高效节能技术在工程机械（汽车）中的应用探讨

摘要：在全球能源供需矛盾加剧与环境法规趋严的双重驱动下，工程机械产业面临能效提升与排放控制的迫切需求。作为设备能量转换的核心单元，动力传动系统的技术革新通过热力系统能效优化、混合动力架构集成以及能量再生装置配置，实现动力输出与能源利用效率的协同优化。液压驱动模块作为能量传递的核心载体，通过压力-流量自适应调控机制、执行元件结构优化及多模式能效管理策略，显著降低系统无效功耗。与此同时，智能控制体系依托运行参数实时采集与动态补偿技术，结合数据驱动的能效优化模型，构建了从状态感知到策略执行的闭环节能控制框架。研究与实践表明，上述技术体系的协同创新不仅系统性提升了工程机械的能源利用效率，同时为行业转型升级提供了技术支撑，推动形成低碳化、智能化的装备研发方向，从而助力构建环境友好型工程机械装备体系。

关键词：高效节能技术；工程机械（汽车）；动力系统；液压系统；智能控制

0引言

在全球经济持续增长的背景下，工程装备在现代化基础设施建设、工业生产体系构建及自然资源开发等领域发挥着关键支撑作用。但这类装备运行过程中的高能耗特性与污染物排放问题逐渐显现，已成为制约装备制造业绿色发展的主要瓶颈。相关研究表明，该领域能源消耗在工业用能结构中占据显著比重，其运行过程产生的废气、颗粒物等污染物对生态环境构成持续性压力。为此，推进高效节能技术的研发与应用，成为提升装备能源转化效率、优化全生命周期经济性及降低环境负荷的重要技术路径。本文重点围绕动力传动系统优化、液压驱动装置改进及智能控制体系构建三个技术维度，系统性分析节能技术创新在工程装备中的应用模式与实践策略，为装备制造业可持续发展转型提供理论参考。

1高效节能技术在工程机械动力系统中的应用

1.1研究现状

工程机械动力系统的高效节能技术研究源起于传统内燃机能效提升的技术瓶颈。初期研究方向集中于机械传动结构优化与混合动力架构开发，通过提升燃烧效率与能量复用率降低燃料消耗及尾气排放。随着"碳达峰、碳中和"战略目标的推进，研究范式逐渐向智能控制技术延伸，并强调多能量域协同优化的重要性。现阶段，学术界研究范畴已扩展至电子控制系统的深度集成、新型清洁燃料应用及废热回收技术融合，体现了从单元技术改进向体系化创新的演进路径。

当前工程机械节能技术体系主要包含结构轻量化设计、混合动力耦合及智能控制集成三个技术方向。通过降低机械传动损耗、回收制动能量及动态优化热力循环过程，显著提升能源转化效率并抑制污染排放。但现有技术体系仍存在显著技术瓶颈：轻量化材料面临动态负载适应能力不足的缺陷；混合动力系统在极端工况下存在能量管理失配风险；智能控制算法受环境参数扰动影响显著。传统机械优化技术虽具备产业化成熟度优势，但减排效能提升空间有限；电气化方案虽能实现近零排放，但受制于储能装置功率密度与能源补给设施建设滞后；智能控制体系虽具备全局优化潜力，但其复杂架构大幅增加研发投入。研究表明，混合动力架构在当前技术发展阶段具有最优综合效益，而实现全生命周期碳中和需依赖绿色燃料制备与碳循环技术的突破性进展。

1.2发动机性能优化

作为工程机械的核心动力单元，内燃机的热效率优化是降低能耗的关键环节。通过改进燃烧室湍流场分布特性与采用高压共轨直喷技术，可实现燃油雾化质量与燃烧相位精准控制，从而提升燃料化学能转化效率。引入可变气门正时机构，根据转速-负荷特性动态调节配气相位，可有效降低泵气损失。同时，优化冷却液流动路径与低摩擦润滑介质应用，能够显著降低机械摩擦副的功率损耗。上述技术协同作用使内燃机有效热效率得到系统性提升，为工程机械节能提供基础保障。

