CN105697179A - 一种装载机用电控柴油机外特性标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机用电控柴油机外特性标定系统及方法，包括通过传动轴依次连接的发动机、液力变矩器、变速箱和驱动桥，所述液力变矩器分别与装载机的转向泵和工作泵通过齿轮传动系连接；传感器组将采集得转速和扭矩信号传递给数据采集系统，所述数据采集系统将采集到的参数传输到数据处理系统进行分析，分析结果将传递给标定计算机，标定计算机将标定结果写入发动机电控系统的ECU；在测试进行时，标定计算机通过ECU控制发动机转速，实现测试自动化。从装载机实际工作情况出发，测试铲装不同物料时液压泵实际消耗扭矩的大小，通过调整发动机的参数，标定发动机的外特性曲线，使装载机用柴油机在不同工况下工作在低油耗区。

Description

一种装载机用电控柴油机外特性标定系统及方法

技术领域

本发明涉及发动机设计领域，尤其涉及一种装载机用电控柴油机外特性标定系统及方法。

背景技术

柴油机的外特性是指保持油门在最大位置，各工况又在最佳调整状态时，发动机的性能指标和特性参数随转速的变化规律。柴油机的外特性曲线规定了柴油机在各个转速下的最大输出功率和扭矩，如果柴油机运行在外特性曲线之外的区域，可能导致发动机超负荷运转，产生黑烟甚至会损坏发动机。柴油机的标定工作都是在发动机试验台架上，使用电力测功机加载负载，针对客户提出的外特性要求进行标定实验。

装载机用发动机与液力变矩器匹配是否合理直接影响装载机的动力性和经济性。目前，装载机用发动机通常采用全功率匹配、部分功率匹配或折衷匹配方案对发动机和液力变矩器进行匹配。全功率匹配是发动机外特性转矩减去变速油泵满载、转向油泵和工作装置油泵空载扭矩，得到净转矩特性曲线。部分功率匹配是发动机外特性转矩减去变速油泵满载、转向油泵空载，工作装置油泵满载扭矩，得到净转矩特性曲线。折衷匹配一般认为匹配点选在在比部分匹配点转速大50r/min左右，小于全功率匹配点转速。但是装载机实际作业工况复杂，液压泵负载变化频繁，工作装置液压系统消耗发动机转矩的实际情况与上述常用3种匹配方式均存在较大差异，发动机不能在不同工况下均运行在或尽量靠近低油耗区，不能保证在各个工况下都较好的动力性和经济性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种装载机用电控柴油机外特性标定系统及方法，从装载机实际工作情况出发，测试铲装不同物料时液压泵实际消耗扭矩的大小，通过调整发动机的参数，标定发动机的外特性曲线，使装载机用柴油机在不同工况下工作在低油耗区。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种装载机用电控柴油机外特性标定系统，包括通过传动轴依次连接的发动机、液力变矩器、变速箱和驱动桥，所述液力变矩器分别与装载机的转向泵和工作泵通过齿轮传动系连接；

传感器组将采集得转速和扭矩信号传递给数据采集系统，所述数据采集系统将采集到的参数传输到数据处理系统进行分析，分析结果将传递给标定计算机，标定计算机将标定结果写入发动机电控系统的ECU；在测试进行时，标定计算机通过ECU控制发动机转速，实现测试自动化。

所述传感器组包括，所述发动机飞轮装有的发动机转速传感器，所述工作泵和转向泵的转动轴上分别装有的工作泵扭矩传感器和转向泵扭矩传感器；所述液力变矩器与变速箱的传动轴上装有的变速箱扭矩传感器。

采用所述一种装载机用电控柴油机外特性标定系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤(1)，将发动机与液力变矩器进行全功率匹配，求得液力变矩器的有效直径，确定液力变矩器；

