CN107575316B - 一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，包括机械式动力传动形式和液压式动力传动形式；在发动机与传动系统之间建立反馈关系，将行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位、传动系统的速比及效率参数传送至电子控制单元，电子控制单元基于上述参数的变化，计算当前状态下发动机具有最佳燃油经济性时的控制参数，并将当前的控制参数同步调节到上述的最优解，使整个传动系统形成闭环控制，进而使发动机始终都能工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上，确保系统在任何工况下均具有最佳的燃油经济性，本发明将带来提升发动机燃油经济性、提高设备的生产率、降低废气排放的技术效果。

Description

一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法

技术领域

本发明属于动力传动系统相关的节能领域，特别涉及一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法。

背景技术

目前的动力传动中，无论传动系统中的参数是否具有可控的连续变化的特征，发动机与传动系统之间均是两个独立的单元，在发动机与传动系统之间都没有建立反馈关系，这使得动力系统无法应对多变的、复杂的工况，同时也无法计入传动系统的总效率对能耗的影响，导致发动机的实际工作点多数情况下远离最佳经济区，这样不仅造成动力系统的燃油消耗增大，而且也造成污染排放的增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，包括机械式动力传动形式和液压式动力传动形式；在发动机与传动系统之间建立反馈关系，将行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位、传动系统的速比及效率参数随时传送至电子控制单元，电子控制单元基于上述参数的变化，计算当前状态下发动机具有g_e/η→min意义上的最佳燃油经济性时的控制参数，并将当前的控制参数同步调节到上述的最优解，使整个传动系统形成闭环控制，进而使发动机始终都能工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上，确保系统具有最佳的燃油经济性；机械式动力传动形式基于机液复合变速器中的差动轮系具有两个自由度的特征，所述闭环控制方法将发动机的转速n_e、马达的输出转速n_m作为控制参数；液压式动力传动形式基于变量液压泵的排量q_p具有可控的无级变化的特性，所述闭环控制方法将变量液压泵的排量q_p、发动机的转速n_e作为控制参数；

所述机液复合变速器包括变量液压泵、定量液压马达、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和差动行星轮系；发动机与第二齿轮的齿轮轴连接，第二齿轮与其齿轮轴连接，第二齿轮与第一齿轮啮合的同时，通过第三离合器与行星轮或转臂相连，第一齿轮与其齿轮轴连接，变量液压泵与第一齿轮的齿轮轴连接，变量液压泵通过液压油路驱动定量液压马达，定量液压马达通过第一离合器与第三齿轮的齿轮轴连接，第三齿轮连接在其齿轮轴上，第三齿轮与第四齿轮啮合；第四齿轮与齿圈或太阳轮连接，差动行星轮系包括转臂、太阳轮、齿圈和行星轮，太阳轮设置在齿圈的中心，太阳轮和齿圈之间啮合有行星轮，行星轮安装在转臂上；动力由转臂或齿圈输出，输出端设置有箱体，定量液压马达和第三齿轮之间设置有第一离合器，第三齿轮与箱体之间设置有第二离合器；与第二齿轮固定连接的齿轮轴与太阳轮或转臂之间设置有第三离合器，太阳轮或转臂与箱体之间设置有第四离合器；

所述的机液复合变速器与多档位变速器以串联的方式进行连接；

所述闭环控制方法包括以下步骤：

步骤一、由操作者判断是否使用所述的闭环控制模式，如果是，则进入以下步骤，否则，进入原有工作模式；

步骤二、若行驶速度、作业阻力或加速踏板位置、多档位变速器的档位发生变化时，发动机进入瞬态调速过程，当瞬态调速过程结束后，进入步骤三；

步骤三、电子控制单元通过迭代寻优的过程，确定当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，所述控制参数最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止迭代寻优的过程，返回步骤二；

步骤四、在电子控制单元的控制下，所述控制参数由当前值调整至步骤三确定的最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止对控制参数的调整，返回步骤二。

进一步的，所述机液复合变速器包含四个离合器，当第一离合器和第三离合器闭合，第二离合器和第四离合器断开时，所述机液复合变速器的工作模式为机液复合传动，传动比具有可控的连续变化的特征；当第二离合器和第三离合器闭合，第一离合器和第四离合器断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯机械传动，此时传动比恒定；当第一离合器和第四离合器闭合，第二离合器和第三离合器断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯液压传动，传动比具有可控的连续变化的特征。

进一步的，发动机的最佳经济工作点的确定原则为：发动机燃油消耗率g_e与传动系统总效率η的比值趋于最小，即：g_e/η→min时所确定的发动机工作点，为发动机的最佳经济工作点；

η--传动系统的总效率；

g_e--发动机燃油消耗率，单位：g/kw.h，可由发动机万有特性数据拟合得出其经验公式：

g_e＝f₁(n_e，T_e) (1)

