專利名稱：燃油發(fā)動機伺服加載裝置及其動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種燃油發(fā)動機伺服加載裝置及動態(tài) 尋優(yōu)運行控制方法。因發(fā)動機機件狀況或燃油品質(zhì)等因素的改變，燃油發(fā)動 機最佳效率的轉(zhuǎn)速與扭矩匹配的數(shù)據(jù)是會改變的，本燃油發(fā)動機伺服加載裝 置及其運行控制方法，能自動動態(tài)尋優(yōu)、實時修正發(fā)動機最佳效率運行曲線， 使發(fā)動機保持工作在實際最佳效率運行曲線上，達到進一步節(jié)省能源的目 的。(二) 背景技術(shù)試驗表明，燃油發(fā)動機輸出某個機械功率存在若干個不同轉(zhuǎn)速和扭矩配 合的工作點，發(fā)動機輸出相同的某個機械功率的多個工作點中存在一個油耗 最低點，即為轉(zhuǎn)速-扭矩的最佳匹配工作點。將不同輸出功率下的油耗最低 點相連并作平滑處理獲得的曲線就是該發(fā)動機的最佳效率運行曲線。在該曲 線上燃油發(fā)動機效率最高，消耗等量的燃油獲得的機械能量的最大。由此可見，當燃油發(fā)動機工作在某轉(zhuǎn)速下，如果施加在其軸上的扭矩與 最佳效率運行曲線要求的扭矩相同，發(fā)動機即工作在當前轉(zhuǎn)速的最佳效率點 上。發(fā)動機在不同的轉(zhuǎn)速下，保持施加在軸上的扭矩總與最佳效率運行曲線 要求的扭矩相同，即發(fā)動機的轉(zhuǎn)速-扭矩與最佳效率運行曲線的要求相吻合， 發(fā)動機消耗等量的燃油將可獲得最大的機械能量，達到最經(jīng)濟的運行狀態(tài)。目前主要各種燃油發(fā)動機均配置有級變速撥箱和無級變速箱(CVT)等 機械傳動機構(gòu)，來調(diào)節(jié)匹配的其轉(zhuǎn)速和扭矩，期望燃油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速-扭矩 匹配逼近最佳效率運行曲線。最普遍應(yīng)用的有級變速撥箱有4-5個速度檔位，能進行簡易的速度調(diào)節(jié)， 但變速比無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當負載扭矩因為風阻、載重、路況、環(huán)境、磨損等 情況變化時，在不同檔的不同轉(zhuǎn)速下施加于發(fā)動機軸上的扭矩很少能與最佳 效率運行曲線的要求相一致。無級變速箱(CVT)主要由主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵組成， 通過改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑實現(xiàn)變速比的連續(xù)變化，從而實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速-扭矩較好的匹配。但無級變速箱也存在明顯 局限性其一是機械結(jié)構(gòu)較復雜因而其制造成本高；再者機械結(jié)構(gòu)和液壓系 統(tǒng)的慣量大因而調(diào)節(jié)速度慢，發(fā)動機油門或外部負載扭矩動態(tài)變化時，特別 是路況頻繁變化、油門頻繁改變、頻繁變速的時候，無級變速箱(CVT)不 能快速、準確地調(diào)整變比，燃油發(fā)動機工作在最佳效率運行曲線的概率仍很 低；另外無級變速箱(CVT)傳動效率低于一般的齒輪變速箱。這些缺點都 影響到CVT的推廣應(yīng)用。燃油發(fā)動機配置扭矩伺服加載裝置，即可依據(jù)發(fā)動機的實際轉(zhuǎn)速和主控 單元計算機內(nèi)預(yù)存的最佳效率運行曲線，按當前轉(zhuǎn)速得到匹配的扭矩數(shù)據(jù)， 通過伺服裝置的電機給燃油發(fā)動機施加相應(yīng)的扭矩，即可以使燃油發(fā)動機工 作在預(yù)存的最佳效率運行曲線上，大大提高了燃油發(fā)動機的運行效率，節(jié)能 明顯。但是因為同一型號的燃油發(fā)動機特性也存在分散性，不可能統(tǒng)-一，另外 隨著燃油發(fā)動機機件的不斷老化、所用燃油的變化、空氣混合比的變化、發(fā) 動機溫度的變化等外部因素，燃油發(fā)動機實際最佳效率運行曲線往往會偏離 最初廠家提供的或試驗所得的最佳效率運行曲線。