1.3混合动力技术的应用

多能源耦合架构已成为工程机械节能技术演进的重要方向。该架构通过机电耦合装置实现内燃机与电动机的功率流动态分配：在高负荷作业阶段，电动机辅助输出扭矩以降低内燃机负荷率；在制动能量回收阶段，电机切换至发电模式将动能转化为电能存储。这种能量双向流动机制显著提升系统综合能效。研究证实，基于工况识别的能量管理策略可实时优化动力源输出比例，使系统持续运行于高效区间。尽管存在动力耦合装置效率损失等技术挑战，混合动力系统仍是现阶段平衡能效提升与成本控制的最优技术方案。

2高效节能技术在工程机械液压系统中的应用

2.1研究现状

工程机械液压驱动系统能效提升研究源于对传统系统能量损失机制的深入分析。初期技术探索（2019年前）主要集中在液压执行单元局部性能改进，例如提升泵阀容积效率或优化管路流体动力学特性。在能源结构调整与碳排放控制的双重驱动下，研究范式逐步由单元部件优化向系统级能效管理转型。当前学术研究背景呈现多学科协同创新特征，技术路径延伸至能量再生利用、智能调控及新能源整合等交叉领域，标志着液压系统节能技术从离散式改良向集成化创新方向演进。

液压系统高效节能技术正驱动工程机械向绿色智能方向转型。尽管现有研究在能效提升方面取得显著进展，但系统可靠性、成本控制等产业化应用障碍仍未完全突破。未来需加强跨学科技术融合，在保障技术先进性的同时提升工程适用性，以推动行业可持续发展目标的实现。

2.2变量泵与负载敏感控制技术

液压驱动系统作为工程机械的核心动力传输单元，其能耗水平直接影响设备整体能效表现。当前技术方案通过集成变量泵与动态负载响应技术，构建压力-流量协同调节机制，实现能量供给与执行需求的精准匹配。该系统通过实时检测执行机构负载特征，动态调整液压泵排量参数与输出压力阈值，使系统功率输出与作业需求形成动态平衡。以挖掘装置为例，在铲斗切入作业阶段，系统基于实时负载变化自动调节供能强度；当执行机构处于非作业状态时，则自动切换至低功率维持模式。相较于传统定量泵系统，该技术通过消除恒定供能造成的溢流损失，显著降低能量损耗，有效提升系统综合能效。

2.3液压元件的优化设计

液压执行元件的机械效率是影响系统能效的关键因素。针对液压缸组件，采用多层复合密封结构与低摩擦材料可显著降低活塞运动阻力，同时抑制内外部泄漏现象。对于旋转类执行机构，通过优化液压马达内部流道设计及运动副配合精度，可减少能量传递过程中的机械损耗。此外，基于拓扑优化的轻量化结构设计在保证元件强度的前提下，不仅降低设备整体质量，同时减少系统空载运行时的惯性能耗。研究指出，材料创新与结构优化相结合的技术路径，能够系统性提升液压元件的能量转化效率。

2.4系统节能模式的开发

针对液压系统的多工况运行特性，开发自适应节能模式成为提升能效的有效途径。系统通过实时解析设备作业参数（如泵压力、执行机构位移量等），自主切换适配的运行策略：在设备待机阶段激活低功耗模式，限制非必要能量消耗；在轻载工况下启动动态匹配模式，使供能曲线与负载需求实时同步；在瞬态高负载场景中，通过能量缓冲机制平衡功率波动。这种基于工况识别的控制策略，使液压系统能够根据实际作业需求自动调整运行状态，实现能耗的动态优化。实践表明，多模式协同控制可显著提升系统在不同作业场景下的能效表现。

3智能控制技术在工程机械节能中的应用

3.1研究现状

工程机械智能节能控制技术研究始于20世纪末期，初期以液压系统优化与动力匹配策略改进为核心，通过机械结构改良实现能耗降低（王孟，2020）。21世纪初计算机技术的普及推动研究范式转变，模糊逻辑与专家系统等智能算法开始应用于实际工程场景（雷少梁，2020）。2010年后物联网与人工智能技术的突破加速研究多元化，学者逐步从单体设备节能扩展至多机协同优化（杨卓霖，2022）。