其中：n_e--发动机转速，单位：r/min；

T_e--发动机输出扭矩，单位：Nm。

进一步的，η为传动系统的总效率；

η＝η_H·η_M·η_b (2)

其中：η_M--机液复合变速器中差动轮系的传动效率，针对动力输入轴连接太阳轮所示的差动轮系，按下式计算：

当n_a＞n_H＞n_b＞0时：

当n_b＞n_H＞n_a＞0时：

针对动力输入轴连接转臂所示的差动轮系，按下式计算：

其中：n_a--太阳轮转速，单位：r/min；

n_b--齿圈的转速，单位：r/min；

n_H—转臂的转速，单位：r/min；

p—差动轮系特征参数

z_a--太阳轮的齿数、z_b--齿圈的齿数；

--差动轮系对应的转换轮系的功率损失系数；

η_H—机液复合变速器中闭式液压系统的传动效率，它是工作端压力p₁，单位MPa、变量泵排量q_p，单位ml/r、变量泵转速n_p，单位r/min的函数，具体公式由液压件的生产厂家提供：

η_H＝f₂(p₁，q_p，n_p) (6)

η_b--传动系统中其它部分的总效率，根据具体结构计算或由生产厂家提供。

进一步的，机液复合变速器中的变量液压泵采用电比例控制方式，其排量q_p与其上的电比例伺服阀的输入电流成正比，通过调整电比例伺服阀的输入电流，实现对变量液压泵排量q_p的控制；定量液压马达上包含测速传感器，测速传感器实现了对定量液压马达的输出转速n_m的闭环控制，同时差动轮系中齿圈或太阳轮的即时转速n_b或n_a由定量液压马达转速通过换算得到，机液复合变速器的瞬时传动比i：

其中：n_e—发动机转速，单位：r/min；

n_m--定量液压马达转速，单位：r/min；

z₃—第三齿轮的齿数、z₄—第四齿轮的齿数；

公式(7)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(8)针对动力输入轴连接转臂；

当机液复合传动系统处于纯液压传动时，其瞬时传动比i为：

其中：

q_m--定量液压马达的排量，单位：ml/r；

η_vm—定量液压马达的容积效率，由生产厂家提供；

q_p--变量液压泵的排量，单位：ml/r；

η_vp—变量液压泵的容积效率，由生产厂家提供；

z₁、z₂、z₃、z₄—分别为第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮和第四齿轮的齿数；

公式(9)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(10)针对动力输入轴连接转臂；

液压系统中包含有压力传感器，其作用是测量工作端的压力p₁，从而计算出任意时刻由定量液压马达传递到齿圈或太阳轮的输入扭矩：

其中：T_b--齿圈的输入扭矩,单位Nm

T_a—太阳轮的输入扭矩,单位Nm

Δp—液压系统的压力差,单位MPa，Δp＝p₁-p₂

p₁--工作端的压力,单位MPa

p₂—液压系统的补油压力,单位MPa，其值由生产厂家提供；

其它符号意义同前。

任意时刻由发动机输出的总扭矩T_e,单位Nm为：

T_e＝(2+p)T_a (13)

公式(13)是当差动轮系采用标准齿轮时的计算公式；公式(12)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(13)针对动力输入轴连接转臂，各符号的意义同前。

进一步的，步骤二，判断发动机瞬态调速过程是否结束的判断依据是：当发动机的输出转速n_e的变化率满足时，发动机瞬态调速过程结束，电子控制单元读取发动机当前工作点数据A(n_ea，T_ea)，其中e₁为给定的判断发动机机瞬态调速过程是否结束的阀值。

进一步的，机械式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)对应的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₂是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₂为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、定量液压马达的输出转速n_m的最优值：

a)假设第m+1轮迭代时，给定机液复合变速器传动比的增量为Δi_m＞0，即i_m+1＝i_m+Δi_m，在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机转速为：

在保证驱动力不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机扭矩为：

动力输入轴连接太阳轮时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的齿圈转速n_b(m+1)为：

对应n_b(m+1)的定量液压马达的输出转速n_m(m+1)为

动力输入轴连接转臂时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的太阳轮转速n_a(m+1)为：

对应n_a(m+1)的定量液压马达的输出转速n_m(m+1)为：

基于公式(2)、公式(14)、公式(3)或公式(4)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接太阳轮的系统总效率η_(m+1)；基于公式(2)、公式(14)、公式(5)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接转臂的系统总效率η_(m+1)；

基于公式(1)、公式(14)、公式(15)，可得出燃油消耗率g_e(m+1)；

b)判断迭代结果是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(n_e，T_e)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点；无论动力输入轴连接太阳轮还是连接接转臂，均将对应的控制参数的目标值n_e(m+1)、n_m(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，则令Δi_m＝-Δi_m后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令 重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