也就是說按伺服加載裝置 最初存儲的最佳效率運行曲線控制燃油發(fā)動機，按當前轉(zhuǎn)速用所存儲的最佳 效率運行曲線計算得到的扭距，并不是與該轉(zhuǎn)速匹配的可獲得最佳效率的扭 距，也就是說伺服加載裝置并未使燃油發(fā)動機工作在變化后的真正的最佳效 率運行曲線上，因而節(jié)能效果將打折扣。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計一種燃油發(fā)動機伺服加載裝置及其動態(tài)尋優(yōu)運行 控制方法，在伺服加載裝置預(yù)存的最佳效率運行曲線的基礎(chǔ)上，再作尋優(yōu)修 正，根據(jù)當前功率與燃油消耗狀況，不斷地尋找與當前轉(zhuǎn)速匹配的最佳效率 扭矩值，并不斷更新存儲的最佳效率運行曲線，使燃油發(fā)動機始終工作在真 正的最佳效率曲線上。本發(fā)明設(shè)計的燃油發(fā)動機的伺服加載裝置包括電機、伺服驅(qū)動器及主控 單元。所述電機為永磁同步伺服電機、或開關(guān)磁阻電機、或無刷直流電機。 電機的外轉(zhuǎn)子內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子與燃油發(fā)動機輸出軸直連；電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子 軸為本裝置的輸出軸。外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子二者其一嵌有永磁材料，另一個為繞 制在鐵芯上的繞組，嵌有永磁材料的為另一個提供磁場，繞組通過集電環(huán)與伺服驅(qū)動器連接。電機的外轉(zhuǎn)子軸上安裝速度/位置傳感器。速度/位置傳感 器與主控單元和伺服驅(qū)動器連接。電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上安裝有位置傳感器，位 置傳感器與伺服驅(qū)動器連接。主控單元連接伺服驅(qū)動器。主控單元主體為計 算機，其內(nèi)存儲記錄有所連接的燃油發(fā)動機最佳效率運行曲線的轉(zhuǎn)速-扭矩 匹配數(shù)據(jù)或匹配關(guān)系公式以及最佳效率運行曲線上各點的發(fā)動機單位輸出 機械能油耗數(shù)據(jù)。主控單元計算機內(nèi)還存儲有自動尋優(yōu)程序。燃油發(fā)動機的 油路上還安裝有流量傳感器，也與主控單元的計算機相連接。本發(fā)明的燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法包括以下 步驟第一步燃油發(fā)動機安裝與其最大扭矩與最高轉(zhuǎn)速相配的上述的伺服加 載裝置，燃油發(fā)動機的油路上還安裝有流量傳感器，流量傳感器與主控單元 的計算機相連接；第二步當燃油發(fā)動機運行時，速度/位置傳感器實時監(jiān)測與其直連的外 轉(zhuǎn)子速度，并將外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速度信號N(轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘)實時送至主控單元，外轉(zhuǎn)子 位置信號實時送至伺服驅(qū)動器；位置傳感器實時監(jiān)測內(nèi)轉(zhuǎn)子位置，并將內(nèi)轉(zhuǎn) 子位置信號實時送至伺服驅(qū)動器；第三步主控單元根據(jù)當前速度信號N，依據(jù)預(yù)存的最佳效率運行曲線確 定與轉(zhuǎn)速匹配的最佳扭矩值T，并將該扭矩值T的設(shè)定送入伺服驅(qū)動器，伺 服驅(qū)動器根據(jù)主控單元指令按扭矩設(shè)定和內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子當前位置信號控制 內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子繞組的電流矢量，使發(fā)動機輸出軸承受扭矩T，同時通過內(nèi) 轉(zhuǎn)子軸輸出相同大小的扭矩；第四步在第三步得到的扭矩值T的基礎(chǔ)上，主控單元計算機的自動尋 優(yōu)程序自動增加或減小扭矩值，以扭矩T+dT的設(shè)定送入伺服驅(qū)動器，控制 