发动机:柴油还没有完成

珍妮·莱斯科希尔著2020年10月23日

3升EU V级柴油机

JCB电力系统结合了颗粒控制技术,以满足欧盟V阶段法规

近年来,当谈到设备动力选择时,电气化的讨论经常占据中心舞台,但忽视柴油发动机的许多积极属性是疏忽的。柴油发动机从最初的迭代中迅速而显著地发展,今天已成为工程创造力的典范。

几十年来,发动机制造商一直在努力减少柴油排放,由于欧洲的V阶段法规,这一趋势仍在继续。这些规定原定于今年6月生效,但由于全球大流行带来的挑战,已被推迟了12个月。

“我们正处于柴油发动机发展的激动人心的时刻,”约翰迪尔动力系统公司全球营销支持经理迈克尔·勒费伏尔(Michael Lefebvre)说。“经过多年改进我们的技术以满足后续排放法规水平,我们现在可以以新的方式利用这些技术来取得令人印象深刻的结果。

“重点领域包括改进整体包装尺寸、降低发动机整体重量以及集成新一代电子控制系统。我们一直专注于产品的正常运行时间和可靠性,在我们开发即将推出的发动机产品时,这将继续成为我们的重点领域。”

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约翰迪尔是最早在建筑和采石场大小的轮式装载机中引入电力传动系统技术的公司之一

Lefebvre表示,在这个重型发动机设计的时代,有几个主要的机会领域,包括利用虚拟分析和远程信息处理数据,使用数字工具和高级仿真,以及简化车辆的总体动力系统。

他指出:“未来几年将继续发展的一个趋势是减少对物理传感器的依赖。”“这是

因为发动机控制单元不断变得更加先进,能够实现更好的发动机控制和诊断性能。”

他补充说:“此外,发动机将变得更智能、功能更强大——不仅是在更低的排放或更高的功率方面,而且在应用程序要求的方式下运行更可靠。”

柴油排放能降到多低?

沃尔沃Penta工业产品规划总监Christer Hedström指出,在降低排放方面,迄今为止的重点主要是减少氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM),但在未来几年,二氧化碳的减少将成为更大的重点。

他表示:“在沃尔沃Penta,发动机性能和减少环境影响是齐头并进的。”“在开发我们的产品时,降低发动机排放和燃油消耗是首要任务,此外还有进一步提高燃烧效率,减少发动机内摩擦,优化发动机子系统,提高燃油喷射设备和涡轮增压器系统的效率,以及改进发动机软件。”

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久保田的电池动力迷你挖掘机原型机与拖拉机共用关键电气部件,为非柴油动力和超低噪音工程机械的出现做准备

康明斯非公路营销传播总监史蒂夫•南迪克(Steve Nendick)指出,柴油发动机从未像现在这样清洁。

他表示:“与欧盟阶段1的发动机相比,康明斯V阶段性能系列发动机的颗粒物(PM)减少了近99%,氮氧化物减少了96%。这些发动机功率在100 - 675马力(75-503千瓦)之间,符合EPA Tier 4 Final和EU Stage V排放法规,这是全球最严格的排放法规。”

Nendick表示,在100-430马力(75-321千瓦)范围内,康明斯高性能系列发动机的功率平均提高了10%,扭矩提高了20%,这得益于其更高的功率密度,鼓励人们安装更小、更轻的发动机,而性能却没有下降。

超高的NOx和PM排放归功于康明斯单模块后处理系统,该系统将DPF和SCR技术集成到一个易于安装的包中。

Nendick表示:“这对整车厂和终端用户来说是双赢的。“这些更小、更轻、更清洁的柴油技术不仅满足了行业的电力需求和减排需求,还降低了原始设备制造商的安装成本,使他们有机会提高机器的性能。运营商还可以在不影响生产力的情况下减少使用时的排放。”

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山特维克的LH517地下装载机配备了沃尔沃Penta的欧盟V阶段发动机解决方案

几年前,有许多方法都被认为是减少柴油尾气排放的最佳选择。今天仍然有选择,但有更微妙的变化。MAN发动机和零部件销售总监Juergen Haberland回忆道:“对于Tier IV/EU IV阶段的发展,该行业开始采用冷却外部EGR(废气再循环)和SCR(选择性催化还原)的组合。

“现在,随着催化转化技术的进步,我们看到越来越多的解决方案只使用SCR或降低EGR率。其效果可能是更高的DEF消耗,但更低的燃料消耗。对于EU V阶段,除了SCR技术外,还需要DPF滤波器来降低颗粒限制。”