步骤(2)，通过台架试验获取液力变矩器i＝0和i＝0.5时的输入特性曲线，i为变矩器变速比；

步骤(3)，通过发动机台架实验确定发动机经济油耗区转速区间(n₁-n₂)；

步骤(4)，确定发动机的转速分别为n₀，n_max，n₂，n_f时的四个特征点A、B、C、D对应转速下的扭矩值；n₀为发动机怠速，n₁～n₂为发动机经济油耗转速区间的边界，n_max为发动机最大扭矩点对应的转速，n_f为发动机与液力变矩器共同工作转速；

步骤(5)，利用所述标定系统进行V型作业循环实验，确定循环中装载机液压泵的平均消耗扭矩；

步骤(6)，根据三点约束条件标定发动机外特性。

步骤(7)，通过标定计算机将发动机外特性曲线写入ECU，完成标定。

所述步骤(1)的具体方法为，发动机外特性转矩扣除液压系统的最小扭矩，得到净转矩特性曲线，外特性曲线与调速特性的交点就是全功率匹配额定工作点，在液力变矩器原始特性拟合曲线中找出最高效率点，过全功率匹配额定工作点做液力变矩器的负荷抛物线，求得液力变矩器的有效直径，确定液力变矩器。

所述步骤(4)中，发动机外特性扭矩等于各特征点扭矩值加上铲装不同物料时消耗的发动机扭矩以及发动机附件消耗的扭矩。

所述步骤五中的装载机液压泵包括变速油泵，转向油泵和工作装置油泵。

所述步骤(5)的具体步骤为：

步骤(5-1)：在标定计算机上设定A、B、C、D四个特征点的标定转速；

步骤(5-2)：在每个转速下分别进行石子物料、松散物料、大石块物料和原土物料四种常见物料的V型作业循环；

步骤(5-3)：数据采集系统采集来自传感器组的数据信号，并传递给数据处理系统；

步骤(5-4)：数据处理系统对采集到的数据信号分别进行数字滤波处理，从而抑制引入过程的干扰，最后将处理之后的信号传递给标定计算机；

步骤(5-5)：经数据处理系统处理后的转速信号作为当前转速反馈信号传递给计算机，用以标定计算机确定是否需要对当前转速进行调节。

标定计算机将数据系统传递处理后的工作泵扭矩数据、转向泵扭矩数据和变速箱扭矩数据根据当前发动机转速进行分类储存。

所述步骤(5)中，如果使用机械泵时，液压系统消耗的扭矩由公式求得，式中T_k：第k种物料消耗的发动机转矩，N·m；α_k：第k种常见物料作业比例(常见物料分别为：k＝1，石子物料；k＝2，松散物料；k＝3，大石块物料；k＝4，原土物料，且)；T_pump：4种作业物料加权平均转矩，N·m。

所述步骤(6)中，三点约束条件为：(1)D点输出的扭矩满足最大牵引力的要求；(2)部分功率匹配时，i＝0的匹配点不能越过发动机最大扭矩点；(3)怠速扭矩储备满足要求；

铲装碎石子和松散物料扭矩相接近，标定为一条外特性曲线，铲装大石块为一条外特性曲线，铲装原土为一条外特性曲线；据此设定装载机四种工作转换模式，分别为混合模式，石子松散物料模式，大石块模式和原土模式；驾驶员驾驶装载机时，根据工作物料不同自主选择工作模式。

本发明的有益效果：

在装载机在实际作业工况中，可以根据铲装物料的不同液压泵实际消耗扭矩的大小，确定发动机对应的外特性曲线，使装载机用柴油机在不同工况下都运行在低油耗区，实现发动机与液力变矩器的合理匹配。如果是电控发动机并且装载机具有多模式工作转换设置，那么外特性曲线标定时可以根据铲装不同物料独立自动化确定，可以提高发动机工况适应性，在不同作业工况条件下都具有更好的动力性和经济性。

