CN103397678A - 一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，包括压力传感器、电子负载控制器、节能控制器、油门电位器、光电编码器、执行机构、比例电磁阀、压力继电器、发动机油泵、发动机、变量泵、变量机构、油箱；所述油箱分别连接发动机油泵和变量泵，发动机油泵分别连接油门电位器和发动机，发动机与变量泵同轴相连，用于驱动变量泵运行；光电编码器设置在发动机上；变量泵同时连接执行机构、压力继电器以及变量机构，比例电磁阀设置在变量机构上；所述油门电位器和比例电磁阀分别与节能控制器电连接；所述光电编码器和压力继电器分别与电子负载控制器连接，电子负载控制器与压力传感器连接；其中，变量机构用于控制变量泵的转速。

Description

一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法

技术领域

本发明涉及机械工程设备控制装置，特别是一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法。

背景技术

在工程机械领域中，以液压泵驱动挖掘机的工作效率和节油性能与液压泵和发动机的性能息息相关。动力系统的理想工作状态应该是始终根据负载需求提供功率输出，这样既能充分发挥柴油机的功率又不会使其工作在超负荷状态，当外负载较小时，也不会造成功率的浪费。在日常作业中，当外负载所需功率较大时，柴油机在满负荷状态运行，液压系统能够完全吸收柴油机发出的功率，但又不会使柴油机工作在超负荷状态，造成柴油机熄火；当外负载所需功率较小时，柴油机工作在部分功率状态下，这时应使柴油机工作在最经济工作点上以减少油耗量；当挖掘机不工作时，应使柴油机处于自动怠速状态，这样可以减少柴油机、液压泵的磨损，使设备的使用寿命更长。根据上述匹配目标，一般联合调节变量泵与柴油机。

对于动力系统与负载匹配方面虽然采用了分工况控制，但一般都是以人工选择并设定动力模式，一旦动力模式与实际工况不符，发动机就会工作在低效区，大幅度提高挖掘机节能性的目的就难以实现。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，包括压力传感器、电子负载控制器、节能控制器、油门电位器、光电编码器、执行机构、比例电磁阀、压力继电器、发动机油泵、发动机、变量泵、变量机构、油箱。

所述油箱分别连接发动机油泵和变量泵，发动机油泵分别连接油门电位器和发动机，发动机与变量泵同轴相连，用于驱动变量泵运行；光电编码器设置在发动机上。

变量泵同时连接执行机构、压力继电器以及变量机构，比例电磁阀设置在变量机构上。

所述油门电位器和比例电磁阀分别与节能控制器电连接。

所述光电编码器和压力继电器分别与电子负载控制器连接，电子负载控制器与压力传感器连接。

其中，变量机构用于控制变量泵的转速，比例电磁阀用于根据接收到节能控制器的微调电流大小，调节自身阀门达到相应的开度；变量泵用于驱动执行机构工作；压力继电器用于检测变量泵的输出压力，并将检测到的数据输送给电子负载控制器；油门电位器用于发动机油泵的自动怠速控制；光电编码器用于检测发动机的实际转速，并将检测的数据输送到电子负载控制器；电子负载控制器用于接收压力传感器、光电编码器和压力继电器的数据，通过节能控制器控制比例电磁阀和油门电位器的工作。

所述电子负载控制器包括微处理器，微处理器外围分别连接存储器、模数转换模块、监测器以及数模转换模块。

所述执行机构为多路阀或者液压缸。

节能控制器采用PID控制器。

本发明还公开了一种发动机和液压泵的功率匹配节能方法，所述压力传感器实时检测负载的压力信号，发送给电子负载控制器。

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值大于执行机构额定最大载荷的70%时即为重载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率，即发动机和变量泵输出最大转速。

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值位于执行机构额定最大载荷的30%~70%时即为中载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率的80%~85%，即发动机和变量泵输出最大转速的80%~85%。

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值小于执行机构额定最大载荷的30%时即为轻载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率的10%~40%，即发动机和变量泵输出最大转速的10%~40%。

当压力继电器检测到变量泵出口压力低于设定的最小压力时，压力继电器输出开关信号到电子负载控制器，电子负载控制器控制节能控制器发出控制信号通过比例电磁阀、变量机构将变量泵的排量调到最小；经延时5~10秒后，节能控制器发出选择怠速油门位置的控制信号给油门电位器，使发动机处于自动怠速状态，油门电位器平滑地将发动机功率调为低于最小输出功率，即发动机和变量泵输出最小转速。

