CN101257243B - 燃油发动机伺服加载装置及其最佳效率运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明燃油发动机伺服加载装置包括电机、伺服驱动器及主控单元，电机外转子与发动机输出轴直连；外转子内为内转子，内转子轴为装置输出轴；内外转子之一嵌永磁另一为绕组。外转子上的速度/位置传感器接主控单元与伺服驱动器，内转子上的位置传感器接伺服驱动器，主控单元与伺服驱动器连接，伺服驱动器与绕组连接，主控单元存储发动机最佳效率运行曲线数据。本装置的最佳效率运行控制方法为：速度/位置传感器实时送出外转子速度和位置信号；位置传感器实时送出内转子位置信号；计算机求取最佳扭矩值；伺服驱动器据扭矩设定值和内外转子相对位置动态加载内或外转子绕组电流，使发动机始终工作在最佳效率曲线上，相同油耗下输出最大机械能。
Description
(一)技术领域
本发明涉及节能技术领域，具体为一种燃油发动机伺服加载装置及其最佳效率运行控制方法。本燃油发动机的伺服加载装置及最佳效率运行控制方法，使发动机在不同的转速下始终工作在最佳效率运行曲线上，使得发动机消耗等量的燃油时获得最大的机械能量，达到节省能源的目的。
(二)背景技术
试验表明，燃油发动机输出某个机械功率存在若干个不同转速和扭矩配合的工作点，在这些工作点中存在一个单位输出机械能量油耗最低点，即为转速-扭矩的最佳匹配工作点。将不同输出功率下的油耗最低点相连并作平滑处理获得的曲线就是该发动机的最佳效率运行曲线。在该曲线上燃油发动机效率最高，消耗等量的燃油获得的机械能量的最大。
由此可见，当燃油发动机工作在某转速下，如果施加在其轴上的扭矩与最佳效率运行曲线要求的扭矩相同，发动机即工作在当前转速的最佳效率点上。发动机在不同的转速下，保持施加在轴上的扭矩总与最佳效率运行曲线要求的扭矩相同，即发动机的转速-扭矩与最佳效率运行曲线的要求相吻合，发动机消耗等量的燃油将可获得最大的机械能量，达到最经济的运行状态。
目前主要各种燃油发动机均配置有级变速拨箱或无级变速箱(CVT)等机械传动机构，来调节匹配其转速和扭矩，期望燃油发动机的转速-扭矩匹配逼近最佳效率运行曲线。
最普遍应用的有级变速拨箱有4-5个速度档位，能进行简易的速度调节，但变速比无法连续调节，当负载扭矩因为风阻、载重、路况、环境、磨损等情况变化时，在不同档的不同转速下施加于发动机轴上的扭矩很少能与最佳效率曲线的要求相一致。
无级变速箱(CVT)主要由主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵组成，通过改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径实现变速比的连续变化，从而实现发动机转速-扭矩较好的匹配。但无级变速箱也存在明显局限性：其一是机械结构较复杂因而其制造成本高；其二是机械结构和液压系统的惯量大因而调节速度慢，发动机油门或外部负载扭矩动态变化时，特别是路况频繁变化、油门频繁改变、频繁变速的时候，无级变速箱(CVT)不能快速、准确地调整变比，燃油发动机工作在最佳效率运行曲线的概率仍很低；另外无级变速箱(CVT)传动效率低于一般的齿轮变速箱。这些缺点都影响到CVT的推广应用。
(三)发明内容
本发明的目的是设计一种燃油发动机伺服加载装置及其最佳效率运行控制方法。本装置及控制方法不受车速及阻力等外部负载状态的影响，独立调节发动机输出轴的扭矩，使燃油发动机运行在不同的转速时，发动机轴承受的负载扭矩始终按最佳效率运行曲线的要求与转速几乎无滞后地进行匹配，实现发动机持续、稳定地节能运行。
