工程机械的传统能源是柴油，柴油燃烧效率只有35%~40%，以柴油为主要动力浪费能源，造成环境污染。面对日益严峻的环境污染问题，国家对非公路工程机械的排放要求也越来越严格。预计2021年7月1日实施非道路国四排放标准，该标准综合了欧iiib排放的NOX(氮氧化物)值和欧v排放的PN(粒子物数)值，引擎制造商必须在引擎后处理装置上安装SCR和DPF。

增加SCR和DPF后处理装置的国四排放发动机，要比同功率的国三排放发动机价格高一倍以上，大大提高了发动机和OEM厂的制造成本、服务成本和用户的使用成本。非道路国四排放标准之后还会面临国五，升级周期也会日益缩短。为应对此情况，许多发动机厂家和配套厂家开始研发生产新能源设备。本文主要介绍纯电动、油电混合动力、氢燃料电池、LNG燃气发动机等工程机械新能源发展趋势。

1纯电动

纯电驱动工程机械用电动机取代柴油发动机，用电池给电动机供电。纯电动工程机械几乎为零排放，发展纯电动设备产业，渐已成为世界各国解决能源短缺、降低环境污染的首选途径。电池质量较大，可通过调整安装位置减少工程机械部分配重的质量。电驱工程机械更适合隧道、地铁等空气流通性差的工况。在这种情况下，电驱动工程机械施工效率高，同时没有尾气排放和发动机噪声污染，减少了对操作人员健康的损害。但电池安全性差、综合使用成本高、电池能量密度低、续航里程短、辅助充电设施不足等因素严重制约了纯电工机械产业的发展。

针对工程机械充电不便的情况，业内有人提出了移动充电宝式供电车的解决方案，但仍无法解决充电时间长的问题。在2021年baumaCHINA展览会上，VOLVOPENTA发动机制造商展示了纯电动产品，如图1所示。右侧为直流电机，左侧为变速器，用锂电池为电机提供600V电压，见图1b。此款电驱系统成本较高，为同功率柴油机的3～5倍。VOLVOPENTA于2021年为工业和船舶应用提供混合动力和纯电动解决方案。VOLVOPENTA认为，传统动力发动机将逐渐转向混合动力和纯电力发动机，但由于新能源技术不成熟，未来几年传统柴油发动机仍将成为许多非道路行业应用的动力解决方案。

2油电混合动力

目前混合动力技术在汽车领域已经得到了广泛应用，成熟的应用给混合动力工程机械带来了借鉴，混合动力兼顾了传统内燃机优良的动力性和纯电动车辆的低排放特性。混合动力发动机将燃油化学能转化为机械能，然后再经过发电机转换为电能，根据工况需要，其中一部分电能流向蓄电池储能备用，另一部分流经电动机转化为输出转矩。混合动力工程机械使用的发动机比内燃机工程机械发动机功率小，由于电机辅助，发动机可以在低油耗和低排放区长时间工作。一般来说，混合动力工程机械比同功率的内燃机工程机械燃料消耗量减少30%~50%。在2021年baumaCHINA展览会上，道依茨发动机制造商展示了TCD2.9型混合动力产品。该产品的发动机功率为55kW，最大输出功率为发动机功率的2倍，即110kW。

设备需求电力低于55kW时，多馀的发动机电力反向拖动发电机发电，将电力存储在电池中，设备需求电力高于55kW时，发动机消耗电池电力补充发动机电力的不足，其理论最大电力达到110kW。在某些情况下，发动机也可以关闭，只使用电驱动，从而达到节能和减排的效果。据了解，道依茨将于2021年底批量生产这种发动机。道依茨对于电驱动车辆、混合动力车辆和传统柴油机车辆未来适用工作范围分析见图3。电驱动车辆消耗能量低，补充电能频率较高，更适用于厂内有电源区域工作；传统柴油机车辆能耗最高，能量补充便捷，更适用于施工现场；而混合动力车辆处于二者之间。