在“双碳”战略推动下，当前研究延伸至装备全生命周期能效管理。典型案例如数字孪生技术赋能能耗动态模拟（惠琛云，2024），以及氢能动力与智能控制的融合探索（吴成松，2022）。学术研究呈现显著跨学科特征，控制理论、材料科学与能源管理的交叉催生新型节能模式，例如基于神经网络的负载预测架构（薛知言，2021）。

当前智能控制技术面临算法与硬件优先级争议、全局与局部优化矛盾等技术碎片化问题。研究呈现三大演进趋势：由单元控制向系统集成转型、由理论建模向数据驱动过渡、由被动调节向主动适应升级。未来技术发展将聚焦智能控制与新能源、数字孪生等领域的深度融合，突破全生命周期能效管理瓶颈，推动工程机械行业向零碳化方向加速发展。

3.2节能策略的动态调整

依托实时数据采集与分析技术，智能控制系统可实现设备运行参数的自主优化与能效策略的动态适配。典型应用场景中，当发动机负荷系数低于预设阈值时，控制系统将自主执行转速调节指令，从而有效控制燃油供给量；当液压回路压力值超出安全裕度时，系统则自动调节变量泵排量参数，确保系统压力维持在最佳工作区间。这种自适应的调节机制通过实时匹配设备工作状态与运行需求，持续优化能量分配方案，使设备持续运行于最优能效区间。进一步分析表明，系统通过解析设备历史运行数据并构建工况预测模型，可提前生成运行模式优化方案。这种闭环控制机制不仅解决了传统固定参数模式导致的能源浪费问题，更通过数据驱动的决策方式提升了节能措施的科学性与可操作性，为工程机械能效管理提供了有效的技术实现路径。

3.3基于大数据的优化管理

大数据技术的深入应用为工程机械能效提升开辟了创新路径。数据驱动的能效优化策略通过构建多维度数据解析技术框架，实现了设备能耗特征的精准识别与潜在问题的系统性诊断。具体而言，借助海量设备运行数据的深度解析与模式识别，研究者可准确量化不同作业工况与能源消耗的映射关系，在此基础上建立能耗基准模型，从而为高能耗作业模式的识别与优化提供量化依据。研究表明，通过建立工况参数与能耗指标的关联分析模型，能够有效识别低效运行区间，例如特定负载条件下的液压系统溢流损耗异常现象，据此可制定针对性节能策略。进一步地，设备状态监测数据的时序分析可建立故障前兆识别模型，通过振动频谱特征与温度阈值的动态监测，实现关键部件失效的早期预警，有效规避非计划停机引发的能源损耗。这种数据驱动的管理方法不仅能够构建设备能效持续改进的技术闭环，同时可促进设备全生命周期经济性的综合提升，其综合效益显著体现在节能指标优化、运维成本压缩及设备服役周期延长等多个维度。

4结语

工程机械领域实施节能增效技术对于实现可持续发展目标具有显著价值。当前研究与实践表明，通过动力传动系统改良、液压驱动装置优化及智能调控技术突破三个维度协同创新，可系统性提升设备能效水平，在保障作业效率的前提下实现能源消耗与排放量的双重降低。液压驱动装置通过变量泵动态调节、阀控系统灵敏度优化及系统压力匹配算法改进，其无效功率损耗可显著降低；智能调控技术依托物联网传感网络与机器学习算法，构建了能耗实时监测-工况动态适配-能效持续优化的闭环管理系统，为工程机械能效提升提供智能化解决方案。值得注意的是，随着电动化动力总成、数字孪生仿真平台等新兴技术的深度整合，该领域正逐步形成“效率优化-能耗控制-环境友好”三位一体的技术发展范式。预期通过持续的技术迭代与产业升级，工程机械将向全生命周期低碳化、作业过程智能化方向转型，为基础设施建设提供符合绿色经济标准的装备保障，进而推动工程机械产业生态的可持续发展。

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作者简介：兰珠宝，男，1974年7月出生，2000年毕业于长安大学设备工程与管理专业，2005年12月评为机械工程师，2011年12月评为高级工程师，2012年9月取得国家注册一级建造师执业资格证（公路工程），现任职于湖北中南路桥有限责任公司，从事公路机械设备施工与管理。