进一步的，液压式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₃是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₃为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、变量液压泵的排量q_p的最优值：

a)假设某一个变量泵的排量为q_p，该变量液压泵所需的发动机扭矩为：

发动机总的输出扭矩为所有变量液压泵所需扭矩之和。

假设第m+1轮迭代时，变量液压泵排量的增量为Δq_p(m)＞0,在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_p(m)的发动机转速为：

其中：η_v为液压系统的容积效率，其它符号的意义同前；

在保证作业驱动力不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机输出扭矩为：

利用(6)式，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的液压系统的效率为：

η_H(m+1)＝f₂(p_1(m+1)，q_p(m+1)，n_p(m+1)) (23)

其中：n_p(m+1)—变量液压泵的输入转速，符号意义同前；

p_1(m+1)--第m+1轮迭代时，液压系统工作端的压力，单位：MPa,由压力传感器测得。

液压系统的总效率等于每个分系统的效率的乘积；

由公式(2)、公式(23)，系统的总效率为：

η_(m+1)＝η_H(m+1)·η_b(m+1) (24)

由于液压式动力传动形式下不包含机液复合变速器，所以公式(2)中，η_M＝1。

利用公式(1)、公式(21)、公式(22)，可计算出对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机燃油消耗率为：

g_e(m+1)＝f₁(n_e(m+1)，T_e(m+1)) (25)

b)判断迭代是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(n_e，T_e)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点，将对应的目标值n_e(m+1)、q_p(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，令Δq_pm＝-Δq_pm后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令后，重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

进一步的，步骤四中，机械式动力传动形式下，无论针对动力输入轴连接太阳轮，还是针对动力输入轴连接转臂，电子控制单元均将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并通过由液压马达上的测速传感器形成的闭环控制系统，同步将液压马达的输出转速由n_m调整至n_m(m+1)，当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|n_m(m+1)-n_m|＜ε₂同时成立时，调整过程结束；将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。。

进一步的，步骤四中，液压式动力传动形式下，电子控制单元将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并同步将变量液压泵的排量由当前值q_p调整至最优值q_p(m+1)，即当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|q_p(m+1)-q_p|＜ε₂同时成立时，调整过程结束，将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

在发动机与传动系统之间通过电子控制单元建立反馈关系，将行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位变化及传动系统的效率参数随时输入至电子控制单元，机械式动力传动形式基于机液复合变速器中的差动轮系具有两个自由度的特征，所述闭环控制方法将发动机的转速n_e、定量液压马达的输出转速n_m作为控制参数；液压式动力传动形式基于变量液压泵的排量q_p具有可控且无级变化的特性，所述闭环控制方法将变量液压泵的排量q_p、发动机的转速n_e作为控制参数；电子控制单元基于行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位及传动系统的效率参数，计算当前状态下发动机具有g_e/η→min意义上的最佳燃油经济性时控制参数的最优解，并将当前的控制参数同步调节到上述的最优解，使发动机始终都能工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上，确保系统具有最佳的燃油经济性，因此，本发明将带来在使用功率保持不变的前提下，提升发动机燃油经济性、降低废气排放的技术效果。

附图说明

附图1为机械式动力传动形式；

附图2为液压式动力传动形式；

附图3为转臂输出的机液复合变速器原理图；

附图4为齿圈输出的机液复合变速器原理图；

附图标记：附图3、附图4中，1、第一齿轮，2、第二齿轮，3、第三齿轮，4、第四齿轮，5、齿圈，6、行星轮，7、转臂，8、太阳轮，9、定量马达，10、变量泵，11、第一离合器，12、第二离合器，13、第三离合器，14、第四离合器；15、箱体。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明进一步说明：

请参阅图1-图4，一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，包括机械式动力传动形式和液压式动力传动形式；在发动机与传动系统之间建立反馈关系，将行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位、传动系统的速比及效率参数传送至电子控制单元，电子控制单元基于上述参数的变化，计算当前状态下发动机具有g_e/η→min意义上的最佳燃油经济性时的控制参数，并将当前的控制参数同步调节到上述的最优解，使整个传动系统形成闭环控制，进而使发动机始终都能工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上，确保系统具有最佳的燃油经济性；机械式动力传动形式基于机液复合变速器中的差动轮系具有两个自由度的特征，所述闭环控制方法将发动机的转速n_e、马达的输出转速n_m作为控制参数；液压式动力传动形式基于变量液压泵的排量q_p具有可控的无级变化的特性，所述闭环控制方法将变量液压泵的排量q_p、发动机的转速n_e作为控制参数；

