一、工程机械行业节能减排的形势和现状
中国经济的高速增长让世界瞩目，然而高排放也成为了全球节能减排的重点关注对象。近年来，节能减排已经成为了我国重要国策之一。保守估计，我国工程机械主机保有量至少有300万台，这些主机每年消耗大量的燃油，排放大量的二氧化碳等有害气体。节能减排问题已经引起国内外的高度重视。工程机械作为内燃机产品的第二大使用行业，虽然工作范围仅限于工地，但由于其密度大，排放情况大大劣于汽车，对环境的污染更为严重，为此工程机械行业备感压力。
我国工程机械行业多年来发展较快，国家和地方继续扩大工程项目投资，工程机械面临前所未有的快速增长期，仅装载机产量2010年上半年同比增长54.3%，销量增长37.5%，创历史新高。然而，“十一五”的最后一年赋予了它更多的责任，节能减排成为了全国工业发展的迫切目标，工程机械行业面临节能降耗的技术难题。
工程机械产品的工况非常复杂，为了适应各种复杂情况，工程机械内燃机必须能够适应最困难的方式，因此而产生工程机械动力系统与传动系统不匹配、装机功率过大、发动机效率低下、制动能量不可回收等问题导致工程机械燃油经济性差、排放高。混合动力技术在汽车领域的成功应用，为我们解决工程机械节能减排的问题提供了很好的借鉴。
二、液压混合动力技术概述
混合动力技术最早起源于汽车工业。混合动力车辆上装有除内燃机以外的其它形式的动力源。与传统的内燃机动力相比，混合动力的主要优点是：采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容或蓄电池），可以回收、存储制动能量，同时可以在大负载的情况下与内燃机一起释放能量。这样可以减小发动机装机功率、提高效率、降低排放。混合动力车辆基本上不改变现有的车辆产业结构，不改变现有能源的体系，不改变用户对车辆的使用习惯。经过大量研究，许多国家和汽车制造厂家将混合动力系统作为减少燃油消耗和降低排放的首选技术，并在许多方面取得了重大进展。这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。目前在混合动力技术的研究上，油电混合动力技术开展的最早，在小型汽车上已有多款产品投放市场。
但汽车行业常用的油电混合动力技术并不一定适用于工程机械，对于油电混合动力技术，就目前的研究、应用情况来看，普遍存在着如下问题：
1）能量存储装置（电池）功率较小，短时间无法接收和释放较大的能量。因此所吸
液压混合动力
在工程机械节能中的应用■吉林大学机械科学与工程学院刘昕晖S pecial Article 特稿
收的制动能量少（对于制动能量的回收效率只有20%左右），效率低。由于功率所限，难以满足工程机械对短时间大功率的需求。
2）制造成本较高。因此目前投入商品化的油电混合动力汽车都是处于政府补贴的状态。
3）蓄电池对环境较为敏感，给车辆带来不安全隐患。同时，电池的使用过程属于不可逆的化学变化过程，以目前性能最好的动力电池为例，保持高性能情况下的充放电次数仅为500次左右，否则电池的性能会下降，直至报废。报废电池的不科学处理会对环境造成很大污染。
4）用于混合动力汽车的电机必须要同时具备可控性好、容错能力强、噪声低、效率高、对电压波动不敏感等性能特点。目前在混合动力汽车上运用最广泛的电机是交流感应电机，这种电机本身就充斥着与生俱来的，很难轻易解决的功率和效率之间的矛盾。因此，需要进一步研制出具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机来替代目前使用的交流感应电机。
液压混合动力正是基于油电混合动力车辆的现状，提出采用电液二次调节系统作为传动方式的一种新型的混合动力。目前，这种混合动力车辆的研究开发受到了国外许多大型汽车公司的重视，但国内尚未开展深入的研究工作。
