CN105221277B - 起重机发动机功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机发动机功率控制方法及系统，方法包括：根据中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据主泵出口流量及压力计算主泵消耗功率；根据主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率；根据发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩；根据发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照发动机限制转矩进行输出。本发明通过测量中心回转体前后的液压油压差，利用差压式流量测量法来计算主泵流量及功率消耗，经过计算确定出发动机当前转速下的发动机需求转矩，根据计算出的需求转矩来对起重机发动机进行输出控制，可以提高发动机的负荷率，降低发动机燃油消耗。

Description

起重机发动机功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种起重机发动机功率控制方法及系统。

背景技术

起重机械作业工况种类繁多，对发动机功率及扭矩需求跨度大，导致发动机在大部分工况下负荷率低，有效输出功小，燃油经济性差。如某品牌70t汽车起重机测试结果显示，起重机在各作业工况下发动机的扭矩输出范围为94N.m至1064N.m，对应发动机的负荷率为8％至60％，其中满倍率满载吊重时发动机的扭矩输出最大为1064N.m，空载全伸臂吊轻载时发动机的扭矩输出为94N.m。而起重机发动机选型必须依据最大功率及最大扭矩选型，这就导致起重机在中、低负荷时存在发动机功率过剩，负荷率低，燃油经济性差等问题。

目前，应用比较广泛的技术是出厂时在发动机内置控制程序中设置一条PTO特性曲线，该条PTO特性曲线所对应的扭矩及功率均小于发动机外特性曲线，同时又能满足起重机最大功率需求。这种PTO特性曲线主要是根据较大负荷作业工况进行设计的，能够达到发动机的最大扭矩输出的限制作用，但对起重机中、小负荷作业工况来说，该PTO特性曲线尚不能起到限制发动机扭矩及功率输出的作用，未能起到降低油耗的效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种起重机发动机功率控制方法及系统，能够提高起重机在不同作业工况下的发动机负荷率，降低发动机油耗。

为实现上述目的，本发明提供了一种起重机发动机功率控制方法，包括：

根据中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及压力计算主泵消耗功率；

根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率；

根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩；

根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

进一步的，所述根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出的操作具体为：

根据计算出的发动机需求转矩从预设的多条分别对应不同作业工况的扭矩限制曲线选择对应的扭矩限制曲线；

将选出的扭矩限制曲线发送给所述起重机发动机，以便所述起重机发动机查询不同发动机转速下对应的发动机限制扭矩。

进一步的，所述根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出的操作具体为：

根据计算出的发动机需求转矩从对应于不同作业工况的计算函数中选择对应的计算函数；

根据选出的计算函数计算发动机当前转速对应的实时发动机限制扭矩，并发送给所述起重机发动机，以便所述起重机发动机根据所述实时发动机限制扭矩进行输出。

进一步的，在所述根据中心回转体前后液压油压差确定主泵出口流量的操作之前，还包括：

通过分别设置在所述中心回转体前后的主泵油路中的第二压力传感器和第一压力传感器采集所述中心回转体前后的主泵出口压力值；

通过对所述第一压力传感器和第二压力传感器采集的主泵出口压力值进行求差，确定所述中心回转体前后的液压油压差。

进一步的，所述发动机需求转矩的总计算公式为：

其中，M为发动机需求转矩，C为主泵流量系数，为常量，P1和P2分别为第一压力传感器和第二压力传感器采集的主泵出口压力值，n为发动机当前转速，f(n)为在发动机当前转速为n时，发动机附件造成的功率损失。

进一步的，在所述起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出之前，还包括：通过起重力矩限制器采集工作机构信息，进行动作识别，所述起重机发动机根据识别结果确定是按照所述发动机限制转矩进行输出，还是全功率输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种起重机发动机功率控制系统，包括：

第一压力传感器，设置在起重机的中心回转体之后的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之后的主泵出口压力值；

第二压力传感器，设置在所述中心回转体之前的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之前的主泵出口压力值；

功率控制单元，用于根据所述中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及压力计算主泵消耗功率，根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率，根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩，根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

进一步的，所述功率控制单元为起重力矩限制器，所述起重机发动机、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述起重力矩限制器均通过现场工业总线连接，所述起重力矩限制器与工作机构连接。

进一步的，所述功率控制单元为起重力矩限制器，所述起重机发动机、所述工作机构、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器与所述起重力矩限制器连接。

进一步的，所述功率控制单元包括起重力矩限制器和控制器，所述起重机发动机、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述控制器和所述起重力矩限制器均通过现场工业总线连接，所述起重力矩限制器与工作机构连接。

