以及自动怠速控制等来降低燃油消耗率。这些控制技术在一定程度上提高了动力系统的节能效果,已经被用户和制造商广泛应用于工程机械产品中。
图1-2 传统内燃发动机驱动系统的功率特点
1.分工况控制
作为一种典型的工程机械,液压挖掘机能完成多种作业内容:挖掘、装载、破碎、整修和平地等。不同的作业和使用工况中液压泵对功率的需求是不一样的。因此,为了根据实际使用要求来对柴油机和液压泵进行优化匹配,需要进行分工况控制。目前液压挖掘机都有不同的动力模式可供选择,如怠速工况、轻载工况、经济工况和重载工况等,可保证系统既节能高效,又能够满足不同的功能需求。
以国内某厂家的传统20t级液压挖掘机为例,内燃发动机的挡位通过旋钮分成十个挡位,驾驶人可以通过显示屏设定负载模式(重载、中载和轻载)。不同挡位、不同负载模式时变量泵的比例电磁铁控制电流的对应关系见表1-1~表1-3。分工况控制实际上就是内燃发动机输出功率的分段输出,因此也必须限制变量泵变量机构的电比例减压阀的控制电流来调整变量泵的吸收功率。
表1-1 重载模式(H模式)下不同挡位和内燃发动机转速、变量泵变量机构的电比例减压阀控制电流的关系
表1-2 中载模式(S模式)下不同挡位和内燃发动机转速、变量泵变量机构的电比例减压阀控制电流的关系
表1-3 轻载模式(L模式)下不同挡位和内燃发动机转速、变量泵变量机构的电比例减压阀控制电流的关系
在分工况控制中,内燃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内燃发动机的输出功率以及防止内燃发动机熄火。因此,分工况控制具有以下特点。
1)只有在最大负载功率下,内燃发动机-液压泵-负载的功率才能匹配得较好,使内燃发动机工作点位于经济工作区。
2)由于挖掘机工况复杂,负载波动剧烈,在实际工作中,最大和最小负载功率是交替变化的。在大部分场合下,虽然液压泵吸收了内燃发动机在其工作模式下所对应的最大输出功率,但负载所需功率远远小于内燃发动机的输出功率,所以内燃发动机输出轴上的转矩也剧烈波动,使内燃发动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。
3)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内燃发动机,因此内燃发动机装机功率普遍偏大,燃油经济性差。如果按平均功率选择内燃发动机,容易造成内燃发动机过载,导致内燃发动机过热。
2.转速感应控制
当柴油机运行在最大功率点时出现过载,其转速会急剧下降直至熄火。转速感应控制中系统实时检测内燃发动机的转速,若发现失速,控制器立刻发出控制信号降低液压泵的排量,进而降低液压泵的吸收功率,可以有效防止失速停车的现象发生。因此,转速感应控制实际上更多是基于内燃发动机的熄火保护,而不是节能优化。图1-3为转速感应控制曲线,具体工作原理如下。
图1-3 转速感应控制曲线
1)内燃发动机的目标转速通过内燃发动机控制表盘控制。
2)整机控制器计算出转速传感器所检测的实际转速和发动机的目标转速的差值,然后整机控制器根据一定的算法产生输出信号,并将控制信号发送到转矩控制电磁阀。
3)转矩控制电磁阀根据整机控制器的信号将先导压力油供给泵,调节控制泵流量。
4)如果内燃发动机的负载增加且实际转速比目标转速慢,则泵的斜盘倾角减小,泵输出流量减少,使发动机的负载减小,以防止发动机失速。
5)如果内燃发动机的实际转速比目标转速快,则泵斜盘倾角加大,使泵输出流量增加,这样可以更有效地利用内燃发动机的输出功率。
3.恒功率控制