该市场的一个猜测来源是北美是否会引入新的排放法规:自2014年美国Tier IV最终法规满足要求以来,北美没有新的法规,但欧盟继续推进第五阶段。

康明斯L9性能系列双REPTO

康明斯L9性能系列配备双REPTO(后置发动机动力起飞)

EU V阶段不仅限制PM质量(与Tier IV Final标准相同,为0.015克/千瓦时),还对19至560千瓦的发动机引入PM数量。

许多北美人猜测,美国是否会采取与欧盟相同或类似的立法。

“我认为,大多数全球oem都认为,欧盟的颗粒数(PN)标准对美国来说是不可避免的。如果PN标准在未来某个时候被纳入美国规则,我不会感到惊讶,”柴油技术论坛执行董事艾伦·谢弗(Allen Schaeffer)说。

非公路柴油发动机先进后处理

Hedström解释说,沃尔沃Penta V级发动机配备了先进的尾气后处理系统(EATS),该系统由柴油氧化催化剂(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、AdBlue加药系统、选择性催化还原(SCR)和氨滑催化剂(ASC)组成。

他说:“该系统在减少排放方面非常有效,在各种应用中都具有良好的可靠性。”“第五阶段排放法规要求560kw以下的越野发动机必须有一个DPF来捕获和存储烟灰。煤烟需要燃烧掉以再生DPF,这通常是在机器处于静止状态时完成的,称为主动再生。

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到目前为止,减少氮氧化物和颗粒物一直是重点,但在未来几年,减少二氧化碳将成为更大的重点

“然而,在沃尔沃Penta,我们有一个‘零再生’的愿景,这意味着我们已经尽可能地减少了主动再生的需求,减少停机时间,保持客户机器的正常运行和盈利。通过优化的发动机和无缝协同工作的eat,沃尔沃Penta解决方案通过最大限度地使用被动再生来提高正常运行时间。在这里,在DPF中积累的烟尘在正常的机器运行中被燃烧掉,而不需要频繁的主动静止再生。”

减少排放的一种方法是减少总燃料消耗。这可以分为三个主要类别:燃烧效率,空气处理效率和管理摩擦损失。

Deere公司的Lefebvre表示:“作为发动机开发的一部分,我们一直在利用先进的建模技术解决这些问题。“在开始制造硬件和燃烧系统之前,我们将继续使用虚拟分析来开发我们的能力,并推进这些能力。高级建模允许我们定义和优化引擎子系统,以实现我们的性能要求。

Lefebvre继续说道:“我们在燃油消耗方面的最新进展体现在13.6L发动机上。“我们从头开始设计引擎。该项目的目标之一是管理缸内效率。我们设计这款发动机的目的是增加燃烧压力,以适应燃料的快速燃烧,同时最大限度地减少热损失,从而提高性能。”

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克里斯特Hedström,沃尔沃Penta工业产品规划总监

另一种进一步减少发动机排放的方法是管理通过发动机的气流,并向后处理系统提供更温暖的废气,使其更有效。

柴油发动机将继续存在

虽然柴油发动机无疑比以往任何时候都更清洁、更强大,但不可否认的是,越野汽车行业对电气化很感兴趣,原始设备制造商和他们的客户当然可以看到其中的好处。

Hedström表示:“我们已经开始在能源需求相对较小、标准工作日有良好充电可能性的地方看到电气化。”“我认为我们将看到电气化进入能源需求增加的应用领域,但在大功率、高能量要求的应用领域还需要一段时间。

“很难想象在短时间内没有柴油的世界,无论是常规应用还是混合应用。但我认为,柴油发动机的使用将以应用为基础,在某些应用中,如高耗能的越野建筑应用中,这种情况将持续相当长一段时间。但即使在这里,也可能会出现多种技术的混合。”

列菲伏尔说,即使电气化市场不断增长,柴油动力的寿命也很长。

“非公路市场的需求将继续保持不变——这需要来自柴油的能量密度,而目前全电动解决方案无法提供。当更小的应用程序可以使用替代系统满足相同的非公路性能要求时,柴油使用的作用可能会发生变化。然而,柴油很可能继续成为重型应用的主要能源。”

在非公路设备中实施替代动力系统的可行性将取决于能否优化整体动力解决方案——平衡机械、液压和电力系统和成本。

施工设备电气化的费用

Nendick说,随着电气化趋势继续推动客运的发展,制造商有机会为非公路车辆考虑替代电力解决方案。关键是要确保任何新电源都是高效、可靠的,并能满足建筑设备所需的占空比。