燃油發(fā)動機扭矩試運行；第五步主控單元由油路上的流量傳感器獲取在速度N、扭矩T+dT狀態(tài) 下dt(h)時間內(nèi)的耗油量，根據(jù)當前速度N、扭矩T+dT計算燃油發(fā)動機dt 時間內(nèi)輸出的機械能量W二NX(T+dT)Xdt/9550 (千瓦小時)，由此獲得本次 試運行期間燃油發(fā)動機單位機械能消耗燃油的BE值，即每千瓦小時機械功 的耗油量M/W (g/跳，克/千瓦小時)；第六步比較轉(zhuǎn)速為N、尋優(yōu)試運轉(zhuǎn)扭矩(T+dT)的情況下燃油發(fā)動機單 位機械能消耗燃油數(shù)據(jù)與主控單元計算機存儲的轉(zhuǎn)速為N的情況下最佳效率 曲線上對應(yīng)點的耗油數(shù)據(jù)，如果扭矩為T+dT試運行的單位機械能耗油量小于轉(zhuǎn)速為N的最佳效率曲線上的油耗指標，則以T+dT取代原來的T存入主 控單元計算機，主控單元計算機繼續(xù)按上述方法以T+dT進一步尋優(yōu)；反之， 如果扭矩為T+dT的耗油量大于轉(zhuǎn)速為N的最佳效率曲線上的油耗數(shù)據(jù)，則 逆向?qū)?yōu)，即主控單元計算機以扭矩T-dT送入伺服驅(qū)動器，控制燃油發(fā)動 機扭矩試運行，并比較其耗油量；如果扭矩為T-dT試運行的單位機械能耗 油量小于轉(zhuǎn)速為N的最佳效率曲線上的油耗指標，則以T-dT取代原來的T 存入計算機；如果扭矩為T-dT的耗油量仍大于轉(zhuǎn)速為N的最佳效率曲線上 的油耗數(shù)據(jù)，則再次反向?qū)?yōu)，即以T+dT尋優(yōu)。尋優(yōu)程序在進行尋優(yōu)時賦予二尋優(yōu)標識以確定尋優(yōu)方向，轉(zhuǎn)速為N開始 尋優(yōu)時賦予尋優(yōu)標識I按正向以T+dT尋優(yōu)，當扭矩為T+dT的耗油量小于轉(zhuǎn) 速為N的最佳效率曲線上的油耗數(shù)據(jù)、即尋優(yōu)成功時尋優(yōu)標識I不變，在轉(zhuǎn) 速N不變的情況下，繼續(xù)按此方向?qū)?yōu)；反之若尋優(yōu)失敗，則改變尋優(yōu)標識 為II，并以T-dT開始尋優(yōu)，同樣尋優(yōu)成功時尋優(yōu)標識II不變、尋優(yōu)失敗尋 優(yōu)標識改回為I 。如此反復循環(huán)尋優(yōu)、更新T，在轉(zhuǎn)速不變情況下按尋優(yōu)標 識的指向以T+dT或T-dT尋優(yōu)；轉(zhuǎn)速改變時則重置尋優(yōu)標識為初值后重新開 始循環(huán)。如此即可以保持主控單元的計算機存儲的最佳效率運行曲線數(shù)據(jù)不 斷向?qū)嶋H的最佳狀態(tài)更新。當尋優(yōu)標識為I時，也可先以T-dT尋優(yōu)，若尋優(yōu)失敗，尋優(yōu)標識改為 II，再以T+dT尋優(yōu)，情況與上述類似。本燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法，在不同的轉(zhuǎn)速下 對相匹配的扭矩進行尋優(yōu)調(diào)節(jié)，主控單元的計算機中動態(tài)地修正、不斷地更 新預(yù)存的最佳效率運行曲線數(shù)據(jù)，從而使燃油發(fā)動機能夠按當前實際最優(yōu)效 率曲線運行。本發(fā)明燃油發(fā)動機伺服加載裝置及動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法的優(yōu)點為1、 安裝在發(fā)動機軸上的伺服驅(qū)動裝置代替了機械式變速箱和離合器，伺服驅(qū)動 器以扭矩伺服方式調(diào)節(jié)電機施加在發(fā)動機軸上的扭矩，保證燃油發(fā)動機實時 工作在最佳效率運行曲線上，實現(xiàn)消耗等量的燃油時輸出最大的機械能；2、 本裝置使燃油發(fā)動機輸出軸與外負載無直接的機械連接，即使外負載扭矩頻 繁變化或者燃油發(fā)動機轉(zhuǎn)速頻繁變化，伺服驅(qū)動器仍能連續(xù)、迅速、準確地 按照最佳效率運行曲線的要求對發(fā)動機實時地施加匹配扭矩，使發(fā)動機消耗 等量的燃油時輸出的機械能最大；3、本裝置及控制方法在預(yù)存的最佳效率 運行曲線基礎(chǔ)上動態(tài)尋優(yōu)，即使發(fā)動機的狀態(tài)改變、燃油質(zhì)量不同，也可尋得與當前速度匹配的最佳扭矩值，以此來控制燃油發(fā)動機輸出軸扭矩，使其 運行在實際的最佳效率運行曲線上；同時將尋優(yōu)得到的與該轉(zhuǎn)速匹配的扭矩 值存入主控單元計算機，主控單元的計算機存儲的最佳效率曲線數(shù)據(jù)得以不 斷地更新；4、本裝置及控制方法與單純使用預(yù)存的最佳效率曲線進行伺服 控制相比較，其節(jié)能效果更為明顯，5、本裝置和控制方法可應(yīng)用各種內(nèi)燃 發(fā)動機，特別適用于油電混合動力電動車，達到更好地節(jié)能和降低廢氣排放 的目的。(四)
