CN112282944A - 减少装载机、挖掘机、反铲装载机等中的燃料消耗的方法 - Google Patents

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Abstract

一种减少具有内燃发动机的机器中的燃料消耗的方法。所述机器具有混合模式，在所述混合模式下所述发动机用于通过扭矩转换器进行地面推进同时通过液压泵进行液压机具推进。发动机控制器使用限定主要操作约束的第一发动机图。所述方法包括：从扭矩极限曲线获得初始扭矩极限，所述扭矩极限曲线提供落入所述主要操作约束内的操作约束。所述方法还包括：实施与初始扭矩极限值对应的扭矩极限，使得在扭矩需求超过所述扭矩极限的情况下，发动机速度将下降到期望的发动机速度以下。所述方法还包括：在发动机与地面推进之间的扭矩转换器速度比下降到速度比阈值以下的情况下，去除所述扭矩极限曲线并且恢复到主要操作约束。

Description

减少装载机、挖掘机、反铲装载机等中的燃料消耗的方法
技术领域
本公开涉及将内燃发动机用于多种不同目的的机器，例如用于地面推进和用于机具推进。
背景技术
诸如装载机、挖掘机和反铲装载机的机器可以使用单个内燃发动机通过变速箱提供地面推进并通过液压泵提供机具推进。
在地面推进模式下，第一节气门可以用于控制发动机速度。发动机图可以确定对于特定速度可获得的扭矩。操作员在必要的情况下考虑地形、坡度和负载选择合适的档位(使用变速箱)和发动机速度(使用节气门)以便实现理想的地面推进。
在机具推进模式下，通过将变速箱置于空档来使发动机与机器推进装置分离，并且改为用发动机为液压泵提供动力。操作员可以使用第二节气门选择期望的发动机速度，然后使用机具控制器执行机具的移动。
在一些机器上，并且对于一些机具，也可以提供混合模式，其中可以同时进行地面推进和机具推进。
例如，在反铲装载机的情况下，机具推进模式可以与反铲有关，而混合模式可以与装载机有关。因此，在使用装载机时，地面推进是可行的，但在使用反铲时则不可行。其他机器可能没有机具模式和混合模式。例如，装载机可具有混合模式，但没有机具模式。相反，挖掘机可具有机具模式，但没有混合模式。本公开提供了在机具模式下和在混合模式下节省燃料的方法。
在操作周期期间，扭矩要求可能发生很大变化。在机具推进模式下，例如，如果机具是挖掘机臂，则当安装在挖掘机臂上的挖掘机铲斗的齿首先撞击待挖掘的表面时，扭矩要求可能特别高。相比之下，在挖掘之前定位空铲斗时，扭矩要求可能大大降低。
可以针对机器的所有应用设定发动机图的发动机扭矩曲线的大小。然而，可能将扭矩曲线的所有部分用于所有活动，这可能导致效率低下。例如，在一些情况下，高扭矩的可用性可以很大的额外燃料消耗为代价提供非常适度的益处。
例如，在机具模式下，保持速度和寻求最大扭矩的希望可能对燃料有重大要求。此外，在要求最大扭矩的时段之外，对燃料的重大要求可能占上风。
发明内容
在该背景下，提供了一种减少具有内燃发动机的机器中的燃料消耗的方法，所述机器具有混合模式，在所述混合模式下，所述发动机用于通过扭矩转换器进行地面推进同时通过所述扭矩转换器和液压泵进行液压机具推进，发动机控制器使用限定主要操作约束的第一发动机图，其中所述方法包括：
从扭矩极限曲线获得初始扭矩极限，所述扭矩极限曲线提供落入所述主要操作约束内的操作约束；
实施与初始扭矩极限值对应的扭矩极限，使得在扭矩需求超过所述扭矩极限的情况下，发动机速度将下降到期望的发动机速度以下；
在地面推进速度与发动机速度的比下降到速度比阈值以下的情况下，去除所述扭矩极限曲线并恢复到主要操作约束。
因此，除了当地面推进速度与发动机速度的比下降到速度比阈值以下时，在执行与机具推进有关的任务时通过限制扭矩可用性来减少燃料消耗。
附图说明
图1示出了可以应用本公开的方法的反铲装载机；
图2示出了在使用反铲进行挖沟操作期间反铲装载机的机器负载相对于时间的曲线图；
图3示出了根据图2的曲线图分析不同宽度的峰之间的时间的曲线图；
图4示出了对于机具推进模式，不同速度的各种曲线，由此限制了扭矩以减少燃料消耗；