基于上述技术方案，本发明通过测量液压管路经过中心回转体前后的液压油压差，利用差压式流量测量法来计算主泵流量及功率消耗，进而计算出发动机消耗总功率，从而确定出发动机当前转速下的发动机需求转矩，根据计算出的需求转矩来对起重机发动机进行输出控制，可以提高发动机的负荷率，降低发动机燃油消耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明起重机发动机功率控制方法的一实施例的流程示意图。

图2为本发明起重机发动机功率控制方法实施例中多条扭矩限制曲线的示意图。

图3为本发明起重机发动机功率控制系统的一实施例的结构示意图。

图4为本发明起重机发动机功率控制系统的另一实施例的结构示意图。

图5为本发明起重机发动机功率控制系统的又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明起重机发动机功率控制方法的一实施例的流程示意图。在本实施例中，起重机发动机功率控制方法包括：

步骤101、根据中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及压力计算主泵消耗功率；

步骤102、根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率；

步骤103、根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩；

步骤104、根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

在本实施例中，中心回转体是起重机、挖掘机等工程机械中把下车的液压油和电气系统输送到上车执行机构的装置，由于主泵出口输出的液压油将会通过中心回转体输送到上车执行机构，因此通过在中心回转体前后的主泵油路上可以设置两个压力传感器，即第二压力传感器和第一压力传感器，来分别采集中心回转体前后的液压油压力，即主泵出口压力值，通过求差就能够确定出中心回转体前后的液压油压差。

根据流体连续性方程和伯努利方程，能够推出封闭管道内流体通过节流装置所产生的压差的开方与流量成线性关系的规律，即以下基本公式：

ΔP—节流件前后压差；

c—流出系数，无量纲；

d—工作条件下节流件的节流孔或喉部直径，m；

D—工作条件下上游直管道内径；

q_m—质量流量，kg/s；

q_v—体积流量，m³/s；

β—直径比d/D，无量纲；

ρ—流体的密度，kg/m3；

ε—可膨胀性系数，无量纲。

起重机在工作时中心回转体产生节流作用，而在流体管路对应于中心回转体前后的位置会产生压差，此时作为流体的液压油在经过作为节流装置的中心回转体时也符合该规律，因此在步骤101中就可以利用液压油压差的计算来求取主泵出口的流量，即依据压差式流量测量方法，根据公式计算，其中主泵流量系数C为常数，可通过上述公式中的c、d、β、ρ及ε等计算得出，也可以预先进行试验来测取。

之所以选择中心回转体前后压差来确定主泵出口流量，是因为中心回转体在起重机中普遍存在，而且中心回转体的管路设置比较稳定，对应于主泵流量系数C也比较稳定，相应的，通过公式计算出的主泵出口流量比较精确，进而使起重机发动机的功率控制效果更加可靠。

计算主泵出口流量的目的是计算出主泵消耗功率，而根据公式Pb＝Q·P2/600可以计算出主泵消耗功率Pb。在步骤102中进行的是发动机消耗总功率的计算，除了步骤101中计算出的主泵消耗功率，还要考虑到发动机附件消耗的功率或者称功率损失，例如风扇、发电机、进气、排气等其他发动机耗能部件，这些部件所消耗的扭矩与发动机转速的关系均可在台架上测试来确定，进而可以确定出这些发动机附件的消耗总功率与发动机转速的关系，确定出的关系可以是拟合的曲线或者函数，此处通过P0＝f(n)表示，n为发动机转速。

结合这两方面的功率消耗，就可以确定出发动机消耗总功率，即P＝Pb+P0。在发动机当前转速下，当确定了发动机消耗总功率之后，就可以在步骤103中进一步计算出在该发动机当前转速下需要发动机输出多少转矩，即通过以下公式计算出发动机需求转矩。

其中，M为发动机需求转矩，C为主泵流量系数，为常量，P1和P2分别为第一压力传感器和第二压力传感器采集的主泵出口压力值，n为发动机当前转速，f(n)为在发动机当前转速为n时，发动机附件造成的功率损失。

步骤104中确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照发动机限制转矩进行输出的方式可以采用多种形式，本发明提供了两种控制模式的例子，一种简称分级控制模式，另一种简称实时控制模式。

首先介绍一下分级控制模式。在起重机的各种作业工况下，对应的发动机扭矩输出值，尤其是最大扭矩输出是不相同的，因此可以通过试验或记录工作数据的方式来预先确定出不同工况下扭矩的分布情况。以某品牌70t汽车起重机为例，通过对各工况下扭矩的测量，确定出图2中分别对应于大负荷工况、中负荷工况和小负荷工况下的扭矩限制曲线A、B、C。而最上面的一条曲线为起重机发动机的原外特性曲线。当计算出发动机需求转矩后，可以根据该图从预设的多条分别对应不同作业工况的扭矩限制曲线选择对应的扭矩限制曲线；然后将选出的扭矩限制曲线发送给起重机发动机，以便起重机发动机查询不同发动机转速下对应的发动机限制扭矩来进行应用。