本发明中发动机油泵和变量泵连至同一油箱。

所述电子负载控制器用于接收压力传感器、光电编码器和压力继电器的数据，通过算法计算输出信号给节能控制器，用于控制比例电磁阀、油门电位器的工作。电子负载控制器是一种集成模块，由A/D模块、微处理器、D/A模块、存储器、监测器和接口a、b构成。接口a用于外部数据的输入，接口b用于数据的向外传输。接口a、b并非是单一的插孔，可有多个插孔供数据线使用。A/D模块是将外部的数据量转化为模拟量，模拟量输入到微处理器。D/A模块用于将微处理器中的模拟量转化为数据量，并通过接口b向外传输。监测器用于实时监测微处理器发出的信号，并与实际情况进行比较。

所述压力传感器与电子负载控制器相连通过CAN（控制器局域网）相连，电子负载控制器与节能控制器通过CAN（控制器局域网）相连，实时检测负载的压力信号，压力信号转化为电信号后自动选择当前负载工况并发送给电子负载控制器。检测到的电信号根据负载情况分为重载电信号、中载电信号和轻载电信号，通过区分不同的工况模式，并将工况信号转化为数字量传输给电子负载控制器。

该系统通过压力传感器对外负载进行分工况检测，电子负载控制器内的微处理器根据压力传感器的负载信号设定目标转速，光电编码器测量发动机的实际转速，目标转速与实际转速进行比较后节能控制器输出微调电流给比例电磁阀，如果两者差值大于设定值，则根据所述差值的大小，通过节能控制器向比例电磁阀输出相应大小的微调电流通过进油量自动调节变量泵转速，以达到转速恒定的目的。节能控制器对油门电位器的控制，实现了发动机怠速工况下传动系统和液压系统的损耗降低的目的。将发动机、变量泵、比例电磁阀、电子负载控制器和节能控制器作为一个系统，以保证各环节的功率匹配和协调工作，实现了控制参数在线调整的目的。

有益效果：本发明提供的发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法通过以发动机的实际转速作为反馈信号，当目标转速与实际转速的差值大于设定值时，输出微调电流调节比例电磁阀的阀门，实时调整液压泵排量，稳定吸收功率，从而稳定发动机的转速。这样既能充分利用发动机的功率，也不会因为泵的吸收功率过大使发动机失速停车和油液燃烧不充分等情况。并且通过压力传感器的实时检测负载工况，能够很好的实现发动机和液压泵的动态功率匹配，充分利用发动机的功率，减少功率损失，达到节能的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的实施例控制系统结构示意图。

图2为本发明的实施例电子负载控制器内部结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，包括油箱1、发动机油泵2、发动机3、变量泵4、压力继电器5、变量机构6、油门电位器7、光电编码器8、执行机构9、比例电磁阀10、节能控制器11、电子负载控制器12、压力传感器13。

发动机油泵2和变量泵4连至同一油箱1。

发动机油泵2右端与发动机3相连，发动机3右端与变量泵4同轴相连，用于驱动变量泵4运行。变量泵4右端接一变量机构6，变量机构6上端接一比例电磁阀10，变量泵4的转速变化由变量机构6来控制。变量泵4选用轴向柱塞泵，变量机构6为轴向柱塞泵的斜盘。

变量泵4上端接一执行机构9，变量泵4用于驱动执行机构9工作。压力继电器5与变量泵4相连，用于检测变量泵4的输出压力，并将检测到的数据输送到电子负载控制器12。执行机构9为液压缸，执行机构的工作对象是负载。

电子负载控制器12内的微处理器16根据压力传感器13送来的工况负载信号设定目标转速，光电编码器8与发动机3相连，用于检测发动机3的实际转速，电子负载控制器12比较所述发动机3实际转速和获得的目标转速，如果两者差值大于设定值，则根据所述差值的大小，通过节能控制器11向比例电磁阀10输出相应大小的微调电流。节能控制器采用PID比例-积分-微分控制器。

比例电磁阀10，根据接收到的电流大小，调节自身阀门到达相应的开度；当比例电磁阀10接收到所述微调电流时，根据微调电流的大小，调大自身阀门的开度，所述阀门为变量泵4在运行工程中的排液阀门。比例电磁阀10通过对阀门开度的控制，通过变量机构6控制变量泵4的排液量。当变量泵4开始工作时，比例电磁阀10有一恒定电流供给，使其阀门的开度保持不变，控制变量泵4的排液量不变，使变量泵4的吸收功率不变。

