工程机械挖掘机节能减排技术的研究与实践路径

摘要：在全球倡导可持续发展的大背景下，工程机械领域的节能减排工作愈发重要。挖掘机作为工程机械的典型代表，广泛应用于各类工程建设项目中，但其能耗高、排放大的问题也较为突出。大量的挖掘机在作业过程中消耗了巨量的燃油资源，同时排放出大量的污染物，如氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等，对环境造成了严重的污染。因此，开展工程机械挖掘机节能减排技术的研究，探索切实可行的实践路径，对于节约能源、保护环境以及推动工程机械行业的绿色发展具有重大意义。

关键词：工程机械；挖掘机；节能减排技术；实践路径

1 工程机械挖掘机能耗与排放现状

1.1 能耗现状

目前，大多数挖掘机采用柴油发动机作为动力源，其燃油消耗量大。据统计，一台中型挖掘机在正常作业工况下，每小时的燃油消耗量可达10-30升。随着挖掘作业强度的增加以及设备的老化，燃油消耗还会进一步上升。在一些大型露天矿山开采项目中，多台挖掘机长时间连续作业，每年消耗的燃油量极为可观，这不仅增加了工程成本，也对能源供应造成了较大压力。

1.2 排放现状

挖掘机排放的污染物主要源于发动机燃烧过程。柴油发动机在燃烧过程中，由于燃烧不充分等原因，会产生大量的有害气体和颗粒物。其中，氮氧化物（NOx）是导致酸雨和光化学烟雾的主要污染物之一，颗粒物（PM）则会对人体呼吸系统造成严重危害。在城市建设等人口密集区域，挖掘机排放的污染物对周边空气质量和居民健康的影响尤为明显。此外，随着环保标准的日益严格，现有的挖掘机排放水平面临着巨大的挑战。

2 工程机械挖掘机节能减排技术研究

2.1 发动机节能减排技术

（1）高效燃烧技术

1.优化燃烧系统设计：通过改进发动机燃烧室的形状、喷油嘴的结构和喷油策略等，使燃油与空气更充分混合，实现更高效的燃烧。例如，采用新型的直喷式燃烧室设计，能够提高燃油的雾化效果，促进燃烧过程的快速进行，减少不完全燃烧现象，从而降低燃油消耗和污染物排放。

2.采用先进的燃油喷射技术：高压共轨燃油喷射系统能够精确控制燃油喷射量和喷射时间，在不同工况下都能实现最佳的燃烧效果。相比传统的燃油喷射系统，高压共轨系统可使燃油喷射压力提高数倍，有效改善燃油的雾化质量，使燃烧更加充分，降低油耗和排放。研究表明，采用高压共轨技术的发动机，燃油消耗可降低10%-15%，氮氧化物排放可减少20%-30%。

发动机余热回收技术

3.废气涡轮增压与中冷技术：利用发动机排出的废气驱动涡轮增压器，提高发动机进气量，增加燃烧效率。同时，通过中冷器对增压后的空气进行冷却，降低进气温度，进一步提高发动机的热效率。这种技术不仅可以提升发动机的动力性能，还能在一定程度上降低燃油消耗和排放。

4.余热发电技术：采用有机朗肯循环（ORC）等技术，将发动机排出的高温废气中的余热转化为电能。回收的电能可用于为挖掘机的辅助设备供电，如照明、空调等，减少发动机对这些设备的动力输出，从而降低整体能耗。据估算，通过余热发电技术，可回收发动机废气中20%-30%的余热能量，有效降低挖掘机的能耗。

2.2 液压系统节能减排技术

（1）负载敏感技术

负载敏感系统能够根据挖掘机工作装置的负载变化，自动调节液压泵的输出流量和压力，使液压泵的输出功率与负载需求相匹配，避免了传统液压系统中溢流损失和节流损失。在挖掘作业过程中，当负载变化时，负载敏感系统可迅速响应，调整液压泵的排量，确保系统高效运行。与传统液压系统相比，负载敏感系统可降低能耗15%-30%。