所述机液复合变速器包括变量液压泵10、定量液压马达9、第一齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3、第四齿轮4和差动行星轮系；发动机与第二齿轮2的齿轮轴连接，第二齿轮2与其齿轮轴连接，第二齿轮2与第一齿轮1啮合的同时，通过第三离合器13与太阳轮8或转臂7相连，第一齿轮1与其齿轮轴连接，变量液压泵10与第一齿轮1的齿轮轴连接，变量液压泵10通过液压油路驱动定量液压马达9，定量液压马达9通过第一离合器11与第三齿轮3的齿轮轴连接，第三齿轮3连接在其齿轮轴上，第三齿轮3与第四齿轮4啮合；第四齿轮4与齿圈5或太阳轮8连接，差动行星轮系包括转臂7、太阳轮8、齿圈5和行星轮6，太阳轮8设置在齿圈5的中心，太阳轮8和齿圈5之间啮合有行星轮6，行星轮6安装在转臂上；动力由太阳轮8及齿圈5输入时，由转臂7输出，动力由太阳轮8及转臂7输入时，由齿圈5输出，输出端设置有箱体15，定量液压马达9和第三齿轮3之间设置有第一离合器11，第三齿轮3与箱体15之间设置有第二离合器12；与第二齿轮2固定连接的齿轮轴与太阳轮8或转臂7之间设置有第三离合器13，太阳轮8或转臂7与箱体15之间设置有第四离合器14；所述的机液复合变速器与多档位变速器以串联的方式进行连接；

所述闭环控制方法包括以下步骤：

步骤一、由操作者判断是否使用所述的闭环控制模式，如果是，则进入以下步骤，否则，进入原有工作模式；

步骤二、若行驶速度、作业阻力或加速踏板位置、多档位变速器的档位发生变化时，发动机进入瞬态调速过程，当瞬态调速过程结束后，进入步骤三；

步骤三、电子控制单元通过迭代寻优的过程，确定当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，所述控制参数最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止迭代寻优的过程，返回步骤二；

步骤四、在电子控制单元的控制下，所述控制参数由当前值调整至步骤三确定的最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止对控制参数的调整，返回步骤二。

所述机液复合变速器包含四个离合器，当第一离合器11和第三离合器13闭合，第二离合器12和第四离合器14断开时，所述机液复合变速器的工作模式为机液复合传动，传动比具有可控的连续变化的特征；当第二离合器12和第三离合器13闭合，第一离合器11和第四离合器14断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯机械传动，此时传动比恒定；当第一离合器11和第四离合器14闭合，第二离合器12和第三离合器13断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯液压传动，传动比具有可控的连续变化的特征。

发动机的最佳经济工作点的确定原则为：发动机燃油消耗率g_e与传动系统总效率η的比值趋于最小，即：g_e/η→min时所确定的发动机工作点，为发动机的最佳经济工作点；

η--传动系统的总效率；

g_e--发动机燃油消耗率，单位：g/kw.h，可由发动机万有特性数据拟合得出其经验公式：

g_e＝f₁(n_e，T_e) (1)

其中：n_e--发动机转速，单位：r/min；

T_e--发动机输出扭矩，单位：Nm。

针对LR6105ZT10型柴油机燃油的万有特性参数，消耗率g_e与转速n_e、扭矩T_e的拟合公式为：

其中：n_e为发动机转速，单位r/min；

T_e为发动机输出扭矩，单位Nm。

η为传动系统的总效率；

η＝η_H·η_M·η_b (2)

其中：η_M--机液复合变速器中差动轮系的传动效率，针对动力输入轴连接太阳轮8所示的差动轮系，按下式计算：

当n_a＞n_H＞n_b＞0时：

当n_b＞n_H＞n_a＞0时：

针对动力输入轴连接转臂7所示的差动轮系，按下式计算：

其中：n_a--太阳轮8转速，单位：r/min；

n_b--齿圈5的转速，单位：r/min；

n_H—转臂7的转速，单位：r/min；

p—差动轮系特征参数

z_a--太阳轮8的齿数、z_b--齿圈5的齿数；

--差动轮系对应的转换轮系的功率损失系数；

η_H—机液复合变速器中闭式液压系统的传动效率，它是工作端压力p₁，单位MPa、变量液压泵10排量q_p，单位ml/r、变量液压泵10转速n_p，单位r/min的函数，具体公式由液压件的生产厂家提供：

η_H＝f₂(p₁，q_p，n_p) (6)

针对萨澳90系列变量液压泵10和定量液压马达9构成的闭式液压回路，其效率的拟合公式为：

其中：分别为实际转速、实际压力、实际排量与额定值的比值。

η_b--传动系统中其它部分的总效率，若不考虑档位差异对效率的影响，取η_b＝0.87；

机液复合变速器中的变量液压泵10采用电比例控制方式，其排量q_p与其上的电比例伺服阀的输入电流成正比，通过调整电比例伺服阀的输入电流，实现对变量液压泵10排量q_p的控制；定量液压马达9上包含测速传感器，测速传感器实现了对定量液压马达9的输出转速n_m的闭环控制，同时差动轮系中齿圈5或太阳轮8的即时转速n_b或n_a由定量液压马达9转速通过换算得到，机液复合变速器的瞬时传动比i：