在实际操作中,操作人员不可能根据实际工作情况随时调节柴油机的调速拉杆,只能对当前工作进行经验判断,将调速拉杆固定在某一位置来完成工作。因此,柴油机只有一个最大功率点。为了保证内燃发动机的输出功率得到充分利用,需要对液压泵进行相应的恒功率控制。如图1-4所示,液压挖掘机等多执行器复合控制的工程机械一般采用双泵双回路系统。在这种回路中分别对两个液压泵进行全功率控制、分功率控制以及交叉传感控制,保证柴油机处于最大功率点时输出功率被液压泵充分吸收,提高工作效率。但恒功率控制只保证了内燃发动机-液压泵之间的功率匹配,而忽视了液压泵-执行器之间的功率匹配,因此仍然会存在总功率损失。
4.变功率控制
针对恒功率控制的缺点,很多学者重视起柴油机-液压泵-执行器联合功率匹配控制的研究。高峰等学者提出一种挖掘机载荷自适应节能控制方案,由于负载的波动经液压系统传递后表现为液压泵出口压力的波动,因此通过实时检测液压泵出口压力的变化来控制柴油机调速拉杆位置,使得柴油机输出功率与系统实际所需功率相匹配,从而提高能量利用率。但是由于反馈信号只有压力,并不是真正意义上的功率反馈,因此也无法实现柴油机功率的完全匹配。
图1-4 神钢SK200动力控制模式
工程机械的负载变化具有复杂性和多样性,为了进一步提高燃油利用率和整机效率,往往需要综合以上两种或者几种功率匹配控制方法。图1-5为一种恒功率与变功率联合的控制策略,控制器综合各种反馈信号,同时对内燃发动机和液压泵进行控制,使内燃发动机-液压泵-负载达到良好的匹配。
图1-5 恒功率与变功率联合的控制策略
5.内燃发动机停缸控制
在工程机械的一个作业循环中,液压泵的瞬时功率较大而输出功率平均值较小,发动机的负荷变化剧烈,为了动态地匹配内燃发动机和液压系统的功率,在分功率控制的基础上,太原理工大学权龙教授团队进一步提出采用发动机停缸控制的方法,在小负荷或怠速时切断部分气缸的供油进行内燃发动机停缸控制,提高内燃发动机的负荷率;在大负荷时恢复供油,使内燃发动机跟踪负荷工作在高效区域,降低燃油消耗,减少排放,提高内燃发动机在工程机械整个工作循环中的燃油经济性,并保证整机的动力性和较低的制造成本。图1-6为试验测试挖掘机重载模式下(内燃发动机转速2200r/min),内燃发动机全部气缸工作和内燃发动机第1缸断油停缸时的油耗对比曲线。经测试可知:在重载工作模式下,采用停缸控制技术能使每个工作循环油耗量平均下降13%。内燃发动机转速越高,部分负载工况下越是偏离其高效区,停缸节能效果越明显。试验测试也表明,当发动机工作在2000r/min的经济模式下,停缸控制技术能使每个工作循环油耗量平均下降11%。
图1-6 重载模式下传统内燃发动机和单缸断油工作节能对比
综上所述,基于传统内燃发动机的功率匹配控制能够在一定程度上提高发动机输出功率的有效利用率以及防止熄火,但是由于内燃发动机输出功率波动较大,效率较低,并且只有在最大负载功率下,柴油机与液压泵的功率才能得到较好的匹配,因此节能空间十分有限,且仍存在排放差和噪声大等问题。
1.2.2 混合动力技术
混合动力技术是国际上公认的节能最佳方案之一。最初在汽车领域取得成功,后来受到各工程机械制造企业的青睐,纷纷开展了混合动力系统的研究,逐渐成为工程机械节能减排的重要方案。根据其储能装置的不同,混合动力系统主要包括油电混合动力和液压混合动力。基于不同的储能元件,利用电动/发电动机或者泵/马达的削峰填谷作用,对内燃发动机输出转矩进行均衡控制,从而降低内燃发动机的功率等级,使内燃发动机工作点始终位于经济工作区;同时基于电量储存单元也可以对回转制动动能和机械臂的重力势能等进行电气式回收与再利用。
混合动力系统的功率特点如图1-7所示。
1.油电混合动力技术
根据原动机配置形式的不同,油电混合动力可分为串联式、并联式和混联式。混合动力系统中的超级电容和蓄电池作为蓄能元件,可以维持内燃发动机工作在高效区内,提高燃料的利用率,降低尾气排放。在综合考虑了系统的节能、排放、布局和成本等因素的基础上,工程机械上应用的油电混合动力驱动方式主要有两种:串联混合动力驱动方式和并联混合动力驱动方式,而结构设计更加复杂的混联式混合动力系统还没有成熟的应用。