附图说明

图1为本发明的发动机外特性标定系统示意图；

其中，1.发动机,2.发动机转速传感器，3.液力变矩器，4.转向泵扭矩传感器，5.转向泵，6.工作泵，7.工作泵扭矩传感器，8.驱动桥，9.数据采集系统，10.变速箱，11.数据处理系统，12.变速箱扭矩传感器，13.标定计算机，14.ECU。

图2为发动机与液力变矩器共同工作曲线；

图中n₀为发动机怠速，n₁～n₂为发动机燃油经济区转速区间，n_max为发动机最大扭矩点对应的转速，n_f为发动机与液力变矩器共同工作转速，n_e为发动机额定转速；A点为n₂与i＝0.5时液力变矩器输入特性曲线的交点，B为i＝0时液力变矩器输入特性曲线与n_max的交点，C为怠速点最大扭矩点，D为i＝0时输入特性曲线与最大牵引力点对应转速的交点。曲线CM为柴油机外特性曲线，曲线MN为柴油机调速特性曲线；

图3为某柴油机万有特性图；

图4为液力变矩器输入特性曲线图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种装载机用电控柴油机外特性标定系统，包括：

如图1所示，依次连接的发动机1、液力变矩器3、变速箱10和驱动桥6；所述发动机1、液力变矩器3、变速箱10和驱动桥6均通过机械传动轴依次连接；所述液力变矩器3分别与装载机的转向泵5和工作泵6通过齿轮传动系连接；

所述发动机1飞轮装有发动机转速传感器2；

所述工作泵6和转向泵5的转动轴上分别装有工作泵扭矩传感器7和转向泵扭矩传感器4；

所述液力变矩器3与变速箱10的传动轴上分别装有变速箱扭矩传感器12；

所述发动机转速传感器2、工作泵扭矩传感器7、转向泵扭矩传感器4和变速箱扭矩传感器12分别将测得的数据信号传递给数据采集系统9；所述数据采集系统9将采集到的参数一同传输到数据处理系统11；

所述数据处理系统11将数据分析结果传递给标定计算机13，由标定计算机13将标定结果写入发动机电控系统的ECU14。

采用所述一种装载机用电控柴油机外特性标定系统的标定方法，包括以下步骤，

步骤(1)，将发动机与液力变矩器采用全功率匹配方法进行匹配，即发动机外特性转矩扣除液压系统的最小扭矩，得到净转矩特性曲线，外特性曲线与调速特性的交点即为全功率匹配额定工作点。在液力变矩器原始特性拟合曲线附图3中找出最高效率点i＝i*，过全功率匹配额定工作点做液力变矩器i＝i*的负荷抛物线，即可求得液力变矩器的有效直径，确定液力变矩器；

步骤(2)，通过台架试验获取步骤(1)所确定液力变矩器在i＝0和i＝0.5的输入特性曲线；

步骤(3)，通过发动机台架实验得到发动机外有特性图，确定发动机经济油耗区转速区间(n₁-n₂)，如图3所示，本应用实例中n₁＝1150r/min，n₂＝1800r/min；

步骤(4)，确定特征点A、B、C、D；A点为n₂与i＝0.5时液力变矩器输入特性曲线的交点，B为i＝0时液力变矩器输入特性曲线与n_max的交点，n_max为发动机最大扭矩点对应的转速，C为怠速点最大扭矩点，D为i＝0时输入特性曲线与最大牵引力点对应转速的交点；

步骤(5)，按照国家标准GBT10170-2010装载机实验要求，利用本发明所述系统进行V型作业循环实验，通过分段合并、滤波以及加权平均方法对每种物料的测试数据进行处理，获得装载机液压泵(包括变速油泵，转向油泵和工作装置油泵)的平均消耗扭矩；

步骤(6)，根据三点约束条件标定发动机四个特征点外特性，即发动机转速分别为n₀，n_max，n₂，n_f四个特征点对应转速下的扭矩值，发动机外特性扭矩等于各特征点扭矩值加上铲装不同物料时消耗的发动机扭矩以及发动机附件消耗的扭矩，即：