其中：n_e—发动机转速，单位：r/min；

n_m--定量液压马达9转速，单位：r/min；

z₃—第三齿轮3的齿数、z₄—第四齿轮4的齿数；

公式(7)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(8)针对动力输入轴连接转臂；

当机液复合传动系统处于纯液压传动时，其瞬时传动比i为：

其中：

q_m--定量液压马达9的排量，单位：ml/r；

η_vm—定量液压马达9的容积效率，具体应用时取η_vm＝0.98；

q_p--变量液压泵10的排量，单位：ml/r；

η_vp—变量液压泵10的容积效率，具体应用时取η_vp＝0.98；

z₁、z₂、z₃、z₄—分别为第一齿轮1、第二齿轮2、第三齿轮3和第四齿轮4的齿数；

公式(9)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(10)针对动力输入轴连接转臂；

液压系统中包含有压力传感器，其作用是测量工作端的压力p₁，从而计算出任意时刻由定量液压马达9传递到齿圈5或太阳轮8的输入扭矩：

其中：T_b--齿圈的输入扭矩,单位Nm

T_a—太阳轮的输入扭矩,单位Nm

Δp—液压系统的压力差,单位MPa，Δp＝p₁-p₂

p₁--工作端的压力,单位MPa

p₂—液压系统的补油压力,单位MPa，针对萨澳90系列变量泵和定量马达构成的闭式液压回路，p₂＝3.0MPa；

其它符号意义同前。

任意时刻由发动机输出的总扭矩T_e,单位Nm为：

T_e＝(2+p)T_a (13)

公式(13)是标准齿轮的计算公式；公式(12)针对动力输入轴连接太阳轮8，公式(13)针对动力输入轴连接转臂7，各符号的意义同前。

步骤二，判断发动机瞬态调速过程是否结束的判断依据是：当发动机的输出转速n_e的变化率满足时，发动机瞬态调速过程结束，电子控制单元读取发动机当前工作点数据A(n_ea，T_ea)，其中e₁为给定的判断发动机机瞬态调速过程是否结束的阀值。

机械式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)对应的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₂是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₂为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、定量液压马达9的输出转速n_m的最优值：

a)假设第m+1轮迭代时，给定机液复合变速器传动比的增量为Δi_m＞0，即i_m+1＝i_m+Δi_m，在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机转速为：

在保证驱动力不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机扭矩为：

动力输入轴连接太阳轮8时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的齿圈5转速n_b(m+1)为：

对应n_b(m+1)的定量液压马达9的输出转速n_m(m+1)为

动力输入轴连接转臂7时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的太阳轮转速n_a(m+1)为：

对应n_a(m+1)的定量液压马达9的输出转速n_m(m+1)为：

基于公式(2)、公式(14)、公式(3)或公式(4)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接太阳轮8的系统总效率η_(m+1)；基于公式(2)、公式(14)、公式(5)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接转臂7的系统总效率η_(m+1)；

基于公式(1)、公式(14)、公式(15)，可得出燃油消耗率g_e(m+1)；

a)判断迭代结果是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(n_e，T_e)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点；无论动力输入轴连接太阳轮8还是连接接转臂7，均将对应的控制参数的目标值n_e(m+1)、n_m(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，则令Δi_m＝-Δi_m后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

液压式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₂是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₂为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、变量液压泵的排量q_p的最优值：

a)假设某一个变量液压泵10的排量为q_p，该变量液压泵10所需的发动机扭矩为：

发动机总的输出扭矩为所有变量液压泵10所需扭矩之和。

假设第m+1轮迭代时，变量液压泵10排量的增量为Δq_p(m)＞0,在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_p(m)的发动机转速为：

其中：η_v为液压系统的容积效率，若忽略η_v(m)与η_v(m+1)之间的微小差异，可取：

在保证作业驱动力不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机输出扭矩为：

利用(6)式，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的液压系统的效率为：

η_H(m+1)＝f₂(p_1(m+1)，q_p(m+1)，n_p(m+1)) (23)

针对萨澳90系列变量液压泵10和定量马达9构成的闭式液压回路，其效率的拟合公式为：

其中：分别为实际转速、实际压力、实际排量与额定值的比值。

其中：n_p(m+1)—变量液压泵10的输入转速，符号意义同前；

p_1(m+1)--第m+1轮迭代时，液压系统工作端的压力，单位：MPa,由压力传感器测得。

液压系统的总效率等于每个分系统的效率的乘积；

由公式(2)、公式(23)，系统的总效率为：

η_(m+1)＝η_H(m+1)·η_b(m+1) (24)

由于液压式动力传动形式下不包含机液复合变速器，所以公式(2)中，η_M＝1。

将n_e(m+1)、T_e(m+1)带入LR6105ZT10型柴油机燃油的拟合公式，可计算出对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机燃油消耗率为：

b)判断迭代是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(n_e，T_e)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点，将对应的目标值n_e(m+1)、q_p(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，令Δq_pm＝-Δq_pm后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令后，重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