（2）能量回收技术

1.动臂势能回收：在挖掘机动臂下降过程中，通过能量回收装置将动臂的重力势能转化为液压能或电能并储存起来。当动臂再次上升时，储存的能量可被释放出来，辅助驱动动臂上升，减少发动机的能量消耗。例如，采用液压蓄能器作为能量回收装置，在动臂下降时，液压油驱动液压泵反转，将液压能储存到蓄能器中；在动臂上升时，蓄能器中的液压油释放出来，辅助液压泵工作。

2.回转制动能量回收：在挖掘机回转机构制动过程中，将回转的动能转化为电能或液压能回收利用。通过安装在回转马达上的能量回收装置，将制动时产生的能量储存起来，用于驱动回转机构的下次启动或为其他辅助设备供电。

2.3 智能控制与管理技术

（1）发动机与液压系统协同控制

1.系统架构与工作原理：通过建立发动机与液压系统的协同控制模型，实时监测发动机的转速、扭矩以及液压系统的压力、流量等参数，根据挖掘机的作业工况和负载需求，对发动机和液压系统进行联合优化控制。例如，在挖掘作业时，当液压系统负载增加时，协同控制系统自动调整发动机的输出功率，同时优化液压泵的排量和压力，使发动机与液压系统始终处于最佳匹配状态，提高系统的整体效率。

2.节能效果：实践证明，采用发动机与液压系统协同控制技术，可使挖掘机的综合能耗降低10%-20%，同时提高设备的作业性能和稳定性。某大型挖掘机制造商在其新款产品中应用了该技术，经过市场反馈，用户普遍反映设备在节能方面表现出色，作业效率也得到了显著提升。

（2）远程监控与故障诊断系统

1.功能与作用：通过安装在挖掘机上的传感器和通信模块，将设备的运行数据实时传输到远程监控中心。监控中心的工作人员可以实时了解挖掘机的工作状态，包括发动机的运行参数、液压系统的工作情况、设备的位置等信息。同时，利用数据分析和故障诊断算法，对设备可能出现的故障进行提前预警，及时安排维修人员进行处理，避免设备因故障停机造成的能源浪费和生产损失。

2.节能减排效益：远程监控与故障诊断系统能够帮助用户及时发现设备的异常运行状态，采取相应的措施进行调整和维修，确保设备始终处于高效运行状态。据统计，通过该系统的应用，可减少设备因故障导致的额外能耗10%-15%，同时提高设备的利用率，间接实现节能减排的目标。

3 工程机械挖掘机节能减排实践路径

3.1 加大研发投入

工程机械制造企业应加大在节能减排技术研发方面的资金和人力投入，建立专门的研发团队，与高校、科研机构开展产学研合作，共同攻克节能减排技术难题。通过不断创新和技术升级，推出具有更高节能减排性能的挖掘机产品。

3.2 定期维护保养

用户应按照设备使用说明书的要求，定期对挖掘机进行维护保养，包括更换机油、空气滤清器、燃油滤清器等，调整发动机的喷油正时、气门间隙等参数，确保发动机和液压系统等关键部件处于良好的工作状态。定期维护保养能够减少设备的磨损，降低故障发生率，提高设备的运行效率，从而实现节能减排的目的。

4 结束语

工程机械挖掘机节能减排技术的研究与实践是实现工程机械行业可持续发展的关键。通过对发动机、液压系统等关键部件的节能减排技术研发，以及采取产品研发与技术升级、设备维护与管理、政策支持与行业引导等实践路径，能够有效降低挖掘机的能耗和排放。随着科技的不断进步，未来还将涌现出更多先进的节能减排技术，如电动化技术、混合动力技术等。同时，智能化、信息化技术在挖掘机节能减排领域的应用也将更加深入。在各方的共同努力下，工程机械挖掘机的节能减排工作将取得更大的突破，为推动全球可持续发展做出积极贡献。

参考文献：

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