圖1為本燃油發(fā)動機的伺服加載裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖中標記為1燃油發(fā)動機，2發(fā)動機輸出軸，3速度/位置傳感器，4 外轉(zhuǎn)子，5內(nèi)轉(zhuǎn)子，6集電環(huán)，7輸出軸，8伺服驅(qū)動器，9主控單元，10 位置傳感器，11流量傳感器；圖2為某1. 8L排量汽油發(fā)動機最佳效率運行曲線，圖中縱坐標為發(fā)動 機輸出軸扭矩(單位為N'm，牛頓米)，橫坐標為發(fā)動機輸出軸轉(zhuǎn)速(單位 為rpm，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))，其中細虛線為等功率線(單位為kW，千瓦)，細實線 為等能耗線BE (單位為g/kWh，每千瓦小時克)，粗實線為發(fā)動機最佳效率 曲線，粗虛線為發(fā)動機最大扭矩限制；圖3為本燃油發(fā)動機的伺服加載裝置動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法程序框圖。
具體實施方式
本燃油發(fā)動機的伺服加載裝置實施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃油發(fā)動機1連接包括永磁同步電機及伺服驅(qū)動器的伺服控制裝置，電機的外轉(zhuǎn)子4與燃 油發(fā)動機l的輸出軸2直連接；電機的外轉(zhuǎn)子4內(nèi)嵌永磁材料，其內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn) 子5，內(nèi)轉(zhuǎn)子5為繞制在鐵芯上的繞組，內(nèi)轉(zhuǎn)子5的軸為本裝置的輸出軸7。 外轉(zhuǎn)子4上安裝有速度/位置傳感器3。速度/位置傳感器3與主控單元9和 伺服驅(qū)動器8連接。內(nèi)轉(zhuǎn)子5軸上安裝有位置傳感器10，位置傳感器10與 伺服驅(qū)動器8連接。主控單元9連接伺服驅(qū)動器8。伺服驅(qū)動器8通過集電 環(huán)6與內(nèi)轉(zhuǎn)子5的繞組連接。主控單元9主體為計算機，其內(nèi)存儲該燃油發(fā) 動機1最佳效率運行曲線的相匹配的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)以及曲線上各點的單位 機械能油耗值，即圖2中的最佳效率曲線轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)和曲線上各點的BE 值，主控單元計算機內(nèi)還存儲有自動尋優(yōu)程序。燃油發(fā)動機l的油路上還安 裝流量傳感器ll，也與主控單元9連接。發(fā)動機的最佳效率運行曲線及曲線上各點的單位機械能油耗值可由生 產(chǎn)廠家提供，也可以用專用測試設(shè)備通過試驗獲得。本燃油發(fā)動機的伺服加載裝置也可采用開關(guān)磁阻電機、或無刷直流電 機，結(jié)構(gòu)與上述相同。也可在內(nèi)轉(zhuǎn)子5和外轉(zhuǎn)子4之間安裝相對位置檢測裝置，該相對位置檢測裝置與伺服驅(qū)動器8連接。用以替代內(nèi)轉(zhuǎn)子5上的位置傳感器10和外轉(zhuǎn) 子4上的速度/位置傳感器對內(nèi)轉(zhuǎn)子5和外轉(zhuǎn)子4的位置檢測，直接將二者 相對位置信號送至伺服驅(qū)動器8。本裝置的外轉(zhuǎn)子4也可為繞制在鐵芯上的繞組，集電環(huán)6安裝在發(fā)動機 軸2上，該繞組通過集電環(huán)6與伺服驅(qū)動器8相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子5則為嵌永磁材 料的轉(zhuǎn)子，為外轉(zhuǎn)子4提供磁場，其它結(jié)構(gòu)與上述相同。