本发明设计的燃油发动机伺服加载装置包括电机、伺服驱动器及主控单元。所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机。电机的外转子与燃油发动机输出轴直连；该电机的内转子轴为本装置的输出轴。电机的外转子轴上安装速度/位置传感器，该速度/位置传感器连接主控单元和伺服驱动器。电机的内转子轴上安装位置传感器，该位置传感器连接伺服驱动器。外转子和内转子二者其一嵌有永磁材料，另一个为绕制在铁芯上的绕组，嵌有永磁材料的为另一个提供磁场，绕组通过集电环与伺服驱动器连接。主控单元主体为计算机，其内存储记录所连接的发动机的最佳效率运行曲线的转速-扭矩匹配数据或转速-扭矩匹配关系公式。
燃油发动机转动时，本装置的电机外转子随之转动，此时主控单元根据传感器测到的发动机的转速以及主控单元计算机内部预存的最佳效率运行曲线的转速-扭矩匹配数据获得当前转速下最佳匹配扭矩期望值，以此向伺服驱动器传递扭矩设定值，伺服驱动器根据此扭矩设定信号和速度/位置传感器送来的外转子位置信号以及位置传感器送来的内转子位置信号、通过集电环向电机外转子或内转子的绕组动态输出相应的电流矢量，使电机对燃油发动机的输出轴施加相应的扭矩。由于作用力与反作用力的关系，在外转子受到内转子电磁扭矩时，内转子也受到同样大小的反作用扭矩，即内转子的输出轴上同时也可以对最终负载输出同样大小的扭矩。当输出轴的扭矩驱动负载运行时，即内转子在驱动外转子对燃油发动机加载的同时，还通过输出轴输出了机械能量。
本发明的燃油发动机伺服加载装置的最佳效率运行控制方法为：
第一步燃油发动机安装与其最大扭矩与最高转速相配的上述的伺服加载装置；
第二步当发动机运行时，速度/位置传感器实时监测电机外转子转速和外转子位置，并将当前外转子速度信号实时送至主控单元，将当前外转子位置信号实时送至伺服驱动器，位置传感器实时监测电机内转子位置，并将当前内转子位置信号实时送至伺服驱动器；
第三步主控单元根据速度信号，确定与之匹配的最佳扭矩，并将该扭矩设定值送入伺服驱动器；
第四步伺服驱动器根据主控单元指令按当前转速的最佳扭矩值及根据内转子、外转子位置信号求得的内转子、外转子之间相对位置信号控制向外转子或内转子的绕组输出电流矢量，使发动机输出轴承受相匹配的扭矩，同时内转子轴向负载输出扭矩。
本发明燃油发动机伺服加载装置及其最佳效率运行控制方法的优点为：1、安装在发动机轴上的电机外加伺服驱动器代替了机械式变速箱和离合器，让伺服驱动器以扭矩伺服方式调节电机施加在发动机轴上的扭矩，保证燃油发动机实时工作在最佳效率运行曲线上，实现消耗等量的燃油时输出最大的机械能；2、本装置燃油发动机输出轴与外负载无直接的机械连接，即使外负载扭矩频繁变化或者燃油发动机转速频繁变化，伺服驱动器仍能连续、迅速、准确地按照最佳效率运行曲线的要求对发动机实时地施加匹配扭矩，燃油发动机在不同转速下其输出轴的扭矩总与最佳效率运行曲线的要求相吻合，即发动机总是工作在预存的最佳效率运行曲线上；使发动机消耗等量的燃油时输出的机械能最大；3、伺服驱动器采取扭矩伺服的控制方式调节内转子和外转子之间的电磁扭矩，即调节燃油发动机的输出轴扭矩，因此伺服驱动器可以连续调节扭矩，并且伺服驱动器调节扭矩的响应速度达毫秒级，其调节的精度与响应的速度远远优于机械式的无级变速箱(CVT)及有级变速箱；使用本装置可控制燃油发动机的扭矩和最佳效率曲线上与当前转速匹配的扭矩的误差在5％以内；节油效果明显；4、本装置和控制方法可应用于各种燃油发动机，特别适用于油电混合动力电动车，达到节能和降低废气排放的目的。