步骤四中，机械式动力传动形式下，无论针对动力输入轴连接太阳轮8，还是针对动力输入轴连接转臂7，电子控制单元均将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并通过由液压马达上的测速传感器形成的闭环控制系统，同步将液压马达的输出转速由n_m调整至n_m(m+1)，当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|n_m(m+1)-n_m|＜ε₂同时成立时，调整过程结束；将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。。

步骤四中，液压式动力传动形式下，电子控制单元将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并同步将变量液压泵的排量由当前值q_p调整至最优值q_p(m+1)，即当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|q_p(m+1)-q_p|＜ε₂同时成立时，调整过程结束，将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。

Claims (10)

1.一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，包括机械式动力传动形式和液压式动力传动形式；在发动机与传动系统之间建立反馈关系，将行驶速度、作业阻力、加速踏板位置、多档位变速器的档位、传动系统的速比及效率参数传送至电子控制单元；电子控制单元基于上述参数的变化，计算当前状态下发动机具有g_e/n→min意义上的最佳燃油经济性时的控制参数的最优解，并将当前的控制参数同步调节到上述的最优解，使整个传动系统形成闭环控制，进而使发动机始终都能工作在g_e/n→min意义上的最佳经济工作点上，确保系统具有最佳的燃油经济性；机械式动力传动形式基于机液复合变速器中的差动轮系具有两个自由度的特征，所述闭环控制方法将发动机的转速n_e、定量液压马达的输出转速n_m作为控制参数；液压式动力传动形式基于变量液压泵的排量q_p具有可控的无级变化的特性，所述闭环控制方法将变量液压泵的排量q_p、发动机的转速n_e作为控制参数；g_e/n→min为发动机燃油消耗率g_e与传动系统总效率η的比值趋于最小；

所述机液复合变速器包括变量液压泵(10)、定量液压马达(9)、第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三齿轮(3)、第四齿轮(4)和差动行星轮系；发动机与第二齿轮(2)的齿轮轴连接，第二齿轮(2)与其齿轮轴连接，第二齿轮(2)与第一齿轮(1)啮合的同时，通过第三离合器(13)与太阳轮(8)或转臂(7)相连，第一齿轮(1)与其齿轮轴连接，变量液压泵(10)与第一齿轮(1)的齿轮轴连接，变量液压泵(10)通过液压油路驱动定量液压马达(9)，定量液压马达(9)通过第一离合器(11)与第三齿轮(3)的齿轮轴连接，第三齿轮(3)连接在其齿轮轴上，第三齿轮(3)与第四齿轮(4)啮合；第四齿轮(4)与齿圈(5)或太阳轮(8)连接，差动行星轮系包括转臂(7)、太阳轮(8)、齿圈(5)和行星轮(6)，太阳轮(8)设置在齿圈(5)的中心，太阳轮(8)和齿圈(5)之间啮合有行星轮(6)，行星轮(6)安装在转臂上；动力由转臂(7)或齿圈(5)输出，定量液压马达(9)和第三齿轮(3)之间设置有第一离合器(11)，第三齿轮(3)与箱体(15)之间设置有第二离合器(12)；第二齿轮(2)与太阳轮(8)或转臂(7)之间设置有第三离合器(13)，太阳轮(8)或转臂(7)与箱体(15)之间设置有第四离合器(14)；

所述的机液复合变速器与多档位变速器以串联的方式进行连接；

所述闭环控制方法包括以下步骤：

步骤一、由操作者判断是否使用所述的闭环控制模式，如果是，则进入步骤二，否则，进入原有工作模式；

步骤二、若行驶速度、作业阻力或加速踏板位置、多档位变速器的档位参数发生变化时，发动机进入瞬态调速过程，当瞬态调速过程结束后，进入步骤三；

步骤三、电子控制单元通过迭代寻优的过程，确定当发动机工作在g_e/n→min意义上的最佳经济工作点上时所述控制参数最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止迭代寻优的过程，返回步骤二；

步骤四、在电子控制单元的控制下，所述控制参数由当前值调整至步骤三确定的最优解；在该步骤中，若出现如步骤二所述的参数变化，则电子控制单元停止对控制参数的调整，返回步骤二。

2.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，

当第一离合器(11)和第三离合器(13)闭合，第二离合器(12)和第四离合器(14)断开时，所述机液复合变速器的工作模式为机液复合传动，传动比具有可控的连续变化的特征；当第二离合器(12)和第三离合器(13)闭合，第一离合器(11)和第四离合器(14)断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯机械传动，此时传动比恒定；当第一离合器(11)和第四离合器(14)闭合，第二离合器(12)和第三离合器(13)断开时，所述机液复合变速器的工作模式为纯液压传动，传动比具有可控的连续变化的特征。

