工程機械的傳統能源是柴油，柴油燃燒效率只有35%~40%，以柴油為主要動力浪費能源，造成環境污染。面對日益嚴峻的環境污染問題，國家對非公路工程機械的排放要求也越來越嚴格。預計2021年7月1日實施非道路國四排放標準，該標準綜合了歐iiib排放的NOX(氮氧化物)值和歐v排放的PN(粒子物數)值，引擎制造商必須在引擎后處理裝置上安裝SCR和DPF。

增加SCR和DPF后處理裝置的國四排放發動機，要比同功率的國三排放發動機價格高一倍以上，大大提高了發動機和OEM廠的制造成本、服務成本和用戶的使用成本。非道路國四排放標準之后還會面臨國五，升級周期也會日益縮短。為應對此情況，許多發動機廠家和配套廠家開始研發生產新能源設備。本文主要介紹純電動、油電混合動力、氫燃料電池、LNG燃氣發動機等工程機械新能源發展趨勢。

1純電動

純電驅動工程機械用電動機取代柴油發動機，用電池給電動機供電。純電動工程機械幾乎為零排放，發展純電動設備產業，漸已成為世界各國解決能源短缺、降低環境污染的首選途徑。電池質量較大，可通過調整安裝位置減少工程機械部分配重的質量。電驅工程機械更適合隧道、地鐵等空氣流通性差的工況。在這種情況下，電驅動工程機械施工效率高，同時沒有尾氣排放和發動機噪聲污染，減少了對操作人員健康的損害。但電池安全性差、綜合使用成本高、電池能量密度低、續航里程短、輔助充電設施不足等因素嚴重制約了純電工機械產業的發展。

針對工程機械充電不便的情況，業內有人提出了移動充電寶式供電車的解決方案，但仍無法解決充電時間長的問題。在2021年baumaCHINA展覽會上，VOLVOPENTA發動機制造商展示了純電動產品，如圖1所示。右側為直流電機，左側為變速器，用鋰電池為電機提供600V電壓，見圖1b。此款電驅系統成本較高，為同功率柴油機的3～5倍。VOLVOPENTA于2021年為工業和船舶應用提供混合動力和純電動解決方案。VOLVOPENTA認為，傳統動力發動機將逐漸轉向混合動力和純電力發動機，但由于新能源技術不成熟，未來幾年傳統柴油發動機仍將成為許多非道路行業應用的動力解決方案。

2油電混合動力

目前混合動力技術在汽車領域已經得到了廣泛應用，成熟的應用給混合動力工程機械帶來了借鑒，混合動力兼顧了傳統內燃機優良的動力性和純電動車輛的低排放特性�；旌蟿恿Πl動機將燃油化學能轉化為機械能，然后再經過發電機轉換為電能，根據工況需要，其中一部分電能流向蓄電池儲能備用，另一部分流經電動機轉化為輸出轉矩�；旌蟿恿�工程機械使用的發動機比內燃機工程機械發動機功率小，由于電機輔助，發動機可以在低油耗和低排放區長時間工作。一般來說，混合動力工程機械比同功率的內燃機工程機械燃料消耗量減少30%~50%。在2021年baumaCHINA展覽會上，道依茨發動機制造商展示了TCD2.9型混合動力產品。該產品的發動機功率為55kW，最大輸出功率為發動機功率的2倍，即110kW。

設備需求電力低于55kW時，多馀的發動機電力反向拖動發電機發電，將電力存儲在電池中，設備需求電力高于55kW時，發動機消耗電池電力補充發動機電力的不足，其理論最大電力達到110kW。在某些情況下，發動機也可以關閉，只使用電驅動，從而達到節能和減排的效果。據了解，道依茨將于2021年底批量生產這種發動機。道依茨對于電驅動車輛、混合動力車輛和傳統柴油機車輛未來適用工作范圍分析見圖3。電驅動車輛消耗能量低，補充電能頻率較高，更適用于廠內有電源區域工作；傳統柴油機車輛能耗最高，能量補充便捷，更適用于施工現場；而混合動力車輛處于二者之間。