具体来说，假设计算出在某发动机转速下的发动机需求扭矩M，并同时比较发动机需求扭矩M分别与A、B、C三条扭矩限制曲线在该发动机转速下对应的扭矩值大小，假设以A1、B1、C1表示三条扭矩限制曲线在该发动机转速下的扭矩值，则可能会出现四种状态：①若M＞A1，则将扭矩限制曲线A作为控制命令发送至发动机；②若A1＞M＞B1，则将扭矩限制曲线A作为控制命令发送至发动机；③若B1＞M＞C1，则将扭矩限制曲线B作为控制命令发送至发动机；④若C1＞M，则将扭矩限制曲线C作为控制命令发送至发动机。

发动机在接收了扭矩限制曲线后就会将该曲线代替原外特性曲线进行输出控制，能够整体上提高发动机的负荷率，尤其针对中小负荷工况来说，更可以显著提高发动机在中小负荷情况下的负荷率，降低功率损失，提高发动机输出功的利用率，减少燃油消耗。

实时控制模式是功率控制单元根据计算出的发动机需求转矩从对应于不同作业工况的计算函数中选择对应的计算函数；然后根据选出的计算函数计算发动机当前转速对应的实时发动机限制扭矩，并发送给所述起重机发动机，以便所述起重机发动机根据所述实时发动机限制扭矩进行输出。这种模式不同于分级控制模式，发送给起重机发动机的控制命令是实时的发动机限制扭矩值，该数值已经是针对于某种负荷工况下较优的输出控制值，因此当发动机按照该数值进行输出时，可以在整体上提高发动机的负荷率，无论是针对大负荷工况，还是中小负荷工况，进而降低功率损失，提高发动机输出功的利用率，减少燃油消耗。

本发明的上述功率控制方法(或者称变功率控制)还可以根据工况来选择是否执行，即在起重机发动机按照控制指令中的发动机限制转矩进行输出之前，通过起重力矩限制器采集工作机构信息，进行动作识别，起重机发动机根据识别结果确定是按照发动机限制转矩进行输出，还是全功率输出。举例来说，起重力矩限制器采集变幅角度传感器信息，通过该信息就可以判断起重机大臂的变幅角度；起重力矩限制器采集起重机大臂长度信息，通过该信息就可以判断起重机大臂的伸缩长度。而根据现有起重机的性能，变幅角度小于10度，表示起重机不能进行作业，因此如果确定出变幅角度小于10度，则可以不进行起重机发动机的变功率控制，而采用全功率输出的方式。

为了实现上述起重机发动机功率控制方法，本发明还提供了一种起重机发动机功率控制系统，该系统包括：第一压力传感器、第二压力传感器和功率控制单元。第一压力传感器设置在起重机的中心回转体之后的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之后的主泵出口压力值。第二压力传感器设置在所述中心回转体之前的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之前的主泵出口压力值。功率控制单元用于根据所述中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及压力计算主泵消耗功率，根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率，根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩，根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

在功率控制单元中可以进一步实现前述起重机发动机功率控制方法中的计算公式以及两种控制模式(分级控制模式和实时控制模式)等内容，均可参考前面所做出的说明，这里不再一一赘述。

本发明的起重机发动机功率控制系统可以有多种硬件组织形式，如图3所示，为本发明起重机发动机功率控制系统的一实施例的结构示意图。在本实施例中，功率控制单元由起重力矩限制器实现，起重机发动机、第一压力传感器、第二压力传感器和所述起重力矩限制器均通过现场工业总线(例如图中所示CAN总线)连接，起重力矩限制器与工作机构连接。

在本实施例中，起重力矩限制器可以从工作机构中获取工况信息，还可以通过CAN总线接收来自第一压力传感器和第二压力传感器发送的压力数据，并通过CAN总线向发动机发送包括限制扭矩曲线或者实时发动机限制扭矩的控制命令。

又例如图4所示，在本发明起重机发动机功率控制系统的结构中，功率控制单元由起重力矩限制器实现，起重机发动机、工作机构、第一压力传感器和第二压力传感器与起重力矩限制器连接。与上一实施例相比，本发明中起重力矩限制器与其它器件直接连接，从工作机构中获取工况信息，从第一压力传感器、第二压力传感器获取主泵出口压力，从发动机获取当前转速情况等，并且还向发动机发送包括限制扭矩曲线或者实时发动机限制扭矩的控制命令。