T＝T_j+T_pump+T_loss(j＝A、B、C、D)

其中，T_loss为发动机附件消耗的扭矩；

步骤(7)，将所述步骤(6)得出的特征点外特性和其他必要特征点在外特性图上依次连接，即得到对应工况下的发动机外特性曲线。通过标定计算机将发动机外特性曲线写入ECU，完成标定。

所述步骤(5)的处理步骤为：

步骤(5-1)：在标定计算机上设定A、B、C、D四个特征点的标定转速；

步骤(5-2)：在每个转速下分别进行石子物料、松散物料、大石块物料和原土物料等四种常见物料的V型作业循环；

步骤(5-3)：数据采集系统采集来自发动机转速传感器、工作泵扭矩传感器、转向泵扭矩传感器和变速箱扭矩传感器的数据信号，并传递给数据处理系统；

步骤(5-4)：数据处理系统对采集到的数据信号分别进行数字滤波处理，从而抑制引入过程的干扰，最后将处理之后的信号传递给标定计算机；

步骤(5-5)：经数据处理系统处理后的转速信号作为当前转速反馈信号传递给计算机，用以标定计算机确定是否需要对当前转速进行调节；标定计算机将数据系统传递处理后的工作泵扭矩数据、转向泵扭矩数据和变速箱扭矩数据根据当前发动机转速进行分类储存。

所述步骤(2)中，由铲装过程分析知，铲装过程占整个循环过程的1/3，所以循环作业过程主要还是牵引过程。铲装过程中，车速较低，变矩器变速比基本工作在i<0.5的状态，所以匹配过程中选择i＝0.5时液力变矩器输入特性曲线。

所述步骤(5)中，如果使用机械泵，液压系统消耗的扭矩可以由下述公式求得

$T_{pump}=\underset{k=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{T}_k\&times;{\mathrm{\&alpha;}}_k$

式中T_k：第k种物料消耗的发动机转矩，N·m；α_k：第k种常见物料作业比例(常见物料分别为：k＝1，石子物料；k＝2，松散物料；k＝3，大石块物料；k＝4，原土物料，且)；T_pump：4种作业物料加权平均转矩，N·m。

所述步骤(6)中，发动机其他外特性点扭矩根据运行特点进行标定。

所述步骤(6)中，使用该系统和方法标定的装载机具有多模式工作转换设置，外特性曲线标定时可以根据铲装不同物料独立自动化确定。

铲装碎石子和松散物料扭矩相接近，可以标定为一条外特性，铲装大石块为一条，铲装原土为一条。

据此设定装载机四中工作转换模式，分别为混合模式，石子松散物料模式，大石块模式和原土模式。驾驶员驾驶装载机时，可以根据工作物料不同自主选择工作模式，具有更好的工况适应性，发动机也会具有更好的动力性和经济性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种装载机用电控柴油机外特性标定系统，其特征是，包括通过传动轴依次连接的发动机、液力变矩器、变速箱和驱动桥，所述液力变矩器分别与装载机的转向泵和工作泵通过齿轮传动系连接；

传感器组将采集得转速和扭矩信号传递给数据采集系统，所述数据采集系统将采集到的参数传输到数据处理系统进行分析，分析结果将传递给标定计算机，标定计算机将标定结果写入发动机电控系统的ECU；在测试进行时，标定计算机通过ECU控制发动机转速，实现测试自动化。

2.如权利要求1所述一种装载机用电控柴油机外特性标定系统，其特征是，所述传感器组包括，所述发动机飞轮装有的发动机转速传感器，所述工作泵和转向泵的转动轴上分别装有的工作泵扭矩传感器和转向泵扭矩传感器；所述液力变矩器与变速箱的传动轴上装有的变速箱扭矩传感器。