当比例电磁阀10接收到微调电流时，根据微调电流的大小控制其阀门相应增加开度，扩大了变量泵4的排液量。当变量泵4的排液量增加时，变量泵4的起调压力减小，吸收功率降低。变量泵4的吸收功率降低时，压力继电器5检测到变量泵输出压力变小的信号后将其输送到电子负载控制器12，电子负载控制器12给节能控制器11发出信号，节能控制器11通过控制油门电位器7来改变发动机油泵2转速，相应的发动机3的负载减小，发动机3的转速回升，减小了通过电子负载控制器12调节发动机3转速的油耗，同时也使变量泵4稳定在发动机3的最优功率点上运行。

油门电位器7下端与发动机油泵2相连，油门电位器7在工作过程中能够接收节能控制器11发出的信号改变发动机油泵2的转速，从而实现发动机3的自动怠速控制。

光电编码器8下端与发动机3相连，用于检测发动机3的转速。并将检测的数据输送到电子负载控制器12。

所述电子负载控制器12用于检测压力传感器13、光电编码器8和压力继电器5的数据，通过算法计算输出信号给节能控制器11，用于控制比例电磁阀10、油门电位器7的工作。所述压力传感器13是一种传感设备，用于检测负载的压力信号，工作时负载作用于压力传感器13，压力传感器13将负载压力转化为电信号传给电子负载控制器12。

如图2所示，电子负载控制器12是一种集成模块，由存储器14、A/D模块15、微处理器16、D/A模块17、监测器18和接口a、b构成。接口a用于外部数据的输入，接口b用于数据的向外传输。接口a、b并非是单一的插孔，可有多个插孔供数据线使用。A/D模块15是将外部的数据量转化为模拟量，模拟量输入到微处理器16，微处理器16是电子负载控制器12的核心部件，可以连续存取数据和应用专用程序。D/A模块17根据微处理器16的控制将存储器14中的模拟量转化为数字量，并通过接口b向外传输。监测器18用于实时监测微处理器16发出的信号，并与实际情况进行比较。

所述压力传感器13与电子负载控制器12相连，是一种检测装置，用于对作业负载的检测，该模块能够对负载进行工况区分，一般工况分为重载、中载、轻载和怠速。通过选择不同的工况模式，并将各工况模式转化为数字量传输给电子负载控制器12。

所述压力传感器13与电子负载控制器12通过CAN（控制器局域网）相连；所述电子负载控制器12与节能控制器11通过CAN（控制器局域网）相连。

本发明实施例还提供了一种发动机和液压泵的功率匹配节能方法

当压力传感器13传送到电子负载控制器12的压力值大于执行机构9的额定最大载荷的70%时即为重载状态，电子负载控制器12通过控制油门电位器7和比例电磁阀10分别控制发动机3和变量泵4输出最大功率；

当压力传感器13传送到电子负载控制器12的压力值位于执行机构9的额定最大载荷的30%~70%时即为中载状态，电子负载控制器12通过控制油门电位器7和比例电磁阀10分别控制发动机3和变量泵4输出最大功率的80%~85%；

当压力传感器13传送到电子负载控制器12的压力值小于执行机构9的额定最大载荷的30%时即为轻载状态，电子负载控制器12通过控制油门电位器7和比例电磁阀10分别控制发动机3和变量泵4输出最大功率的10%~40%；

当压力继电器5检测到变量泵4出口压力低于设定的最小压力时，压力继电器5输出开关信号到电子负载控制器12，电子负载控制器12控制节能控制器11发出控制信号通过比例电磁阀10、变量机构6将变量泵的4排量调到最小；经延时5~10秒后，节能控制器11发出选择怠速油门位置的控制信号给油门电位器7，使发动机3处于自动怠速状态，油门电位器7平滑地将发动机3的功率调为低于最小输出功率。