图5示出了在机具推进模式下的操作概念的流程图；以及
图6示出了根据两种常规地面推进模式和一种节省燃料的地面推进模式的扭矩相对于速度的曲线图。
具体实施方式
图1示出了反铲装载机100，其使用内燃发动机(未示出)来经由轮子110提供地面推进并提供机具推进。反铲装载机100具有两个机具，即，反铲120和装载机130。反铲120和装载机130的每一个可以被液压驱动。驱动机具的液压系统可以由液压泵提供动力，而液压泵本身由内燃发动机提供动力。
在图1的实施例中，反铲120示出为具有铲斗附件121，而装载机示出为具有叉附件131。这些附件可以被其他附件代替。可以提供联轴器以便于这种替代。
在反铲120的情况下，可以控制机器，使得仅在没有地面推进时才可以使用该机具。
在装载机130的情况下，可以控制机器，使得装载机可以与机器的地面推进同时使用。
发动机控制器可以利用一个或多个发动机图，所述发动机图基于各种发动机变量接收输入并输出各种发动机输出。
在使用反铲时，可能阻止地面推进。然而，在使用装载机时，地面推进是可能的。在本公开的上下文中，机具推进模式可以指没有地面推进的机具推进(其在反铲装载机的背景中可以表示反铲操作)，而混合推进模式可以指同时进行地面推进和机具推进(其在反铲装载机的背景中可以表示装载机操作)。
本公开绝不限于与反铲装载机一起使用。与机具推进有关的方面可以例如应用于机具是挖掘机臂的挖掘机。与混合操作有关的方面可以例如应用于机具是伸缩臂的伸缩臂叉车。
本公开主要集中在反铲装载机，原因是可以在单个示例机器中示出本公开的功能的多个方面。
仅机具推进模式
图2示出了在使用完整发动机控制图(来自现有技术；是没有任何特定的机具控制模式限制的图)操作时在使用反铲的典型挖沟操作期间的反铲装载机的机器负载相对于时间的曲线图。这构成机具推进模式；地面推进在该周期期间不可用。
可以看出，发动机负载在低于50Nm与高于350Nm之间波动。这些波动对应于挖沟周期期间的不同活动。例如，机具附件与要挖沟的地面的碰撞点可能对应于高扭矩要求。相比之下，将空机具附件定位在地面上方可能对应于低扭矩要求。
在此周期中提供发动机的完整扭矩范围可能导致发动机使用效率低下。换句话说，在所有发动机速度下都有利于该完整扭矩范围可能导致仅有短暂益处的大量燃料消耗。
在图3中示出了对图2中所示的不同峰宽的峰之间的时间的分析。该图显示，通常扭矩峰值要求越高，峰的持续时间越短。该图还显示，扭矩峰值要求越高，它们出现的频率就越少(即，峰之间的平均时间越长)。
因此，总的来说，可以得出结论，各种高扭矩要求可以既短暂又不频繁。完整发动机图大体上构造成便于快速和完全满足各种扭矩需求。为了在不损害发动机速度的情况下以最小延迟满足完整扭矩范围，通常会过度加燃料。换句话说，由于对燃料消耗的影响持续的时间比对扭矩的峰值需求的持续时间长，因此增加的燃料的一部分可能是多余的。
图4示出了根据本公开的机具推进模式下的燃料节省功能。弧线示出了发动机图促进的全扭矩速度范围。在扭矩要求的波动可能远小于图2中所示的行为的情况下，或者在不需要燃料节省功能的任何情况下，在地面推进模式下发动机扭矩响应的整个域(即，弧线下方的整个区域)可能是可用的。
然而，在机具推进模式下(即，在没有地面推进的反铲模式下)，取决于期望的速度，可以应用扭矩极限曲线。示出了针对各种期望的速度的这种扭矩极限曲线。在图4的示例中，取决于速度，扭矩被限制在270Nm至300Nm之间。可以选择特定的扭矩极限，因为在操作典型的反铲装载机操作时(如图2中所示)，在这样的速度下对这种扭矩的需求相对不频繁且短暂。尽管图4的示例具有在270Nm至300Nm之间的扭矩极限，但取决于机器和应用，这些值可能有所不同。当选择合适的扭矩极限时，可以这样选择，使得发动机响应在机具操作期间不受短时扭矩尖峰的很大影响。
根据图4中所示的极限来实现扭矩极限的一个结果在于导致降低发动机速度(也称为拖动)的可能性。如下面进一步描述，本公开的布置有助于有限的拖动。有限的拖动可能对机器的操作影响不大，但会使燃料消耗明显降低。相比之下，无限制的拖动可能是非常不希望的，因为它可能会对机器的操作产生重大影响，而且在一些情况下可能导致发动机熄火。