3氫燃料電池

燃料電池又稱電化學發電器，其原理是將化學能轉化為電能，跟鋰離子電池類似，但效率更高。目前燃料電池主要的燃料類型為氫，氫燃料儲存在儲液罐中，燃料電池類似內燃機，是能量轉化的場所。氫燃料電池的發電熱效率可達65%～85%，質量能量密度達500～700W?h/kg，體積能量密度達1000～1200W?h/L，發電效率高于固體氧化物燃料電池。燃料電池內的電堆能量少，電堆出現問題時切斷氫氣即可，因此燃料電池的安全性比鋰電池高。與內燃機相比，氫燃料電池能量轉換過程效率高，無噪音，排放物只有水。與純電動和混合動力相比，氫燃料電池能量密度高，適用于大功率工程機械。但是，現在氫燃料電池的制造成本很高，如果能降低重要材料的白金使用量的話，比鋰電池的成本低，所以有和鋰電池和燃料車競爭的基礎。除成本因素外，目前推廣氫燃料電池還存在氫燃料獲取、儲存和運輸困難等幾個瓶頸問題，氫燃料添加網站稀少。

4LNG氣體發動機

LNG是液化天然氣(LiquefiedNaturalGas)的簡寫，天然氣經過低溫凝聚處理。LNG氣體發動機的基本結構包括氣體發動機、一組或單個LNG氣瓶、汽化裝置和管道。其工作原理與普通柴油機類似，不同之處在于液化天然氣能量密度高，持續距離長，LNG價格相對便宜，經濟性好。與普通柴油發動機相比，LNG發動機的排放污染物明顯減少。有研究表明，LNG發動機可以使排放的CO2減少23%，SO2減少70%，CO減少50%。LNG發動機也有必要解決氣體發動機與同功率柴油機相比，大負荷時動力響應速度慢，無法適應負荷變化的問題。

LNG氣瓶溫度上升后，通過排氣閥排氣釋放內部壓力，存在安全隱患，不能在密閉空間工作。LNG氣體注入時，需要特殊設備，在工地注入有很大的局限性。LNG燃氣發動機排氣溫度高，需要優化增壓器、排氣管、排氣門座等發動機部件。LNG氣體對貯藏環境要求高，一般貯藏在-163℃的環境中，但目前國內輔助設施不完善，不能長期貯藏LNG。

5未來發展趨勢

目前，我國新能源工程機械領域已逐步發展，取得一定進展，新能源工程機械開發和技術理念已初步形成，部分新能源工程機械已實現小批量銷售，向產業化發展。由于中國新能源工程機械研究和推廣起步較晚，許多因素也限制了新能源機械的發展，如政府和企業不重視、投資不足等，國內企業和國際大企業存在一定差距。同時，我國相對缺少鼓勵新能源工程機械發展的相關政策與方針，新能源工程機械行業缺乏統一的標準。對此國家相關部門與行業協會，應抓緊制定新能源工程機械的工藝、性能測試、質量控制、關鍵技術等相關標準來規范整個行業，進而推動行業健康發展。

博世公司開展的市場研究表明，未來非道路機械市場將增長強勁，預計2012～2030年期間，中國的非道路機械市場容量將翻一番。2021～2030年期間，電驅動、混合動力、LNG、燃料電池驅動機械保有量雖然會不斷攀升，但柴油動力仍將是占主導地位的驅動技術，如圖4所示。道依茨對未來非道路內燃機車輛和電動車輛的發展趨勢預測如圖5所示。

從圖5可以看出，2030年，內燃機車輛依然占據主導地位，接近博世公司的市場預測。到2038年，電動汽車的市場份額將超過內燃機車的市場份額�；靹榆囕v兼顧傳統柴油發動機的優良動力性和純電動車輛的良好排放特性，同時混動車輛不受充電設施限制，應用方便，使用區域廣泛。個人認為，在純電動車輛的儲能電池沒有取得根本性突破以前，混合動力更適合非道路工程機械應用，是解決排放和能源等問題最具現實意義的途徑之一。