3.采用权利要求1所述一种装载机用电控柴油机外特性标定系统的标定方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤(1)，将发动机与液力变矩器进行全功率匹配，求得液力变矩器的有效直径，确定液力变矩器；

步骤(2)，通过台架试验获取液力变矩器i＝0和i＝0.5时的输入特性曲线，i为变矩器变速比；

步骤(3)，通过发动机台架实验确定发动机经济油耗区转速区间(n₁-n₂)；

步骤(4)，确定发动机的转速分别为n₀，n_max，n₂，n_f时的四个特征点A、B、C、D对应转速下的扭矩值；n₀为发动机怠速，n₁～n₂为发动机经济油耗转速区间的边界，n_max为发动机最大扭矩点对应的转速，n_f为发动机与液力变矩器共同工作转速；

步骤(5)，利用所述标定系统进行V型作业循环实验，确定循环中装载机液压泵的平均消耗扭矩；

步骤(6)，根据三点约束条件标定发动机外特性。

步骤(7)，通过标定计算机将发动机外特性曲线写入ECU，完成标定。

4.如权利要求3所述的标定方法，其特征是，所述步骤(1)的具体方法为，发动机外特性转矩扣除液压系统的最小扭矩，得到净转矩特性曲线，外特性曲线与调速特性的交点就是全功率匹配额定工作点，在液力变矩器原始特性拟合曲线中找出最高效率点，过全功率匹配额定工作点做液力变矩器的负荷抛物线，求得液力变矩器的有效直径，确定液力变矩器。

5.如权利要求3所述的标定方法，其特征是，所述步骤(4)中，发动机外特性扭矩等于各特征点扭矩值加上铲装不同物料时消耗的发动机扭矩以及发动机附件消耗的扭矩。

6.如权利要求3所述的标定方法，其特征是，所述步骤五中的装载机液压泵包括变速油泵，转向油泵和工作装置油泵。

7.如权利要求3所述的标定方法，其特征是，所述步骤(5)的具体步骤为：

步骤(5-1)：在标定计算机上设定A、B、C、D四个特征点的标定转速；

步骤(5-2)：在每个转速下分别进行石子物料、松散物料、大石块物料和原土物料四种常见物料的V型作业循环；

步骤(5-3)：数据采集系统采集来自传感器组的数据信号，并传递给数据处理系统；

步骤(5-4)：数据处理系统对采集到的数据信号分别进行数字滤波处理，从而抑制引入过程的干扰，最后将处理之后的信号传递给标定计算机；

步骤(5-5)：经数据处理系统处理后的转速信号作为当前转速反馈信号传递给计算机，用以标定计算机确定是否需要对当前转速进行调节。

8.如权利要求7所述的标定方法，其特征是，标定计算机将数据系统传递处理后的工作泵扭矩数据、转向泵扭矩数据和变速箱扭矩数据根据当前发动机转速进行分类储存。

9.如权利要求3所述的标定方法，其特征是，所述步骤(5)中，如果使用机械泵时，液压系统消耗的扭矩由公式求得，式中T_k：第k种物料消耗的发动机转矩，N·m；α_k：第k种常见物料作业比例(常见物料分别为：k＝1，石子物料；k＝2，松散物料；k＝3，大石块物料；k＝4，原土物料，且T_pump：4种作业物料加权平均转矩，N·m。

10.如权利要求9所述的标定方法，其特征是，所述步骤(6)中，三点约束条件为：(1)D点输出的扭矩满足最大牵引力的要求；(2)部分功率匹配时，i＝0的匹配点不能越过发动机最大扭矩点；(3)怠速扭矩储备满足要求；

铲装碎石子和松散物料扭矩相接近，标定为一条外特性曲线，铲装大石块为一条外特性曲线，铲装原土为一条外特性曲线；据此设定装载机四种工作转换模式，分别为混合模式，石子松散物料模式，大石块模式和原土模式；驾驶员驾驶装载机时，根据工作物料不同自主选择工作模式。