根据本公开，为了最大化燃料效率同时最小化对操作员的影响，可以各种方式限制机具模式下的发动机拖动。
首先，每个扭矩极限曲线的形状使得当发动机速度下降到第一阈值速度时，扭矩极限逐渐增加。例如，参见图4的实施例，对于1,500rpm的期望的发动机速度，扭矩极限在大约300Nm处基本上恒定，直到速度下降到1,350rpm的时间为止，在所述速度下扭矩极限逐渐增加以用于附加的发动机拖动，直到在大约1,250rpm的速度处去除限制，使得标准发动机操作参数(如图2中的实线所示)决定最大扭矩。
根据图4的示例，对于1,500rpm的期望速度，300Nm的限制扭矩代表主要操作条件限定的1,500rpm下的最大可用扭矩(大约450Nm)的大约0.66。对于2,100rpm的期望速度，275Nm的限制扭矩代表该速度下可用的大约350Nm的最大可用扭矩的大约0.78。
通常，初始扭矩极限可以在根据主要操作约束可用的最大扭矩的0.65至0.99之间。
其次，在发动机速度下降到低于第二阈值速度并持续一段时间(可以称为最大降速时期t)的情况下，该方法可触发扭矩极限速度曲线的完全去除，使得标准操作参数(如图2中的实线所示)决定最大扭矩。第二阈值速度可以是比第一阈值速度高的速度。换句话说，第二阈值速度可以表示比第一阈值速度小的发动机拖动。例如，对于1,500rpm的目标速度，第二阈值速度可以是1,400rpm。
图5示出了机具推进模式燃料节省功能的时间限制方面的流程图。在反铲装载机的示例中，在(仅)机具推进模式下使用的机具可以是反铲。在替代示例中，在挖掘机中，机具可以是挖掘机臂。
在步骤510，操作员调节节气门以选择目标发动机速度。这可以常规方式。在步骤520，发动机实施根据本公开的扭矩极限曲线。图3代表这样的扭矩极限的示例。
在步骤530，发动机控制器提供加燃料以达到目标速度。
然后，在步骤540，操作员使用机具控制来实现机具移动。这可以常规方式。
参考步骤550，在机具移动需要扭矩足够低以能够维持期望的速度的情况下，如以上关于步骤530所述继续操作，由此发动机控制器继续提供加燃料以达到目标速度。
再次参考步骤550，在机具移动需要不降低速度就不能提供的扭矩的情况下，发动机允许发动机速度降低(参见步骤560)。
然而，速度下降有两个限制。
首先，如果速度下降超过第一阈值速度，则对于相对于第一阈值速度进一步下降的速度逐渐升高扭矩极限。这由使扭矩极限回到完整扭矩范围的图4中的斜线示出。
其次，仅在有限时段内允许超过第二阈值的速度下降(步骤570)。如果在该时段内扭矩需求下降，使得其可以再次满足而不降低速度，则再次如上文关于步骤530所述继续操作，由此发动机控制器继续提供加燃料以达到目标速度而不超过扭矩极限。另一方面，如果在限定时段结束时扭矩需求仍然保持使得速度继续下降到目标速度以下，则允许暂时增加燃料以便使发动机速度返回目标(步骤580)。
以该方式，对需要的加燃料量设置了限制，以便在扭矩需求的短暂峰值期间维持扭矩和速度。在增加的扭矩需求持续时间比阈值时间长的情况下，可以促进额外的加燃料。
因此，可以显著减少燃料消耗而不会对操作造成重大影响。
在另一替代方案(也未在图5中示出)中，可以通过发动机拖动的幅度和持续时间的组合来确定可以提供临时附加燃料的情况。
混合的地面推进和机具推进
在反铲装载机的示例中，尽管反铲可能无法与地面推进同时使用，但装载机机具却可以与地面推进同时使用。这可以称为混合的地面推进和机具推进，或称为混合模式。
其他机器，例如伸缩臂叉车和推土机，也可以具有可与地面推进同时使用的机具。
仅仅为了提供机具的稍稍更快速移动并提供最大的牵引力，使装载机操作的完整范围可用于可能会对燃料消耗产生重大影响。
图6示出了完整发动机图的常规扭矩曲线范围(如实线，并且可能与图2相同)，以及节省燃料的扭矩限制范围(如虚线)。