图1-7 混合动力系统的功率特点
油电混合动力的优点主要体现在以下三个方面:①利用电动/发电动机的削峰填谷作用,对内燃发动机输出转矩进行均衡控制,不仅可以降低内燃发动机的功率等级,而且能使内燃发动机工作点始终处于经济工作区;②基于油电混合动力系统中的电量储存单元,可对回转动能和机械臂的重力势能等进行回收;③利用电动机控制技术,对每一个执行器都采用闭式传动方案,从而取消了多路阀控制,彻底消除了阀内的节流损失。
近年来,采用内燃发动机和电动机进行复合驱动的油电混合动力挖掘机成为了国内外的研究热点之一。目前,国内外有多个行业巨头和科研机构正在进行油电混合动力挖掘机的研发,国外有小松、日立建机、神钢、卡特彼勒、凯斯、早稻田大学、首尔大学、蔚山大学等,国内有浙江大学、三一重工、中联重科、山河智能、柳工、徐工、江麓机电、吉林大学、中南大学等。
(1)国外研究现状
2004年5月,小松研制出了世界上第一台油电混合动力液压挖掘机;2006年,纽荷兰与神钢联合研制推出了7t串联式油电混合动力液压挖掘机;2008年6月,小松率先推出世界首台20t级PC200-8型油电混合动力挖掘机,采用并联式混合动力系统;2009年5月,凯斯推出CX210B型混合动力挖掘机;2011年,日立建机在“2011NEW环境展”上推出了油电混合动力液压挖掘机“ZH200”,燃油效率比该公司原产品“ZX200-3”提高了20%;2011年,小松在北京BICES2011展会上推出了新一代油电混合动力液压挖掘机HB205-1,实现了对发电动机、回转电动机、内燃发动机的最佳控制;神钢建机在BICES 2011上也展出了油电混合动力液压挖掘机SK80H-2,该挖掘机可降低40%的CO2排放,降低燃耗20%;2012年4月,法国巴黎举行的INTERMAT2012展会上,日本小松又推出了HB215LC-1第二代混合动力液压挖掘机;2013年,在德国慕尼黑工程机械宝马展上,利勃海尔推出了世界上第一台油电液混合驱动R9XX概念型混合动力液压挖掘机。这款挖掘机整机质量约为40t,将电能回收技术与液压能回收技术相结合,提出了“液压-电-能量管理”的技术。该挖掘机工作时,上车平台回转由电动机驱动,可实现回转制动时的能量回收,所回收的电能储存在超级电容中;动臂下降时通过液压方式将其势能转化成液压能,并储存在蓄能器中,这样就最大程度上减小了液压系统的节流损失。这些储存在超级电容和蓄能器中的能量,不仅可以用来驱动回转和动臂的提升动作,还可以分别通过安装在内燃发动机上的电动机以及可逆泵/马达辅助驱动内燃发动机工作。该集成动力系统可实现两倍于内燃发动机装机功率的峰值驱动能力。因此,R9XX仅需要配备160kW的内燃发动机即可,而通常情况下,40t级的液压挖掘机至少需要使用200kW左右的内燃发动机才能满足系统对动力的要求。国外油电混合动力液压挖掘机样机如图1-8所示。
图1-8 国外油电混合动力液压挖掘机样机
串联式油电混合动力的代表是神户制钢所的串联式油电混合动力液压挖掘机,动力系统如图1-9所示,该系统同时采用蓄电池和超级电容为储能元件,综合了蓄电池比能量高和超级电容比功率高的优点。这种串联式结构中,内燃发动机与负载之间无直接机械连接,因此内燃发动机工况稳定,排放低;但是由于内燃发动机输出的能量要经过机械能-电能-机械能的转换流程才能驱动液压系统,因此效率较低,元件的装机功率较大。