众所周知，液压元件和系统具有很高的功率密度。而且充放能量速度要比蓄电池快得多。利用液压蓄能器的这一特点，在大中型车辆、城市公交车辆、工程机械上，配置带液压蓄能器的能量再生装置，并与发动机动力传动系相结合，改装后的车辆便成为了由多能源驱动的动力车辆。
液压混合动力技术目前主要应用在大功率的公路运输车辆上，如大型卡车、大型城市公共交通车辆和工程机械等具有较大驱动功率的车辆上。与油电混合动力比较，液压混合动力对于工程机械等大型车辆具有明显优势。
1）能量密度
液压混合动力具有较高的能量密度，液压元件（液压泵、马达、蓄能器）的能量密度是电传动元件（发电机、电动机、蓄电池）的10倍。因此对于同等功率的混合动力汽车，液压混合动力技术可以大大减少体积和重量。
混合电动车2）制动能量回收效率
由于液压元件具有较高的功率密度，同时系统传动效率可高达83%，因此液压混合动力可以吸收70%的制动能量，而电混合动力只能吸收20%左右的制动能量。
3）控制方式
液压元件有较多的控制方式，从控制方式讲，有手动控制、先导液压控制、电液比例控制、电液伺服控制等多种方式可供选择，这为我们控制方式的选择提供了较大的空间。
4）制造成本
液压元件目前已经非常广泛的应用在工业的各个领域，其中工程机械行走大量采用液压驱动方式，经受了各种复杂工况的考验，已经作为工业通用元件大量生产，因此具有较低的制造成本。而电混合动力的元件，特别是动力电池，其成本居高不下。
5）使用的安全性
液压元件有很成熟的使用经验，有强度较大的外壳，能够承受较大的外力作用，同时其内部的动力传递及存储是物理过程，使用较为安全。而蓄电池内部的能量存储和释放主要是化学过程，安全性更是得不到保证。
6）使用的环保性
液压元件的使用具有可逆性，其传动介质是矿物油，目前在大力研究的水液压传动更使液压传动具有良好的环保性能。而蓄电池的使用是不可逆的过程，报废后如果处理不当会产生二次污染。
7）使用寿命
液压元件传动介质为油液，具有很好的自润滑性，具有较长的使用寿命。
8）技术成熟度
液压传动行业经过几十年的发展，目前已经成为成熟的行业。国际上的著名液压元
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件制造商都有多样性的通用液压元件产品可供选择，目前国际上著名制造商的产品均实现了国产化，具有较高的价格竞争优势。
因此相对于油电混合动力技术，液压混合动力的突出优点是：
（1）在同等条件下，液压蓄能器能为车辆提供更大的辅助动力，这和工程机械的工况是相符的；
（2）液压蓄能器充放能量速度要比蓄电池快得多，在相同条件下，液压蓄能器回收的能量多，这适合工程机械负载变化剧烈的情况；
（3）液压泵/马达输出扭矩大，控制精度高，响应速度快，结构紧凑，质量轻，所需安装空间小；
（4）液压蓄能器使用寿命长，而且废旧储能元件不会对环境造成污染；
（5）能量回收系统结构简单、工作可靠、使用寿命长。
三、液压混合动力车辆提高燃油经济性的主要措施
1）制动能量回收
传统车辆在减速或者制动时，大部分的动能都以制动蹄片的摩擦、发动机的机械摩擦、泵损失等形式消耗掉了。液压混合动力车辆采用液压二次元件（液压泵/马达），结合二次调节技术可以回收车辆的绝大部分动能（70%）。而且，制动能量回收的多少与储能装置容量的大小有关。回收的制动能量在车辆加速或启动时释放，从而减少发动机输出功率。
2）降低发动机排量
在液压混合动力系统中，液压马达还具有为发动机提供功率辅助的作用，这是因为车辆特别是工程机械在正常工作时并不总是需要发动机提供峰值功率，在降低发动机的排量时，液压马达发挥作用，为发动机提供短暂的峰值功率，使得车辆的动力性并未因发动机排量的降低而减弱。同时发动机低