3.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，发动机的最佳经济工作点的确定原则为：发动机燃油消耗率g_e与传动系统总效率η的比值趋于最小，即：g_e/n→min时所确定的发动机工作点，为发动机的最佳经济工作点；

η--传动系统的总效率；

g_e--发动机燃油消耗率，单位：g/kw.h，由发动机万有特性数据拟合得出其经验公式：

g_e＝f₁(n_e，T_e) (1)

其中：n_e--发动机转速，单位：r/min；

T_e--发动机输出扭矩，单位：Nm。

4.根据权利要求3所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，η为传动系统的总效率；

η＝η_H·η_M·η_b (2)

其中：η_M--机液复合变速器中差动轮系的传动效率，针对动力输入轴连接太阳轮(8)所示的差动轮系，按下式计算：

当n_a＞n_H＞n_b＞0时：

当n_b＞n_H＞n_a＞0时：

针对动力输入轴连接转臂(7)所示的差动轮系，按下式计算：

其中：n_a--太阳轮(8)转速，单位：r/min；

n_b--齿圈(5)的转速，单位：r/min；

n_H-转臂(7)的转速，单位：r/min；

p-差动轮系特征参数

z_a--太阳轮(8)的齿数、z_b--齿圈(5)的齿数；

--差动轮系对应的转换轮系的功率损失系数；

η_H-机液复合变速器中闭式液压系统的传动效率，它是工作端压力p₁，单位MPa、变量液压泵(10)排量q_p，单位ml/r、变量液压泵(10)转速n_p，单位r/min的函数，具体公式由液压件的生产厂家提供：

η_H＝f₂(p₁，q_p，n_p) (6)

η_b--传动系统中其它部分的总效率，根据具体结构计算或由生产厂家提供。

5.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，机液复合变速器中的变量液压泵(10)采用电比例控制方式，其排量q_p与其上的电比例伺服阀的输入电流成正比，通过调整电比例伺服阀的输入电流，实现对变量液压泵(10)排量q_p的控制；定量液压马达(9)上包含测速传感器，测速传感器实现了对定量液压马达(9)的输出转速n_m的闭环控制，同时差动轮系中齿圈(5)或太阳轮(8)的即时转速n_b或n_a由定量液压马达(9)转速通过换算得到，机液复合变速器的瞬时传动比i：

其中：n_e-发动机转速，单位：r/min；

n_m--定量液压马达(9)转速，单位：r/min；

z₃-第三齿轮(3)的齿数、z₄-第四齿轮(4)的齿数；

公式(7)针对动力输入轴连接太阳轮，公式(8)针对动力输入轴连接转臂；

当机液复合传动系统处于纯液压传动时，其瞬时传动比i为：

其中：

q_m--定量液压马达(9)的排量，单位：ml/r；

η_vm-定量液压马达(9)的容积效率，由生产厂家提供；

q_p--变量液压泵(10)的排量，单位：ml/r；

η_vp-变量液压泵(10)的容积效率，由生产厂家提供；

z₁、z₂、z₃、z₄-分别为第一齿轮(1)、第二齿轮(2)、第三齿轮(3)和第四齿轮(4)的齿数；

公式(9)针对动力输入轴连接太阳轮(8)，公式(10)针对动力输入轴连接转臂(7)；

液压系统中包含有压力传感器，其作用是测量工作端的压力p₁，从而计算出任意时刻由定量液压马达(9)传递到齿圈(5)或太阳轮(8)的输入扭矩：

其中：T_b--齿圈的输入扭矩，单位Nm

T_a-太阳轮的输入扭矩，单位Nm

Δp-液压系统的压力差，单位MPa，Δp＝p₁-p₂

p₁--工作端的压力，单位MPa

p₂-液压系统的补油压力，单位MPa，其值由生产厂家提供；

任意时刻由发动机输出的总扭矩T_e，单位Nm为：

T_e＝(2+p)T_a (13)

公式(13)是当差动轮系采用标准齿轮时的计算公式；公式(12)针对动力输入轴连接太阳轮(8)，公式(13)针对动力输入轴连接转臂(7)。

6.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，步骤二，判断发动机瞬态调速过程是否结束的判断依据是：当发动机的输出转速n_e的变化率满足时，发动机瞬态调速过程结束，电子控制单元读取发动机当前工作点数据A(n_ea，T_ea)，其中e₁为给定的判断发动机机瞬态调速过程是否结束的阀值。

7.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，机械式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)对应的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₂是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₂为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/n→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、定量液压马达(9)的输出转速n_m的最优值：

a)假设第m+1轮迭代时，给定机液复合变速器传动比的增量为Δi_m＞0，即i_m+1＝i_m+Δi_m，

在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机转速为：

在保证驱动力不变的前提下，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的发动机扭矩为：

动力输入轴连接太阳轮(8)时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的齿圈(5)转速n_b(m+1)为：