并联式油电混合动力液压挖掘机的代表是小松公司采用并联式油电混合动力驱动的液压挖掘机系统方案,如图1-10所示。该系统的特点在于内燃发动机输出的能量并不是全部用来发电,而仅仅是将驱动液压泵剩余部分的机械能通过电动/发电动机转化为电能,经整流储存在储能单元中并再利用。与串联式系统相比,并联式油电混合动力系统的布局比较复杂,对控制系统的要求比较高,但内燃发动机的装机功率相对要小,能量转化流程较短。因此整体驱动效率较高,油耗较低。
图1-9 神户制钢所的串联式油电混合动力液压挖掘机动力系统
图1-10 小松并联式油电混合动力液压挖掘机系统方案
(2)国内
国内的浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室自2003年开始油电混合动力液压挖掘机的研究工作,在动力复合模式与参数优化、动力系统控制、电动回转及制动能量回收、机械臂势能回收等关键技术方面进行了系统性的研究,并成功研制了集整机能量管理与控制、内燃发动机工作点动态优化、电动回转制动能量回收、机械臂势能回收等技术为一体的油电混合动力液压挖掘机综合试验样机,如图1-11所示。
此外,在国家科技部863重点项目的推动下,国内其他各研究单位(吉林大学、北京理工大学,太原理工大学、中南大学、上海交通大学等)和各主机厂家(三一、山河智能、柳工、江麓机电等)从2008年开始积极开展油电混合动力液压挖掘机样机的研制,也先后推出了各自的油电混合动力液压挖掘机,如图1-12所示。山河智能、柳工、徐工、三一、江麓机电等推出的机型采用并联式油电混合动力系统,上车机构采用一个电动/发电动机代替液压马达进行驱动,并通过该回转电动/发电动机来回收上车机构的回转制动动能。
图1-11 油电混合动力液压挖掘机综合试验样机
图1-12 国内各油电混合动力液压挖掘机样机
2.工程机械油电混合动力系统的不足之处
目前,虽然油电混合动力技术在工程机械的节能减排方面取得了一定的成绩,但油电混合动力系统同样具有以下不足之处,限制了该系统的进一步产业化。
(1)能量转换环节较多,导致效率不高
由于能量转换经历了内燃发动机、发电动机、电量储存单元、电动机、液压泵、液压缸、液压马达等多个环节,每一个环节都存在能量损失,因此导致整个转换过程中的能量损失较大,从而在一定程度上抵消了采用这种技术所能取得的节能效果。同时由于能量存储装置(蓄电池)的功率较小,短时间无法接收和释放较大的能量。因此所吸收的制动能量少(对于制动能量的回收效率只有20%左右),效率低。
(2)成本高
油电混合动力技术使工程机械动力系统从结构上发生了根本变化,对整机制造体系影响巨大,从而造成生产成本的上升,尤其是油电混合动力系统中的电能储存单元的价格偏高,这些缺点无疑严重制约了油电混合动力技术在工程机械上的应用。
(3)系统过于复杂
系统越复杂,技术要求越高,如蓄电池寿命、电源转换效率、重量、可靠性等,都有待进一步提高。用于油电混合动力系统的电动/发电机必须要同时具备可控性好、容错能力强、噪声低、效率高、对电压波动不敏感等性能特点。
3.液压混合动力技术
液压混合动力系统的辅助动力装置由能量转换元件(液压泵/马达)和储能元件(液压蓄能器)组成,利用液压蓄能器能量暂存特性和液压泵/马达可工作于四象限的特点,对内燃发动机进行功率调峰和再生制动。系统工作时,液压辅助动力装置主动调节内燃发动机工作于燃油经济性较高区域,根据控制策略可以单独或与内燃发动机一起输出动力;制动时,液压泵/马达将制动能转换成液压能,储存在液压蓄能器中,在随后的起动、加速或正常运行工况,制动过程中回收的液压能通过液压马达释放出来,辅助内燃发动机或者单独驱动车辆行驶。
液压混合动力技术能显著降低油耗和提高经济性,主要体现在以下四个方面。
(1)运用再生制动技术回收制动能,减少了能量损耗