本燃油發(fā)動機伺服加載裝置動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法的程序框圖如圖3所 示，具體敘述如下第一步燃油發(fā)動機安裝與其最大扭矩與最高轉(zhuǎn)速相配的上述的伺服加 載裝置，電機外轉(zhuǎn)子4上安裝速度/位置傳感器3，速度/位置傳感器3與主 控單元9的計算機和伺服驅(qū)動器8連接；燃油發(fā)動機1的油路上還安裝有流 量傳感器11，流量傳感器11與主控單元9的計算機相連接；電機內(nèi)轉(zhuǎn)子5 軸上安裝有位置傳感器10，位置傳感器10與伺服驅(qū)動器8連接。第二步當燃油發(fā)動機1運行時，速度/位置傳感器3的實時監(jiān)測外轉(zhuǎn)子 4當前轉(zhuǎn)速與位置，并將速度信號N(轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘)實時送至主控單元9，位置 信號送至伺服驅(qū)動器8，位置傳感器10實時監(jiān)測內(nèi)轉(zhuǎn)子5當前位置，并將位 置信號送至伺服驅(qū)動器8;第三步主控單元9根據(jù)當前速度信號N，依據(jù)預(yù)存的最佳效率曲線確定 與之匹配的最佳扭矩T(N. m,牛頓米)，并將該扭矩值T的設(shè)定送入伺服驅(qū)動 器8，伺服驅(qū)動器8根據(jù)主控單元送來的扭矩設(shè)定和根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子5、外轉(zhuǎn)子4 的位置信號求得的內(nèi)轉(zhuǎn)子5、外轉(zhuǎn)子4相對位置信號加載內(nèi)轉(zhuǎn)子5繞組的電 流矢量，使發(fā)動機輸出軸承受扭矩T，同時內(nèi)轉(zhuǎn)子5的輸出軸對外輸出同樣 大小的扭矩；第四步在第三步得到的扭矩值T的基礎(chǔ)上，主控單元9的自動尋優(yōu)程 序自動按尋優(yōu)步距長dT增加或減小扭矩值開始尋優(yōu)，并賦予尋優(yōu)標識為正， 主控單元9以T+dT的設(shè)定送入伺服驅(qū)動器8，伺服驅(qū)動器8根據(jù)主控單元送 來的扭矩設(shè)定和內(nèi)轉(zhuǎn)子5、外轉(zhuǎn)子4的相對位置信號加載內(nèi)轉(zhuǎn)子5繞組的電流矢量，控制燃油發(fā)動機1以扭矩T+dT試運行；第五步主控單元由油路上的流量傳感器獲取在速度N、扭矩T+dT狀態(tài) 下在尋優(yōu)測算時間dt(h，小時)內(nèi)的耗油量，根據(jù)當前速度N、扭矩T+dT計 算燃油發(fā)動機dt時間內(nèi)輸出的機械能量W二NX (T+dT) Xdt/9550 (kWh，千瓦 小時)，由此獲得本次試運行期間燃油發(fā)動機單位機械能消耗燃油值，即每 千瓦小時機械功的耗油量M/W (g/kWh，克/千瓦小時)；第六步比較轉(zhuǎn)速為N的情況下，尋優(yōu)試運轉(zhuǎn)扭矩(T+dT)的燃油發(fā)動機1 單位機械能消耗燃油數(shù)據(jù)與主控單元9計算機存儲的轉(zhuǎn)速為N的情況下最佳 效率運行曲線上對應(yīng)點的耗油數(shù)據(jù)，如果在尋優(yōu)測算時間dt內(nèi)試運行點的 單位機械能耗油量小于最佳效率運行曲線上的耗油指標，即尋優(yōu)成功，則以 T+dT取代原來的T存入主控單元9計算機，尋優(yōu)標識為正不變，主控單元9 的計算機繼續(xù)按上述方法以T+dT再次尋優(yōu)；反之，如果扭矩為T+dT的試運 行單位機械能耗油量大于最佳效率運行曲線上的數(shù)據(jù)，即尋優(yōu)失敗，則改變 尋優(yōu)標識為負，并逆向?qū)?yōu)，主控單元9的計算機以扭矩T-dT送入伺服驅(qū) 動器8，控制燃油發(fā)動機1輸出軸扭矩試運行，并比較其耗油量；如果在尋 優(yōu)測算時間dt內(nèi)T-dT試運行點的單位機械能耗油量小于最佳效率運行曲線 上的耗油指標，尋優(yōu)成功則以T-dT取代原來的T存入主控單元9計算機， 尋優(yōu)標識為負不變，主控單元9的計算機繼續(xù)按上述方法以T-dT再次尋優(yōu)； 反之，如果扭矩為T-dT的試運行單位機械能耗油量大于最佳效率運行曲線 上的數(shù)據(jù)，則改變尋優(yōu)標識為正，并再次正向?qū)?yōu)。