(四)附图说明
图1为本燃油发动机的伺服加载装置实施例的结构示意图；
图中标记为：1燃油发动机，2发动机输出轴，3速度/位置传感器，4外转子，5内转子，6集电环，7输出轴，8伺服驱动器，9主控单元，10位置传感器；
图2为某1.8L排量汽油发动机最佳效率运行曲线，图中纵坐标为发动机输出轴扭矩(单位为N·m，牛顿米)，横坐标为发动机输出轴转速(单位为rpm，每分钟转数)，其中细虚线为等功率线(单位为kW，千瓦)，细实线为等能耗线BE(单位为g/kWh，每千瓦小时克)，粗实线为发动机最佳效率曲线，粗虚线为发动机最大扭矩限制。
(五)具体实施方式
本燃油发动机的伺服加载装置实施例的结构如图1所示，燃油发动机1连接包括永磁同步伺服电机、伺服驱动器及主控单元的伺服加载装置，电机的外转子4与燃油发动机1的输出轴2直连；电机的外转子4内嵌永磁材料，其内为内转子5，内转子5为绕制在铁芯上的绕组，内转子5的轴为本装置的输出轴7。电机的外转子4上安装有速度/位置传感器3，该传感器3与主控单元9及伺服驱动器8连接。本装置的输出轴7上安装有位置传感器10，该位置传感器10与伺服驱动器8连接。主控单元9与伺服驱动器8连接。伺服驱动器8通过集电环6与内转子5的绕组连接。主控单元9主体为计算机，其内存储该燃油发动机1最佳效率运行曲线的相匹配的转速-扭矩数据。本燃油发动机的伺服加载装置也可采用开关磁阻电机、或无刷直流电机，结构与上述相同。
本装置可在内转子5和外转子4之间安装相对位置检测器，该相对位置检测器与伺服驱动器8连接。用以替代内转子5上的位置传感器10和外转子4上的速度/位置传感器对内转子5和外转子4的位置检测，并直接将二者相对位置信号送至伺服驱动器8。
本装置的外转子4也可为绕制在铁芯上的绕组，集电环6安装在发动机轴2上，该绕组通过集电环6与伺服驱动器8相连，内转子5则为嵌永磁材料的转子，为外转子4提供磁场。其它与上述相同。
每种型号发动机的最佳效率运行曲线可由生产厂家提供，也可以用专用测试设备通过试验获得。最佳效率运行曲线数据可以用列表或函数表达方式存入主控单元9的计算机。
图2所示为某1.8L排量汽油发动机最佳效率运行曲线。主控单元9的计算机可以表格方式存储速度与扭矩最佳匹配数据，即将图2中发动机转速从怠速到最高转速按等间隔作垂线，从垂线与最佳效率曲线的交点上获得与转速对应的匹配扭矩数据，将转速-扭矩最佳匹配数据列表存储在主控单元9计算机中。当发动机转速介于两节点之间时，主控单元9的计算机按传感器3的转速信号通过插补方式计算获得其匹配扭矩，显然转速垂线间隔越小、列表描绘曲线的精度越高。如图2所示，以500转数/分钟(rpm)为间隔，从低速1000转数/分钟到高速6000转数/分钟可以获取11组转速N-扭矩M数据；若以100转数/分钟为间隔，可以获取51组数据。若以1转数/分钟为间隔，可以获取5001组数据。
主控单元9的计算机也可采用函数方式存储转速和扭矩数据，根据最佳效率运行曲线通过计算、拟合等数学处理即可获得分段函数M＝F(N)，将此函数存入主控单元9的计算机，主控单元9的计算机按传感器3的转速信号由此函数计算相应的最佳扭矩值。
本发明的燃油发动机伺服加载装置的最佳效率运行控制方法为：
第一步燃油发动机安装与其最大扭矩与最高转速相配的上述的伺服加载装置；