传统装载机、推土机等在减速或者制动时,大部分的动能都以制动蹄片的摩擦、内燃发动机的机械摩擦、泵损失等形式耗散。同理,传统液压挖掘机在机械臂下放和转台制动时也存在大量的负值负载消耗在节流口上。液压混合动力系统采用液压二次元件(液压泵/马达)和液压蓄能器可以对负值负载进行能量回收,在装载机加速或起动时释放或者液压挖掘机驱动重载时释放,辅助内燃发动机驱动负载,从而减少内燃发动机的输出功率。
(2)降低了内燃发动机的装机功率,提高了经济性
在液压混合动力系统中,液压泵/马达还具有为内燃发动机提供功率辅助输出的作用。工程机械在正常工作时并不总是需要内燃发动机提供峰值功率,在降低内燃发动机的排量时,液压马达为内燃发动机提供短暂的峰值功率,使得车辆的动力性并未因内燃发动机排量的降低而减弱。同时内燃发动机排量减小带来的另外一个优势是,在给定的负荷条件下,排量小的内燃发动机摩擦损失、热损失等方面都较小。
(3)运用主动调节技术稳定和优化内燃发动机工作点
由于利用液压二次元件的液压混合动力系统对内燃发动机的输出特性具有“削峰填谷”的作用,控制变量液压泵/马达的功率状态,可以使内燃发动机持续运行在高效区域。同时减小燃烧不充分带来的效率低下和排放恶化。此外,由于内燃发动机的工况更为平稳,因此可以采用一个国产的内燃发动机代替进口内燃发动机,同样提高了经济性,而这点往往被忽略。
(4)通过内燃发动机怠速来优化节能效果
装载机在作业时,内燃发动机平均有20%的时间处于怠速状态。当内燃发动机处于怠速或车辆减速时,将内燃发动机关闭能降低大约5%~8%的燃油消耗。与传统的起动电动机相比,液压混合动力工程机械使用的大功率液压泵/马达(工作在马达模式)能够快速起动内燃发动机,在起动初期的0.5s之内就把内燃发动机拖动到正常怠速时的转速之上,降低了油耗,减少了燃料的不完全燃烧时间及由此引起的尾气排放量。
液压混合动力技术改善内燃发动机尾气排放的途径表现在以下三个方面:①混合动力整机的经济性提高,直接降低了油耗量。②优化了内燃发动机的工作点,降低了污染物排放的强度。③内燃发动机动态过程相对稳定,为内燃发动机排放的后处理降低了技术难度。
总体上,油电混合动力技术和液压混合动力各具有自身的优势和不足之处,而且其优缺点也是针对不同时代的技术而言。在现有的技术条件下,与油电混合动力技术相比,液压混合动力技术具有以下优势。
(1)功率密度大
能量密度和功率密度是储能元件最重要的两个参数。由图1-13和表1-4可知,从能量密度来看,蓄电池(30W·h/kg)和超级电容(10W·h/kg)优于液压蓄能器(1.9W·h/kg),可以长时间提供能量;从功率密度角度来看,液压蓄能器(2500W/kg)优于其他能量存储方式(铅酸蓄电池200W/kg,镍氢蓄电池650W/kg,超级电容1000W/kg)。只有高功率密度系统才能在短时间内满足制动时的能量转换和储能要求。虽然超级电容的功率密度、效率、放能度和环保性能优良,但其较高的使用成本和尚不成熟的技术限制了其应用。从整体上看,液压混合动力具有较高的能量密度,液压元件(液压泵、马达、液压蓄能器)的平均功率密度(1458W/kg)是电传动元件(发电机、电动机、蓄电池)平均功率密度(283W/kg)的5.15倍多。因此,对于同等功率的混合动力工程机械,液压混合动力技术可以大大减少质量。与其他能量存储方式相比,液压蓄能器更适用于中重型城市公共汽车、载货车辆和工程机械。
图1-13 不同储能元件能量密度和功率密度对比
表1-4 两种混合动力系统功率密度、能量密度和效率对比
(2)循环效率高
循环效率指制动动能从驱动轴进入能量回收系统到回收的能量再次进入驱动轴的效率。与油电混合动力系统相比,液压混合动力系统的能量转换元件——液压泵/马达与电动/发电机的效率相差无几(约89%~93%),但液压混合动力系统没有多次能源转换的循环效率和时间效应的影响。由图1-14可见,液压储能系统的循环效率明显高于蓄电池系统,甚至高于超级电容系统。新型复合材料蓄能器的出现和液压泵/马达技术的提高,使得液压储能系统的能量循环效率得到了进一步的提升,循环效率可达82%。
