第1章 工程机械电动化的背景和意义
1.1 工程机械节能的背景和意义
1.能源危机和环境污染
随着社会经济高速发展，我国对石油的需求量也越来越大。从1993年起，我国已成为石油净进口国，2019年我国进口原油已达5.06亿t，对外依存度高达70.8%。《BP世界能源统计年鉴2019》调查报告指出，尽管中国的经济增长正在放缓且经历结构转型，但中国仍保持其作为世界上最大的能源消费国、生产国和净进口国的角色，其中2018年中国占全球能源消费量的24%和全球能源消费增长的34%。我国连续12年成为全球能源消费增长最主要的来源。研究数据显示，由于新发现储油地的进程较为缓慢，且石油消耗量依然维持较高的增长率，若依照现在的趋势，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。
从对环境污染的角度来看，内燃发动机消耗的燃油越多，排放出来的污染物也越多，排放中的有害物质包括氮氧化物、碳氧化物以及硫氧化物等。这些有害物质的排放不仅会危害人体健康和严重影响植物正常生长，而且会导致气温异常变化。随着城市化、工业化发展，内燃发动机驱动型车辆的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
全球环境污染不断恶化，世界各国十分重视绿色环保问题。美国自2011年1月1日起，对于非道路使用的中、重型柴油发动机和功率大于560kW的大功率内燃发动机，实施了Tier4排放标准；自2013年1月4日起，欧盟宣布对部分新款公共汽车和重型载货车辆执行欧Ⅳ排放标准。为防治污染、保护和改善生态环境，我国也于2014年6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）》（GB 20891—2014）国家标准，该标准规定自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合标准第三阶段要求，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。2018年，生态环境部发布的《非道路移动机械污染防治技术政策》提出，以柴油机等内燃发动机作为动力的非道路移动机械至2020年要求达到国四的排放标准，至2025年达到国际先进排放标准。
3.工程机械油耗大和排放差
作为内燃机产品除汽车行业之外的第二大用户，工程机械所用柴油发动机排量大、油耗高，但由于我国内燃发动机研发水平和经济成本的双重压力使得我国工程机械的排放标准难以升级，与汽车行业相比更为宽松，因此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，工程机械领域中污染物的排放量占全部移动机械排放源排量的14%，已成为全球环境最为严重的污染源之一。以挖掘机为例，其燃油消耗量占全国各行业燃油消耗量的9.7%，是不可忽视的主要污染排放源。在一些特殊的作业环境下，如封闭的隧道、高原环境、市区作业、矿山作业，传统工程机械依然存在较多问题。
以某型号20t挖掘机为例，每小时的耗油量在20~30L左右，相当于一辆小型汽车行驶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责任格外重大。
4.节能减排符合国家发展规划
2011年，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”期间重点突破的科技发展目标。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%。通过产品结构优化和轻量化设计，装载机、叉车等产品取得降低整机质量5%~8%。减振降噪的科技攻关也取得重大突破，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。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，节能环保型工程机械将成为市场的基本准入标准，节能技术研究可以为国家、社会乃至用户带来显著的经济社会效益。
5.弯道超车，实现工程机械强国梦
我国工程机械产业经过多年的发展，已经成为我国的支柱产业。但我国是一个工程机械大国，而不是工程机械强国。尤其是在内燃发动机和高端液压件方面一直无法超越发达国家。而在发展新能源工程机械上，中国与发达国家站在同一起跑线上，且还在关键技术领域处于领先地位。但是与汽车相比，工程机械的工况波动更为剧烈，工作模式更为复杂，汽车领域的电动化技术并不能直接移植到工程机械领域。因此，以工程机械电动化为契机，推进工程机械进程，不仅可以实现在液压行业引领全球，也可以从整体上推动我国工程机械技术的发展，实现我国从工程机械大国迈向工程机械强国的目标。
综上所述，工程机械的节能效果已成为衡量其先进性的一项重要指标，国内企业生产的工程机械产品能量利用效率低下、排放污染严重、噪声大，因此，在未来相当长的一段时间内，节能减排仍然是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政策，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，工程机械企业纷纷努力寻求新的节能减排技术突破，以提高产品的市场竞争力。与此同时，我国工程机械行业也逐渐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。