第二步当燃油发动机1运行时，同轴直连的外转子4随之转动。速度/位置传感器3实时监测外转子4的当前速度和位置，并将速度信号实时送至主控单元9计算机、位置信号送至伺服驱动器8，位置传感器10实时监测内转子5的当前位置，并将位置信号送至伺服驱动器8；
第三步主控单元9根据速度传感器3传送的当前转速信号，以及预先存储于主控单元9计算机中的最佳效率运行曲线，求取与当前转速匹配的最佳扭矩期望值，并将此期望值作为伺服驱动器8的扭矩设定信号；
第四步伺服驱动器8根据主控单元9的指令按转速最佳匹配扭矩值及根据内转子、外转子位置信号求得的内转子、外转子之间相对位置信号动态控制电机内转子5绕组的电流矢量，使发动机输出轴承受相匹配的扭矩值，从而实现燃油发动机始终工作在最佳效率曲线上。同时内转子5轴上输出同样大小的扭矩，如果该输出轴驱动负载发生了转动，则输出了机械能。
主控单元9的计算机内存储的最佳效率运行曲线数据为发动机转速-扭矩最佳配合数据表格，当速度传感器3的传送的实时转速信号介于表格的两节点之间时，主控单元9计算机通过插补方式实时计算获得与当前转速匹配的扭矩。
例如，图2的最佳效率运行曲线数据已分11组列表储存于主控单元9的计算机内。燃油发动机1当前转速是1500转数/分钟，主控单元9计算机查表获得匹配扭矩的期望值是118牛顿米(N.m)，即通过伺服驱动器8控制电机内转子5绕组的电流矢量，给燃油发动机1的输出轴2施加118牛顿米的扭矩，此时内转子5的轴也对其所接负载输出118牛顿米的扭矩。如果当前转速是1800转数/分钟，介于预存表格节点数据1500转数/分钟和2000转数/分钟之间，主控单元9计算机按线性插补获得应施加的扭矩期望值是128.8牛顿米，按同样方法给输出轴施加128.8牛顿米的扭矩。如此传感器3动态获取燃油发动机当前转速，伺服驱动器8动态控制电机内转子5绕组的电流矢量使电机动态对燃油发动机施加匹配的负载扭矩，从而实现燃油发动机1始终工作在预知的最佳效率曲线上。
当主控单元9的计算机内存储根据最佳效率运行曲线计算、拟合处理获得的发动机转速与扭矩的分段函数，主控单元9计算机根据速度传感器3的传送的实时转速信号通过函数实时计算获得与当前转速匹配的扭矩。
1.8L排量汽油发动机安装本伺服加载装置，并采用本最佳效率运行控制方法运行，如图2中A点所示，在发动机工作于输出功率15kW的工况并保持不变的情况下，如果发动机工作在非经济工作点3500转数/分钟，40.9牛顿米，其单位输出机械能量的油耗为335克/千瓦小时(g/kWh)，但通过本加载控制装置和本运行控制方法将发动机工作点调整到最佳经济运行曲线上的B点，即1302转数/分钟，110牛顿米，其单位输出机械能量的油耗降低为250克/千瓦小时，减少油耗25.4％。视工作点不同油耗减少数量不等。
Claims (5)
1.一种燃油发动机伺服加载装置，所述燃油发动机伺服加载装置包括：双转子电机，所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机；电机的外转子(4)与燃油发动机(1)的输出轴(2)直连；电机的外转子(4)内为电机的内转子(5)，内转子(5)的轴为本装置的输出轴；外转子(4)和内转子(5)二者其一嵌有永磁材料，另一个为绕制在铁芯上的绕组，
其特征在于，