图1-14 不同混合动力系统循环效率对比
(3)成本较低
液压元件目前已经非常广泛地应用在工业的各个领域,其中工程机械大量采用液压驱动方式,经受了各种复杂工况的考验,已经作为工业通用元件大批量生产,因此具有较低的制造成本。而油电混合动力系统中的蓄电池、超级电容、高性能永磁电动/发电机及控制器等成本居高不下。与其他类型的储能系统相比,液压储能系统价格更为低廉。以20t液压挖掘机为例,液压混合动力增加的成本大约为6万元,而油电混合动力系统增加的成本至少17.5万元以上,见表1-5。
表1-5 某20t液压挖掘机不同驱动系统的价格对比(万元)
(4)对环境污染小
蓄电池的使用是不可逆的过程,蓄电池含有大量的有毒原料,如浓缩酸和重金属等,报废后如果处理不当会对环境造成很大的污染。而液压元件的使用具有可逆性,其传动介质是矿物油,目前在大力研究的水液压传动更使液压传动具有良好的环保性能。
(5)可靠性高
液压元件有很成熟的使用经验,有强度较高的外壳,能够承受较大的外力作用,同时其内部的动力传递及存储是物理过程,使用较为安全。液压蓄能器壳体强度大,能够承受来自内部的极限压力,使用寿命长,适于多次、快速、大能量流的能量存储。在工作时可以在液压蓄能器的出口设置一个安全阀,来保证液压蓄能器的工作压力不会超出其合理范围。即使在停机时,液压储能系统还可以自动卸压,避免了自燃、爆炸等危险的发生。液压储能系统可工作于恶劣环境下,受高温、严寒和潮湿的影响明显小于油电混合动力系统。液压蓄能器已广泛地应用于工业领域,技术成熟。因此,液压混合动力系统可靠性更高,易于集成,设备维护简单。而蓄电池内部的能量存储和释放主要是化学过程,安全性不易得到保证。
(6)储能装置重量轻
油电混合动力车辆采用蓄电池或者超级电容等作为能量存储单元,蓄电池通常采用镍氢电池和钠氯化镍电池,液压混合动力系统采用液压蓄能器来存储能量。对于同一类型的混合动力系统,镍氢蓄电池和钠氯化镍蓄电池储能系统质量比液压储能系统高出近1倍,超级电容系统的质量也比液压储能系统高出40%。虽然工程机械由于自身需要配置一定质量的配重,元件质量的增加可以通过合理设置配重来抵消元件质量的增加。但当前在配重位置放置储能元件的方式,由于配重难以装卸的特点,也存在维修不方便等不足之处。因此,更轻的储能系统可以为工程机械合理布置储能元件提供更大的灵活性。
美国卡特彼勒在2012年推出了以液压蓄能器为储能元件的第一款液压混合动力挖掘机Cat336eh,如图1-15所示。不同于其他混合动力产品,该机型以回转制动能量回收为主要节能途径,在一个典型的15s装载和卸载循环中有两次起动和停止。当回转减速时,液压系统回收能量,当再次起动回转时能量被重新利用。与普通机型相比,该系统的油耗降低约25%。
图1-15 卡特彼勒液压混合动力挖掘机外形和回路原理
美国普渡大学的Monika Ivantysynova教授等成功研发出采用直接泵控技术的6t液压混合动力挖掘机,整机回路原理如图1-16所示,液压混合辅助动力单元采用转矩耦联方式接入系统。经试验验证,在保持相同工作效率的前提下,较同规格机型降低内燃发动机装机功率50%,较现有负载敏感系统节约燃油50%左右。
图1-16 美国普渡大学6t液压混合动力挖掘机回路原理
国内针对挖掘机整机的液压混合动力研究主要有浙江大学、哈尔滨工业大学和华侨大学等高校以及部分主机厂,如图1-17所示。其中山河智能推出的ES系列液压混合动力液压挖掘机集成了包括多液压缸机械臂能量回收、回转流量自匹配等多项技术。与传统同级别液压挖掘机相比,节能效果明显,整机油耗最大可降低27%,作业效率提高25%以上。此外,徐工、三一均推出了相应的液压混合动力液压挖掘机。