排量带来的另外一个好处是，在给定的负荷条件下，排量小的发动机摩擦损失、热损失等方面都比较少。
3）提高发动机效率
由于利用液压二次元件的液压混合动力系统对发动机的输出特性具有“削峰添谷”的作用，控制变量泵/马达功率状态，优化变量泵/马达和变速器的匹配可以使发动机保持运行在高效区域。减少燃烧不充分带来
的效率低下和排放恶化。
4）限制发动机怠速
发动机平均约有20%的时间处于怠速状态。当发动机处于怠速或车辆减速时，将发动机关闭能降低大约5%～8%的燃油消耗。与传统的启动电机相比，液压混合动力汽车使用的大功率液压马达能够快速启动发动机，在起动初期的0.5s之内就把发动机拖动到正常怠速时的转速之上，降低了油耗，减少了燃料的不完全燃烧时间及由此引起的HC排放量。
四、液压混合动力的结构形式
1）串联
串联式液压混合动力车的动力传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，但仅有1种执行元件驱动负载工作，串联液压混合动力车动力传动系主要由发动机、主减速器、液压蓄能器和两个液压泵/马达组成。发动机和高压液压蓄能器为两个动力源，两个液压泵/马达具有双向并具有可逆特性，与主减速器连接的液压泵/马达主要作为驱动车轮的执行元件使用，与发动机连接的液压泵/马达主要作为动力元件使用。串联动力传动系可以是由普通静压传动系统（闭式回路）加液压蓄能器能量再生功能组成，也可以是由恒压源液压网络（开式回路）加液压蓄能器或飞轮组成。如图1所示。
2）并联
并联式液压混合动力车的动力传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，有两个或两个以上相应的执行元件可同时驱动负载，该动力传动系主要由发动机、
变速箱、主减速器、液压蓄能器和液压泵/马达组成。并联形式通常保留传统车的动力传动链，只是在原传动链上增加了由液压泵/马达和液压蓄能器组成的能量再生系统，从而形成双动力驱动。如图2所示。
3）混联
与混合动力电动车定义串并联的方法
相同，混联式液压混合动力车的动力传动系是由并联系统、
串联系统和机械传动装置组成，它体现了并联和串联系统的优点，在大功率工况下，可以获得高工作效率。如图3所示。
五、液压混合动力技术在工
程机械中的应用
混合动力技术在汽车行业的成功应用使该项技术得以迅速的发展，也为工程机械产品的节能减排提供了信心和成功的借鉴。探索适合于工程机械产品的混合动力技术路线对于工程机械行业的技术进步有重要的意义。
工程机械产品装机功率大、负载变化剧烈、启动制动频繁，同时液压传动又是工程机械产品主要的传动方式，这些特点十分有利于液压混合动力技术的应用。
装载机作业时频繁的启停使发动机经常处于低效区，以及频繁制动、启动消耗大量能量，联合工况作业时对峰值功率的需求使在选择发动机功率时不可避免的存在大多数时间内发动机处于“大马拉小车”的情况。
挖掘机频繁的回转作业制动时，完全依靠缓冲溢流阀溢流产生制动力，耗费大量的
能量同时使液压系统油温上升。
推土机由于负载变化剧烈而不得不提高装机功率。
液压混合动力为这些问题的解决提供了可行的方法。小松、神钢、凯斯先后推出了混合动力挖掘机，小松的PC200混合动力挖掘机节油20%～40%，卡特推出混合动力推土机C9节油20%，
传动零部件减少60%，以及沃尔沃研制成功的混合动力装载机等，为我们增强了信心，看到了希望。国内一些企业对混合动力技术的投入以及关注，特别是“混合动力挖掘机”项目被列为国家863重点项目，使我们感受到国家和企业对工程机械行业节能减排的重视，为混合动力技术的应用和推广提供了难得的机遇。
图1串联
图2并联
图3混联
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