他说:“为此,康明斯等制造商致力于开发解决方案,以满足市场对性能、正常运行时间和运行成本的期望,同时满足减排需求。”“我们正在使用各种燃料来源,包括先进的柴油、混合动力、全电动和氢燃料电池技术。

“由于替代解决方案的经济挑战,建筑设备在一段时间内仍将继续依赖柴油,特别是重型循环机械,如推土机和大型挖掘机。虽然已经取得了巨大的进步,但目前还没有任何可行的替代方案可以与重型建筑设备的柴油动力媲美,在能源效率、灵活性、可靠性和耐久性方面。”

JCB的首席创新和增长官蒂姆·伯恩霍普(Tim Burnhope)解释说,例如,对于大型挖掘机来说,电力在经济和环境方面都太昂贵了。一块锂离子电池的成本为16万英镑(合20.8万美元),足以为一辆20吨重的挖掘机提供8小时轮班的动力,更不用说电池制造过程中产生的大量二氧化碳了。

“另一方面,柴油比汽油、天然气、各种电池类型和许多其他燃料或电源包含更多的能量,”他说。“事实上,按质量计算,柴油含有的能量是目前锂离子电池的54倍左右。

他说:“即使是在偏远地区,柴油也可以很容易地安全运送到现场。”最后,由于其高扭矩特性和坚固性,柴油发动机非常适合重型应用,包括建筑设备。”

哈伯兰总结道:“有些应用传统上是由电力驱动的,而有些应用永远不会。远程工作的机器,那里的能源供应——或电网——不容易获得,

在可预见的未来,传统内燃机仍将不可替代。”

珀金斯任命了新的销售专业人员

全球发动机制造商任命区域总监

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比尔·吉昂塔,美洲销售总监

发动机制造商Perkins任命了美洲和EAME(欧洲、非洲和中东)地区的新区域销售总监。

继Trevor Toulson退休后,Richard Hemmings被提升为EAME销售总监。他负责EAME地区直接电力(EP) oem和Perkins分销商的销售。

最近,Hemmings担任EAME地区EP销售经理,他的成就包括加强与Perkins大型EP oem的关系。

与此同时,Bill Giunta被任命为美洲销售总监

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EAME销售总监Richard Hemmings说

负责珀金斯产品在美洲地区的发动机销售。

Giunta最近担任该公司的产品和技术支持经理,他还将与该地区的Perkins分销商密切合作,进一步为所有Perkins驱动的客户提供卓越的分销服务。

可替代燃料

选择很多,但它们真的比柴油好吗?

近年来,全球向电动机械的转变是不可否认的,需求主要是由增加的排放法规推动的,噪音水平法规也是一个因素。电动机械可以使工作在密闭空间或地下进行,而不会产生有害排放,其降低的噪音输出也使其适用于城市或人口密集环境中的建筑工作。

另一种选择是天然气(LPG)。液化石油气(LPG或LP气)是一种可燃的碳氢化合物气体混合物,用作加热设备、烹饪设备和车辆的燃料。

“在久保田,我们认为这是传统柴油和电动汽车之间的中间地带,”久保田英国建筑业务发展经理格伦•汉普森(Glen Hampson)表示。

“GAS的好处是初始购买价格明显低于电力,并且能够在没有专门的充电基础设施的情况下完成一整天的工作。操作人员可以在不到三分钟的时间内更换机组的气瓶。与柴油相比,GAS机械具有低噪音和低振动,同时由于具有相同的核心设计,保持了发动机的耐用性。”

其他替代燃料包括加氢植物油(HVO)、生物燃料脂肪酸甲酯(FAME)和氢。

沃尔沃Penta工业产品规划总监Christer Hedström解释说:“HVO是一种可再生的石蜡燃料,也被称为‘合成柴油’,可以从各种蔬菜和动物来源中生产。”“你可以在所有沃尔沃Penta柴油发动机上使用纯HVO或混合HVO。根据HVO生产中使用的材料,化石燃料的二氧化碳排放量最多可减少90%。”

汉普森说,尽管有可供选择的替代品,但没有明显的必要放弃柴油。他说:“综合考虑,柴油发动机仍然表现更好,使用时间更长,我们的客户的初始购买价格更低。”“试图让替代燃料符合这些标准是所有制造商未来面临的巨大挑战。”

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