对应n_b(m+1)的定量液压马达(9)的输出转速n_m(m+1)为：

动力输入轴连接转臂(7)时，对应i_m+1＝i_m+Δi_m的太阳轮(8)转速n_a(m+1)为：

对应n_a(m+1)的定量液压马达(9)的输出转速n_m(m+1)为：

基于公式(2)、公式(14)、公式(3)或公式(4)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接太阳轮(8)的系统总效率η_(m+1)；基于公式(2)、公式(14)、公式(5)及公式(6)，可得出针对动力输入轴连接转臂(7)的系统总效率η_(m+1)；

基于公式(1)、公式(14)、公式(15)，可得出燃油消耗率g_e(m+1)；

b)判断迭代结果是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(ne，Te)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点；无论动力输入轴连接太阳轮(8)还是连接接转臂(7)，均将对应的控制参数的目标值n_e(m+1)、n_m(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，则令Δi_m＝-Δi_m后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

8.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，液压式动力传动形式下，步骤三包括以下步骤：

1)判断发动机瞬态调速前后的工作点是否发生变化：

在发动机万有特性图上，判断当前工作点A(n_ea，T_ea)对应的g_e/η值，距离上一状态确定的最佳经济点B(n_eb，T_eb)的g_e/η值是否充分接近，即判断：|g_ea/η_a-g_eb/η_b|＜e₂是否成立，若成立，说明瞬态调速前后发动机的工作点没有发生变化，则发动机工作在当前工作点A(n_ea，T_ea)即可；若不成立，则进入下一步，其中e₂为给定的判断阀值；

2)求解当发动机工作在g_e/η→min意义上的最佳经济工作点上时，发动机的转速n_e、变量液压泵的排量q_p的最优值：

a)假设某一个变量泵的排量为q_p，该变量液压泵所需的发动机扭矩为：

发动机总的输出扭矩为所有变量液压泵所需扭矩之和；

假设第m+1轮迭代时，变量液压泵排量的增量为Δq_p(m)＞0，在保证执行机构工作速度不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_p(m)的发动机转速为：

其中：η_v为液压系统的容积效率，其它符号的意义同前；

在保证作业驱动力不变的前提下，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机输出扭矩为：

利用(6)式，对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的液压系统的效率为：

η_H(m+1)＝f₂(p_1(m+1)，q_p(m+1)，n_p(m+1)) (23)

其中：n_p(m+1)-变量液压泵的输入转速，符号意义同前；

P_1(m+1)--第m+1轮迭代时，液压系统工作端的压力，单位：MPa，由压力传感器测得；

液压系统的总效率等于每个分系统的效率的乘积；

由公式(2)、公式(23)，系统的总效率为：

η_(m+1)＝η_H(m+1)·η_b(m+1) (24)

由于液压式动力传动形式下不包含机液复合变速器，所以公式(2)中，η_M＝1；

利用公式(1)、公式(21)、公式(22)，可计算出对应q_p(m+1)＝q_p(m)+Δq_(m)的发动机燃油消耗率为：

g_e(m+1)＝f₁(n_e(m+1)，T_e(m+1)) (25)

b)判断迭代是否收敛于最优值，即判断判别式|(g_e/η)_(m+1)-(g_e/η)_(m)|＜e₃是否成立，若判别式成立，则第m+1轮迭代起始值(n_e，T_e)_(m+1)为发动机在本状态下的最佳经济点，将对应的目标值n_e(m+1)、q_p(m+1)确定为本轮的最优值；若判别式不成立，当是首轮迭代时，令Δq_pm＝-Δq_pm后，重新迭代寻优，若非首轮迭代，则令后，重新迭代寻优，其中e₃为给定的判断是否收敛的阀值。

9.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，步骤四中，机械式动力传动形式下，无论针对动力输入轴连接太阳轮(8)，还是针对动力输入轴连接转臂(7)，电子控制单元均将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并通过由液压马达上的测速传感器形成的闭环控制系统，将液压马达的输出转速由n_m同步调整至n_m(m+1)，当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|n_m(m+1)-n_m|＜ε₂同时成立时，调整过程结束；将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。

10.根据权利要求1所述的一种提高发动机燃油经济性的闭环控制方法，其特征在于，步骤四中，

液压式动力传动形式下，电子控制单元将发动机转速由当前转速n_e调整至最优值n_e(m+1)，并同步将变量液压泵的排量由当前值q_p调整至最优值q_p(m+1)，即当|n_e(m+1)-n_e|＜ε₁、|q_p(m+1)-q_p|＜ε₂同时成立时，调整过程结束，将当前状态下的发动机最优点赋予B(n_eb，T_eb)，即n_eb＝n_e(m+1)、T_eb＝T_e(m+1)，为下次调整做准备，其中ε₁、ε₂为判断是否收敛的误差值。