轉(zhuǎn)速N不變的情況下，以T+dT和T-dT反復循環(huán)、步步尋優(yōu)、更新，當轉(zhuǎn)速改變，尋優(yōu)循環(huán)重新開始。如此即可以保持最佳效率曲線的轉(zhuǎn)速扭矩匹 配數(shù)據(jù)不斷更新為實際的最佳數(shù)據(jù)，使燃油發(fā)動機1始終工作在實際的最佳 效率曲線上，達到最佳節(jié)能效果。計算機可根據(jù)需要干預(yù)自動尋優(yōu)程序，停止或重新開始。自動尋優(yōu)程序 停止后，主控單元9按上述第三步，根據(jù)當前速度信號N，依據(jù)預(yù)存的最佳 效率曲線確定與之匹配的最佳扭矩T，并將該扭矩值T的設(shè)定送入伺服驅(qū)動 器8，控制發(fā)動機運行。重新開始自動尋優(yōu)程序則仍按上述第一至第六步的 流程運行。尋優(yōu)步距長dT的選取遵循兩個原則 一是尋優(yōu)足夠快速，這要求dT較 大；二是尋優(yōu)點足夠密，以免dT越過最優(yōu)點，這要求dT足夠小。dT可選 0. 1 10牛頓米。根據(jù)主控單元9計算機的運算速度快慢和發(fā)動機最佳經(jīng)濟運行曲線變化速率的快慢不同，確定dT的大小。主控單元9計算機的運算速度較快，dT即較?。话l(fā)動機最佳經(jīng)濟運行曲線變化速率較快，dT即較大。dT小于額定扭矩的5%，以免引起控制振蕩。尋優(yōu)測算時間dt為0. 1 5秒，具體與流量傳感器11的油耗測量速度 和精度有關(guān)，油耗測量速度較快、精度較高，dt較小。1. 8L排量汽油發(fā)動機安裝本伺服加載裝置，并采用本動態(tài)運行控制方法 運行，如圖2所示的A點，在發(fā)動機工作于輸出功率15kW的工況并保持不 變的情況下，如果發(fā)動機工作在非經(jīng)濟工作點3500轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘，40. 9牛頓米， 其單位輸出機械能量的油耗為335克/千瓦小時，但通過本加載控制裝置和 本運行控制方法將發(fā)動機工作點調(diào)整到最佳經(jīng)濟運行曲線上的B點，即1302 轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘，UO牛頓米，其單位輸出機械能量的油耗降低為250克/千瓦小時， 減少油耗25.4%。當因燃油質(zhì)量的改變或發(fā)動機磨損，當該最佳效率運行曲 線實際在該點發(fā)生10%的偏移時，若仍按原曲線的扭矩控制，油耗要比最低 值高1% 20%，本裝置和方法動態(tài)更新最佳效率曲線，使相同機械能量輸出 時油耗最低。視工作點不同，偏移情況不同，節(jié)油情況不同，但均能保持最 佳節(jié)能狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種燃油發(fā)動機的伺服加載裝置，其特征在于包括電機、伺服驅(qū)動器及主控單元，所述電機為永磁同步伺服電機、或開關(guān)磁阻電機、或無刷直流電機；電機的外轉(zhuǎn)子(4)的軸與燃油發(fā)動機(1)的輸出軸(2)直連；電機的外轉(zhuǎn)子(4)內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸為本裝置的輸出軸(7)；外轉(zhuǎn)子(4)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)二者其一嵌有永磁材料，另一個為繞制在鐵芯上的繞組，繞組通過集電環(huán)(6)與伺服驅(qū)動器(8)連接；外轉(zhuǎn)子(4)上安裝有速度/位置傳感器(3)，速度/位置傳感器(3)與主控單元(9)和伺服驅(qū)動器(8)連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸上安裝有位置傳感器(10)，位置傳感器(10)與伺服驅(qū)動器(8)連接；主控單元(9)連接伺服驅(qū)動器(8)；燃油發(fā)動機(1)的油路上還安裝流量傳感器(11)，也與主控單元(9)連接；主控單元(9)內(nèi)存儲該燃油發(fā)動機(1)最佳效率運行曲線的相匹配的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)以及曲線上各點的單位機械能油耗油值，還存儲有自動尋優(yōu)程序。