图1-17 国内各液压混合动力液压挖掘机
4.混合动力技术的瓶颈
综上所述,无论是油电混合动力技术,还是液压混合动力技术,当前混合动力技术始终不能全面普及的原因如下。
1)与车辆不同,工程机械大都为单泵多执行器的系统,内燃发动机功率并不能轻易降低,导致内燃发动机的节能效果比较有限。
2)由于液压回路较长,负载的波动并不能真正实时地传递到液压泵;同时,由于蓄电池充放电速度、液压泵/马达或电动/发电机等混合动力单元难以精确控制转矩和转速,因此动力系统的混合动力单元难以实时动态补偿负载的波动。
3)油电混合动力系统中的能量转换环节较多,且对负载波动剧烈的工程机械来说,油电混合动力系统的电能储存单元更适合采用超级电容,但目前超级电容的价格昂贵。
4)液压混合动力系统采用液压泵/马达-液压蓄能器作为能量转换和储能单元,虽然液压蓄能器功率密度大,全充全放能力强,但是液压蓄能器的能量密度小,在吸收内燃发动机富余功率和长时间提供能量方面不如油电混合动力系统,且液压泵/马达的噪声问题也会对其应用领域产生制约。
5)混合动力系统的主要动力单元仍然是柴油发动机,难以从根本上解决排放污染差,噪声大等问题。
1.2.3 CNG/LNG工程机械
天然气作为燃料,有CNG与LNG的区别。CNG是压缩天然气(Compressed Natural Gas,CNG),是天然气加压(超过3600lbf/in,1lbf/in=6894.76Pa)并以气态储存在容器中,它与管道天然气的成分相同。液化天然气即为液态的天然气(Liquefied Natural Gas,LNG),是天然气经过低温冷凝等一系列处理,使天然气在超低温(-162℃)常压状态下液化,成为液化天然气。由于CNG与LNG密度比为1∶3,所以LNG发动机的续航能力更长,在工程机械上更具有发展的潜力。
普通的柴油工程机械设备的主要排放物是一氧化碳以及一些氮氧化物,都属于主要的大气污染物;而LNG工程机械设备只排放二氧化碳和水,不排放氮氧化物。据统计,LNG工程机械设备能减少93%的一氧化碳、33%的氮氧化物和50%的活性烃气体排放。可见,大规模使用LNG工程机械产品将对我国防治大气污染、保护环境起到至关重要的作用。
目前,中国品牌主机企业在LNG产品开发中取得一定成果,如在装载机方面,徐工LNG装载机在世界上率先应用和实现批量销售(徐工2011年在北京BICES展会上推出了全球第一台LNG装载机);同时,雷沃重工、临工、厦工等也相继推出了LNG装载机系列。在挖掘机方面,山重建机的LNG挖掘机也在世界上率先得到应用,并取得一定成绩(山重建机2012年在上海Bauma展上展出了LNG挖掘机)。另外,LNG在混凝土机械上也取得很好的应用,中联重科、三一重工和中集凌宇还推出了多款技术成熟的混凝土搅拌车等。
然而,LNG发动机也存在一些问题需要解决:
1)燃气发动机与同级别柴油发动机相比,动力性能还有差别。例如,在重负载工作时,动力调节滞后,不能很好地适应负载变化。
2)不能在密闭的空间里作业。LNG气瓶在内部压力高时,会通过放气阀门释放瓶内压力,以保证瓶内压力在安全压力内。
3)LNG气体加注时,需要特殊设备。目前LNG工程机械车辆在工地上加注具有很大的局限性,这在一定的程度上限制LNG的推广使用。
但是与普通柴油发动机相比,LNG发动机排放污染物明显减少。研究表明,CO2减少23%、SO2减少70%、CO减少50%,为LNG发动机尾气或作为燃料使用时排放满足更加严格的标准创造了条件,这对改善LNG发动机尾气对大气的污染具有十分重要的意义。
天然气装载机和挖掘机的外形如图1-18所示。