3氢燃料电池

燃料电池又称电化学发电器，其原理是将化学能转化为电能，跟锂离子电池类似，但效率更高。目前燃料电池主要的燃料类型为氢，氢燃料储存在储液罐中，燃料电池类似内燃机，是能量转化的场所。氢燃料电池的发电热效率可达65%～85%，质量能量密度达500～700W?h/kg，体积能量密度达1000～1200W?h/L，发电效率高于固体氧化物燃料电池。燃料电池内的电堆能量少，电堆出现问题时切断氢气即可，因此燃料电池的安全性比锂电池高。与内燃机相比，氢燃料电池能量转换过程效率高，无噪音，排放物只有水。与纯电动和混合动力相比，氢燃料电池能量密度高，适用于大功率工程机械。但是，现在氢燃料电池的制造成本很高，如果能降低重要材料的白金使用量的话，比锂电池的成本低，所以有和锂电池和燃料车竞争的基础。除成本因素外，目前推广氢燃料电池还存在氢燃料获取、储存和运输困难等几个瓶颈问题，氢燃料添加网站稀少。

4LNG气体发动机

LNG是液化天然气(LiquefiedNaturalGas)的简写，天然气经过低温凝聚处理。LNG气体发动机的基本结构包括气体发动机、一组或单个LNG气瓶、汽化装置和管道。其工作原理与普通柴油机类似，不同之处在于液化天然气能量密度高，持续距离长，LNG价格相对便宜，经济性好。与普通柴油发动机相比，LNG发动机的排放污染物明显减少。有研究表明，LNG发动机可以使排放的CO2减少23%，SO2减少70%，CO减少50%。LNG发动机也有必要解决气体发动机与同功率柴油机相比，大负荷时动力响应速度慢，无法适应负荷变化的问题。

LNG气瓶温度上升后，通过排气阀排气释放内部压力，存在安全隐患，不能在密闭空间工作。LNG气体注入时，需要特殊设备，在工地注入有很大的局限性。LNG燃气发动机排气温度高，需要优化增压器、排气管、排气门座等发动机部件。LNG气体对贮藏环境要求高，一般贮藏在-163℃的环境中，但目前国内辅助设施不完善，不能长期贮藏LNG。

5未来发展趋势

目前，我国新能源工程机械领域已逐步发展，取得一定进展，新能源工程机械开发和技术理念已初步形成，部分新能源工程机械已实现小批量销售，向产业化发展。由于中国新能源工程机械研究和推广起步较晚，许多因素也限制了新能源机械的发展，如政府和企业不重视、投资不足等，国内企业和国际大企业存在一定差距。同时，我国相对缺少鼓励新能源工程机械发展的相关政策与方针，新能源工程机械行业缺乏统一的标准。对此国家相关部门与行业协会，应抓紧制定新能源工程机械的工艺、性能测试、质量控制、关键技术等相关标准来规范整个行业，进而推动行业健康发展。

博世公司开展的市场研究表明，未来非道路机械市场将增长强劲，预计2012～2030年期间，中国的非道路机械市场容量将翻一番。2021～2030年期间，电驱动、混合动力、LNG、燃料电池驱动机械保有量虽然会不断攀升，但柴油动力仍将是占主导地位的驱动技术，如图4所示。道依茨对未来非道路内燃机车辆和电动车辆的发展趋势预测如图5所示。

从图5可以看出，2030年，内燃机车辆依然占据主导地位，接近博世公司的市场预测。到2038年，电动汽车的市场份额将超过内燃机车的市场份额。混动车辆兼顾传统柴油发动机的优良动力性和纯电动车辆的良好排放特性，同时混动车辆不受充电设施限制，应用方便，使用区域广泛。个人认为，在纯电动车辆的储能电池没有取得根本性突破以前，混合动力更适合非道路工程机械应用，是解决排放和能源等问题最具现实意义的途径之一。