2、 一種燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法，其特征在于包括以下步驟第一步燃油發(fā)動機(1)安裝與其最大扭矩與最高轉(zhuǎn)速相配的何服加 載裝置，所述伺服加載裝置包括電機、伺服驅(qū)動器及主控單元，所述電機 為永磁同步伺服電機、或開關(guān)磁阻電機、或無刷直流電機；電機的外轉(zhuǎn)子 (4)的軸與燃油發(fā)動機(1)的輸出軸(2)直連；電機的外轉(zhuǎn)子(4)內(nèi) 嵌永磁材料，其內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸為本裝置的輸出軸(7); 外轉(zhuǎn)子(4)和內(nèi)轉(zhuǎn)子(5) 二者其一嵌有永磁材料，另一個為繞制在鐵芯 上的繞組，繞組通過集電環(huán)(6)與伺服驅(qū)動器(8)連接；外轉(zhuǎn)子(4) 上安裝有速度/位置傳感器(3)，速度/位置傳感器(3)與主控單元(9) 和伺服驅(qū)動器(8)連接；內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸上安裝有位置傳感器(10)，位置傳感器(10)與伺服驅(qū)動器(8)連接；主控單元(9)連接伺服驅(qū)動 器(8);燃油發(fā)動機(1)的油路上還安裝流量傳感器(11)，也與主控單 元(9)連接；主控單元(9)內(nèi)存儲該燃油發(fā)動機(1)最佳效率運行曲線的相匹配的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)以及曲線上各點的單位機械能油耗油值，還存儲有自動尋優(yōu)程序；第二步當燃油發(fā)動機速度變化時，速度/位置傳感器(3)實時監(jiān)測 外轉(zhuǎn)子(4)的轉(zhuǎn)速和位置，并將速度信號N(轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘)實時送至主控單元(9)，將位置信號實時送到伺服驅(qū)動器(8);位置傳感器(10)實時監(jiān) 測內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的位置，并將位置信號實時送到伺服驅(qū)動器(8);第三步主控單元(9)根據(jù)當前速度信號N，依據(jù)預(yù)存的最佳效率曲 線確定與之匹配的最佳扭矩T，并將該扭矩值T的設(shè)定送入伺服驅(qū)動器 (8)，伺服驅(qū)動器(8)根據(jù)主控單元(9)送來的扭矩設(shè)定和位置傳感 器(10)送來的內(nèi)轉(zhuǎn)子5當前位置信號、速度/位置傳感器(3)送來的外 轉(zhuǎn)子(4)當前位置信號控制內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)或外轉(zhuǎn)子(4)繞組的電流矢量， 使燃油發(fā)動機(1)輸出軸(2)承受扭矩T，內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸同時輸出同 樣大小的扭矩T;第四步在第三步得到的扭矩值T的基礎(chǔ)上，主控單元(9)的自動尋 優(yōu)程序自動按尋優(yōu)步距長dT增加或減小扭矩值，以T+dT的扭矩設(shè)定送入 伺服驅(qū)動器(8)，伺服驅(qū)動器(8)根據(jù)主控單元(9)送來的扭矩設(shè)定和 內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)、外轉(zhuǎn)子(4)的位置信號控制內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)或外轉(zhuǎn)子(4)繞 組的電流矢量，控制燃油發(fā)動機(1)按扭矩T+dT試運行；第五步主控單元(9)由油路上的流量傳感器(11)獲取在速度N、 扭矩T+dT狀態(tài)下dt時間內(nèi)的耗油量，根據(jù)當前速度N、扭矩T+dT計算燃 油發(fā)動機(1)在尋優(yōu)測算時間dt內(nèi)輸出的機械能量，由此獲得本次試運 