实施例

下面以挖掘机为例子，对本发明进行进一步说明。

所述压力传感器13安装于挖掘机铲斗内侧，用于实时检测挖掘机工作时挖斗内侧所受压力，即负载压力。电子负载控制器12为PID控制器，安装于驾驶室，压力传感器13、电子负载控制器12和节能控制器11通过CAN（控制器局域网）相连，压力传感器13接收压力信号并转换为电信号后发送给电子负载控制器12，电子负载控制器12用于接收光电编码器8和压力继电器5信号，节能控制器11用于控制油门电位器7和比例电磁阀10的工作。油门电位器7安装于发动机油泵2上，光电编码器8在发动机3上，发动机3用于驱动变量泵4工作，变量泵4带动多路阀等执行元件工作，压力继电器5安装于变量泵4上，用于检测变量泵4的压力信号。比例电磁阀10用于改变柱塞泵的斜盘倾角来改变变量泵4的流量。当挖掘机开始工作时，挖斗开始挖掘，挖斗内侧受到负载的压力，压力传感器13根据负载压力进行检测，将检测到的压力信号通过数据线发送到电子负载控制器12，电子负载控制器12根据设定的初始值，将转化为电信号的压力信号分为重载、中载和轻载电信号，并将电信号发送给节能控制器11，节能控制器11发出信号给油门电位器7和比例电磁阀10，分别控制发动机油泵2和柱塞泵的斜盘倾角，控制油泵转速和变量泵4流量。光电编码器8用于实时测量发动机3的实际转速并跟输出转速比较后，节能控制器11发出信号给比例电磁阀10，用于控制变量泵4转速。压力继电器5用于检测变量泵4的输出压力，当压力小于设定值时，发出信号给节能控制器11，节能控制器11再发出信号进入怠速工况。

本发明提供了一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，其特征在于，包括压力传感器、电子负载控制器、节能控制器、油门电位器、光电编码器、执行机构、比例电磁阀、压力继电器、发动机油泵、发动机、变量泵、变量机构、油箱；

所述油箱分别连接发动机油泵和变量泵，发动机油泵分别连接油门电位器和发动机，发动机与变量泵同轴相连，用于驱动变量泵运行；光电编码器设置在发动机上；

变量泵同时连接执行机构、压力继电器以及变量机构，比例电磁阀设置在变量机构上；

所述油门电位器和比例电磁阀分别与节能控制器电连接；

所述光电编码器和压力继电器分别与电子负载控制器连接，电子负载控制器与压力传感器连接；

其中，变量机构用于控制变量泵的转速，比例电磁阀用于根据接收到节能控制器的微调电流大小，调节自身阀门达到相应的开度；变量泵用于驱动执行机构工作；压力继电器用于检测变量泵的输出压力，并将检测到的数据输送给电子负载控制器；油门电位器用于发动机油泵的自动怠速控制；光电编码器用于检测发动机的实际转速，并将检测的数据输送到电子负载控制器；电子负载控制器用于接收压力传感器、光电编码器和压力继电器的数据，通过节能控制器控制比例电磁阀和油门电位器的工作。

2.根据权利要求1所述的一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，其特征在于，所述电子负载控制器包括微处理器，微处理器外围分别连接存储器、模数转换模块、监测器以及数模转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，其特征在于，所述执行机构为多路阀或者液压缸。

4.根据权利要求2所述的一种发动机和液压泵的功率匹配节能系统，其特征在于，节能控制器采用PID控制器。

5.一种发动机和液压泵的功率匹配节能方法，其特征在于，所述压力传感器实时检测负载的压力信号，发送给电子负载控制器；

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值大于执行机构额定最大载荷的70%时即为重载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率，即发动机和变量泵输出最大转速；

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值位于执行机构额定最大载荷的30%~70%时即为中载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率的80%~85%，即发动机和变量泵输出最大转速的80%~85%；

当压力传感器传送到电子负载控制器的压力值小于执行机构额定最大载荷的30%时即为轻载状态，电子负载控制器通过控制油门电位器和比例电磁阀分别控制发动机和变量泵输出最大功率的10%~40%，即发动机和变量泵输出最大转速的10%~40%；

当压力继电器检测到变量泵出口压力低于设定的最小压力时，压力继电器输出开关信号到电子负载控制器，电子负载控制器控制节能控制器发出控制信号通过比例电磁阀、变量机构将变量泵的排量调到最小；经延时5~10秒后，节能控制器发出选择怠速油门位置的控制信号给油门电位器，使发动机处于自动怠速状态，油门电位器平滑地将发动机功率调为低于最小输出功率，即发动机和变量泵输出最小转速。

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