所述燃油发动机伺服加载装置还包括伺服驱动器及主控单元，并且绕组通过集电环(6)与伺服驱动器(8)连接；外转子(4)上安装有速度/位置传感器(3)，该速度/位置传感器(3)与主控单元(9)及伺服驱动器(8)连接；本装置的输出轴(7)上安装有位置传感器(10)，该位置传感器(10)与伺服驱动器(8)连接；主控单元(9)与伺服驱动器(8)连接，主控单元(9)主体为计算机，其内存储该燃油发动机(1)最佳效率运行曲线的相匹配的转速-扭矩数据，主控单元(9)根据速度/位置传感器(3)传送的发动机转速信号，利用其内存的扭矩匹配数据，通过设定伺服驱动器(8)的扭矩，从而控制电机扭矩，使得发动机按最佳效率运行曲线运行。
2.根据权利要求1所述的燃油发动机伺服加载装置，其特征在于：
所述主控单元(9)内存储的最佳效率运行曲线数据为发动机转速-扭矩最佳配合数据表格，或者为根据最佳效率运行曲线计算、拟合处理获得的发动机转速与扭矩的分段函数。
3.一种燃油发动机伺服加载装置的最佳效率运行控制方法，其特征在于：
第一步燃油发动机(1)安装与其最大扭矩与最高转速相配的伺服加载装置；所述伺服加载装置包括电机、伺服驱动器及主控单元，所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机；电机的外转子(4)与燃油发动机(1)的输出轴(2)驱动连接；电机的外转子(4)内为电机内转子(5)，内转子(5)的轴为本装置的输出轴；外转子(4)和内转子(5)二者其一嵌有永磁材料，另一个为铁芯上的绕组，嵌有永磁材料的为另一个提供磁场，绕组通过集电环(6)与伺服驱动器(8)连接；燃油发动机(1)的输出轴(2)上安装有速度/位置传感器(3)，本装置的输出轴(7)上安装有位置传感器(10)，主控单元(9)与伺服驱动器(8)连接，伺服驱动器(8)与内转子(5)或外转子(4)的绕组通过集电环(6)连接，主控单元(9)为有存储器的主控单元(9)计算机，其内存储该燃油发动机(1)最佳效率运行曲线的相匹配的转速-扭矩数据；
第二步速度/位置传感器(3)实时监测发动机当前速度和外转子(4)的当前位置，并将外转子(4)的速度信号实时送至主控单元(9)计算机，将外转子(4)的位置信号实时送至伺服驱动器(8)，位置传感器(10)实时监测内转子(5)的当前位置，并将位置信号送至伺服驱动器(8)；
第三步主控单元(9)根据速度/位置传感器(3)传送的速度信号，以及预先存储于主控单元(9)的计算机中的最佳效率运行曲线，求取与转速匹配的最佳扭矩期望值，并将此期望值作为伺服驱动器(8)的扭矩设定信号；
第四步伺服驱动器(8)根据主控单元(9)的指令按转速最佳匹配扭矩设定值以及根据内转子、外转子位置信号求得的内转子、外转子之间相对位置信号动态加载电机内转子(5)或外转子(4)绕组的电流矢量，使发动机输出轴承受相匹配的扭矩值；同时内转子(5)的轴，即本装置的输出轴(7)向外部负载输出相同大小的扭矩。
4.根据权利要求3所述的燃油发动机伺服加载装置的最佳效率运行控制方法，其特征在于：
主控单元(9)的计算机内存储的最佳效率运行曲线数据为发动机转速-扭矩最佳配合数据表格，当速度/位置传感器(3)的传送的实时转速信号介于表格的两节点之间，主控单元(9)计算机通过插补方式实时计算获得与当前转速匹配的扭矩。
5.根据权利要求3所述的燃油发动机伺服加载装置的最佳效率运行控制方法，其特征在于：
主控单元(9)的计算机内存储根据最佳效率运行曲线计算、拟合处理获得的发动机转速与扭矩的分段函数，主控单元(9)计算机根据速度/位置传感器(3)的传送的实时转速信号通过函数实时计算获得与当前转速匹配的扭矩。
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