行期間燃油發(fā)動機(1)單位機械能消耗燃油值；第六步比較轉(zhuǎn)速為N的情況下尋優(yōu)試運轉(zhuǎn)扭矩T+dT下燃油發(fā)動機(1) 單位機械能消耗燃油數(shù)據(jù)與主控單元(9)存儲的轉(zhuǎn)速為N的情況下最佳 效率運行曲線上對應(yīng)點的耗油數(shù)據(jù)，如果在尋優(yōu)測算時間dt內(nèi)試運行點 單位機械能耗油量小于最佳效率線上的指標，則以T+dT取代原來的T存 入主控單元(9)，主控單元(9)繼續(xù)以上述方法再次尋優(yōu)；反之，如果 扭矩為T+dT試運行的單位機械能耗油量大于最佳效率運行曲線上的數(shù)據(jù)， 則逆向?qū)?yōu)，主控單元(9)以扭矩T-dT送入伺服驅(qū)動器(8)，控制燃油 發(fā)動機(1)輸出軸扭矩試運行，并比較其耗油量；如此反復循環(huán)、步步尋優(yōu)、更新，保持最佳效率曲線的轉(zhuǎn)速扭矩匹配 數(shù)據(jù)不斷更新為實際的最佳數(shù)據(jù)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行 控制方法，其特征在于尋優(yōu)程序在進行尋優(yōu)時賦予二尋優(yōu)標識以確定尋優(yōu)方向，轉(zhuǎn)速為N開始尋優(yōu)時，賦予尋優(yōu)標識I按正向以T+dT尋優(yōu)，當扭矩為T+dT的耗油量 小于轉(zhuǎn)速為N的最佳效率曲線上的油耗數(shù)據(jù)、即尋優(yōu)成功時尋優(yōu)標識I不 變；反之若尋優(yōu)失敗，則改變尋優(yōu)標識為II，并以T-dT開始尋優(yōu)，同樣 尋優(yōu)成功時尋優(yōu)標識II不變、尋優(yōu)失敗尋優(yōu)標識改回為I ;在轉(zhuǎn)速不變情 況下按尋優(yōu)標識指定的方向以T+dT或T-dT尋優(yōu)；轉(zhuǎn)速改變時則重置尋優(yōu) 標識為I后重新開始循環(huán)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu) 運行控制方法，其特征在于所述尋優(yōu)步距長dT為0. 1 10牛頓米。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃油發(fā)動機伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu) 運行控制方法，其特征在于所述尋優(yōu)步距長dT小于額定扭矩的5%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃油發(fā)動機的伺服加載裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法，其特征在于所述尋優(yōu)測算時間dt為0. 1 5秒。
全文摘要
本發(fā)明燃油發(fā)動機伺服加載裝置電機的外轉(zhuǎn)子軸與發(fā)動機輸出軸直連；外轉(zhuǎn)子內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸為裝置輸出軸；內(nèi)外轉(zhuǎn)子之一嵌永磁，另一為繞組。繞組經(jīng)集電環(huán)接伺服驅(qū)動器。外轉(zhuǎn)子的速度/位置傳感器接主控單元與伺服驅(qū)動器，內(nèi)轉(zhuǎn)子的位置傳感器接伺服驅(qū)動器。油路上的流量傳感器接主控單元。主控單元存儲發(fā)動機最佳效率曲線及曲線上各點的單位機械能油耗。本裝置的動態(tài)尋優(yōu)運行控制方法為主控單元按當前轉(zhuǎn)速、依據(jù)最佳效率曲線確定最佳扭矩值T，自動按扭矩T+dT控制發(fā)動機試運行，計算此時的單位機械能油耗值與最佳效率曲線的該值比較，若試運行耗油更低，即以T+dT取代T存儲，并繼續(xù)尋優(yōu)；反之逆向?qū)?yōu)。反復循環(huán)，存儲更新的實際最佳效率曲線。
文檔編號H02P6/08GK101262162SQ20071004860
公開日2008年9月10日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月6日
發(fā)明者虹 呂 申請人:桂林吉星電子等平衡動力有限公司