图1-18 天然气装载机和挖掘机
1.2.4 双动力工程机械
双动力工程机械是采用内燃发动机与电动机双独立动力源的驱动模式。内燃发动机与电动机可单独工作也可同时输出,可根据工作场合及要求选择不同的驱动方式。该类型工程机械的工作方式较为灵活、噪声低,既可保证工程机械的爆发能力,又可在一定程度上减少排放,但双动力方案成本较高,控制策略较为复杂,且并未从根本上取代内燃发动机。有代表性的双动力挖掘机主要包括卡特彼勒的300.9D VPS、威克诺森的803 Dual power和竹内的TB216H。
如图1-19所示,卡特300.9D VPS是一款1t级的微型挖掘机,采用洋马9.7kW内燃发动机,VPS意为多功能动力系统。该机在卡特300.9D挖掘机的基础上,允许机器与其他单独的液压动力单元一起工作,卡特彼勒标配的移动动力单元是卡特HPU300。卡特HPU300采用2轮小车式底盘,质量192kg,安装有一台三相交流电动机,电压480V,功率7.5kW,通过液压泵,可对外提供20L/min、19MPa的液压油。连接软管长度为10m,可保证损失的能量最小。在室外工作时,卡特300.9D VPS可不外接HPU300动力单元,使用自身的柴油机作为动力,而在室内或者紧邻建筑物工作时,则可接上动力单元,并接通电源,使用电力作为动力,这样即可实现零排放和低噪声。为减少牵引钩等装置,HPU300动力单元的运输采用驮运的方式,即挖掘机用推土铲托起动力单元,将其挂在车体后部进行移动。当然,短距离移动则通常采用人力推动。
图1-19 卡特彼勒的300.9D VPS& HPU300组合
如图1-20所示,德国威克诺森803 Dual power挖掘机与卡特300.9D VPS & HPU300组合非常类似,该机以威克诺森803挖掘机为基础,通过安装外接动力适配装置,并接上HPU8动力单元,就变身成为双动力挖掘机。威克诺森803 Dual power与卡特300.9D VPS & HPU300组合在技术参数上也比较接近。挖掘机都是1t级,但功率稍大,内燃发动机也采用洋马,功率11.5kW,HPU8上的电动机功率为9kW,液压方面与卡特的相同,另外其软管长度为12m,略长于卡特。动力单元的移动方式也与卡特相同。
图1-20 威克诺森803 Dual power挖掘机
如图1-21所示,与上述两款不同,竹内TB216H挖掘机采用了更加简洁的解决方案,该机以2t级的竹内TB216H挖掘机为基础,直接增加了一台三相交流电动机。由于微型挖掘机本来就很紧凑了,机体内没有多余的空间,因此增加的部分如同挂在了车体之外。为了避免增加新的动力传动装置,产生布置和安装的麻烦,竹内TB216H为电动机配套了独立的液压泵及相应的管路。该机采用的洋马内燃发动机功率为11.1kW,480V电动机的功率为10.6kW。在运用上,竹内TB216H挖掘机与前述两款基本类似。要用一句话总结与上述二者的区别,那就是卡特彼勒和威克诺森采用分体式设计,而竹内将外置动力单元集成在机体上。因此与上述二者的区别也就体现在集成与分体上。集成式的无疑更简洁,也无需频繁连接,减小了液压系统污染的可能性,但电缆会相对麻烦。分体式的更灵活,户外工作可以不接动力单元,在室内工作时可以将动力单元停在电缆摆放方便的位置。同时,分体式的可以在现有型号上简单改造,而集成式的就需要专门设计。
图1-21 竹内TB216H
无论哪种形式,双动力挖掘机无非是为了满足一些特定的需求。上述三款产品更是针对北美市场,因为使用480V工业电压的只有美国、加拿大和少数欧洲国家。对于更广泛的应用而言,接入工业电源并没有那么容易,因此采用柴油机+外接电源的双动力并没有很大的发展空间,而以蓄电池提供动力更能满足实际需求。因为小型设备的出动率不高,可以有充足的时间进行充电。