图5所示的结构是另一种基于现场工业总线的实现例，其中功率控制单元不仅包括起重力矩限制器，还包括控制器，起重机发动机、第一压力传感器、第二压力传感器、控制器和起重力矩限制器均通过现场工业总线(例如图中所示CAN总线)连接，起重力矩限制器与工作机构连接。在本实施例中，起重力矩限制器可以与控制器协调控制工作的分工，例如由起重力矩限制器从工作机构获取工况信息，而由控制器通过CAN总线从第一压力传感器、第二压力传感器获取主泵出口压力，通过CAN总线从发动机获取当前转速情况等，并且还通过CAN总线向发动机发送包括限制扭矩曲线或者实时发动机限制扭矩的控制命令，而限制扭矩的确定由控制器实现。也可以由起重力矩限制器从工作机构获取工况信息，并执行获取主泵出口压力以及确定限制扭矩等工作，而由控制器向发动机发送包括限制扭矩曲线或者实时发动机限制扭矩的控制命令。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种起重机发动机功率控制方法，其特征在于，包括：

根据中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及主泵出口压力计算主泵消耗功率；

根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率；

根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩；

根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

2.根据权利要求1所述的起重机发动机功率控制方法，其特征在于，所述根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出的操作具体为：

根据计算出的发动机需求转矩从预设的多条分别对应不同作业工况的扭矩限制曲线选择对应的扭矩限制曲线；

将选出的扭矩限制曲线发送给所述起重机发动机，以便所述起重机发动机查询不同发动机转速下对应的发动机限制扭矩。

3.根据权利要求1所述的起重机发动机功率控制方法，其特征在于，所述根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出的操作具体为：

根据计算出的发动机需求转矩从对应于不同作业工况的计算函数中选择对应的计算函数；

根据选出的计算函数计算发动机当前转速对应的实时发动机限制扭矩，并发送给所述起重机发动机，以便所述起重机发动机根据所述实时发动机限制扭矩进行输出。

4.根据权利要求1所述的起重机发动机功率控制方法，其特征在于，在所述根据中心回转体前后液压油压差确定主泵出口流量的操作之前，还包括：

通过分别设置在所述中心回转体前后的主泵油路中的第二压力传感器和第一压力传感器采集所述中心回转体前后的主泵出口压力值；

通过对所述第一压力传感器和第二压力传感器采集的主泵出口压力值进行求差，确定所述中心回转体前后的液压油压差。

5.根据权利要求4所述的起重机发动机功率控制方法，其特征在于，所述发动机需求转矩的总计算公式为：

<mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msqrt> <mrow> <mi>P</mi> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>P</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mn>600</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>f</mi> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mn>9550</mn> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow>

其中，M为发动机需求转矩，C为主泵流量系数，为常量，P1和P2分别为第一压力传感器和第二压力传感器采集的主泵出口压力值，n为发动机当前转速，f(n)为在发动机当前转速为n时，发动机附件造成的功率损失。

6.根据权利要求1所述的起重机发动机功率控制方法，其特征在于，在所述起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出之前，还包括：通过起重力矩限制器采集所述起重机中的工作机构信息，进行动作识别，所述起重机发动机根据识别结果确定是按照所述发动机限制转矩进行输出，还是全功率输出。

7.一种起重机发动机功率控制系统，其特征在于，包括：

第一压力传感器，设置在起重机的中心回转体之后的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之后的主泵出口压力值；

第二压力传感器，设置在所述中心回转体之前的主泵油路上，用于采集所述中心回转体之前的主泵出口压力值；

功率控制单元，用于根据所述中心回转体前后的液压油压差确定主泵出口流量，并根据所述主泵出口流量及主泵出口压力计算主泵消耗功率，根据计算出的所述主泵消耗功率及发动机附件功率损失计算发动机消耗总功率，根据计算出的所述发动机消耗总功率及发动机当前转速计算在发动机当前转速下的发动机需求转矩，根据计算出的发动机需求转矩确定发动机限制转矩，并通知起重机发动机按照所述发动机限制转矩进行输出。

8.根据权利要求7所述的起重机发动机功率控制系统，其特征在于，所述功率控制单元为起重力矩限制器，所述起重机发动机、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述起重力矩限制器均通过现场工业总线连接，所述起重力矩限制器与所述起重机中的工作机构连接。

9.根据权利要求7的起重机发动机功率控制系统，其特征在于，所述功率控制单元为起重力矩限制器，所述起重机发动机、所述起重机中的工作机构、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器与所述起重力矩限制器连接。

10.根据权利要求7的起重机发动机功率控制系统，其特征在于，所述功率控制单元包括起重力矩限制器和控制器，所述起重机发动机、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述控制器和所述起重力矩限制器均通过现场工业总线连接，所述起重力矩限制器与所述起重机中的工作机构连接。