可以看出，在图6的示例中，对于高于1,700rpm的速度，扭矩相对于完整扭矩速度范围受到限制。在该示例中，对于高于2,000rpm的速度，扭矩限制为200Nm。
根据本公开，为了最大化燃料效率同时最小化对操作员的影响，可以各种方式限制混合模式下的发动机拖动。
首先，当拖动使得发动机速度下降到第一阈值以下时，扭矩极限逐渐升高，使得如果发动机速度下降到第二阈值以下，则完整扭矩范围变得可用。这由图6的扭矩极限曲线表示。
其次，可能是某些操作条件触发了扭矩极限曲线的完全去除，使得标准操作参数(如图2中的实线所示)决定最大扭矩。
触发扭矩极限曲线的去除的某些操作条件可以是检测对高牵引力的要求。可以通过监测变矩器滑移来提供这种检测。例如，在地面推进速度与发动机速度的比率下降到速度比阈值以下的情况下，这可触发扭矩曲线极限的去除。速度比阈值可以在0.2至0.4之间。例如，速度比阈值可以是0.2、0.3或0.4。当速度比下降到速度比阈值以下时，可以暂时去除扭矩极限曲线，以便于提供更多扭矩。这将导致在短时间内需要额外的燃料。
可能在混合模式下的燃料节省功能在第一多个较低档位而不是第二多个较高档位中可用。(在具有六个档位的机器中，第一多个较低档位可以是档位1、2、3和4，而第二多个较高档位可以是档位5和6。)第二较高档位可以替代地允许完整扭矩速度范围。这是因为较高档位通常不用于装载机操作，而基本上仅用于高速公路行驶。因此，通过实施扭矩极限曲线来节省燃料的机会受到更多限制。
混合模式下的扭矩极限的一个结果是，机具移动(例如，尤其是举起重物时)的速度或最大牵引力可能略微降低。这些降低的好处体现在燃料消耗的更显著下降。
替代方案
本公开的方法可以应用于一系列不同的机器，并且不限于反铲装载机。
所示和所述的机具的替代机具落入本公开的范围内。此外，机具可以构成臂(在挖掘机的情况下)，附件(例如，铲斗)可附接到所述臂。替代地，机具可以构成完整的机具系统，例如，带永久平台的伸缩臂叉车。
替代的地面推进功能落入本公开的范围内。例如，地面推进可以通过连续的轨道而不是轮子来实现。
许多其他替代方案落入所附权利要求书的范围内。
工业适用性
本公开的方法可以特别适用于使用一个发动机来提供地面推进和机具推进的机器。通过在某些情况下限制完整发动机操作范围，可以排除导致高燃料消耗、最小增益的完整范围内的发动机操作区域。以该方式，可以减少燃料消耗。同时，在范围限制将导致机器可操作性显著降低的情况下，至少部分地中止操作范围的限制，以便不明显降低操作效率。

Claims (12)

1.一种减少具有内燃发动机的机器中的燃料消耗的方法，所述机器具有混合模式，在所述混合模式下，所述发动机用于通过扭矩转换器进行地面推进同时通过液压泵进行液压机具推进，发动机控制器使用限定主要操作约束的第一发动机图，其中所述方法包括：
从扭矩极限曲线获得初始扭矩极限，所述扭矩极限曲线提供落入所述主要操作约束内的操作约束；
实施与初始扭矩极限值对应的扭矩极限，使得在扭矩需求超过所述扭矩极限的情况下，发动机速度将下降到期望的发动机速度以下；
在发动机与地面推进之间的扭矩转换器速度比下降到速度比阈值以下的情况下，去除所述扭矩极限曲线并且恢复到主要操作约束。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述扭矩极限曲线使得：
在发动机速度下降到第一阈值速度以下的情况下，所述扭矩极限逐渐增加。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中：
在发动机速度下降到第二阈值速度以下并且持续时间比最大降速时期t长的情况下，所述方法包括去除所述扭矩极限并且恢复到主要操作约束。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述最大降速时期t在0.2秒至2秒之间，优选地在0.2秒至1秒之间，更优选地在0.4秒至0.8秒之间，更进一步优选地在0.4秒至0.6秒之间，再进一步优选地在0.45秒至0.55秒之间，还进一步优选地为0.5秒或大约0.5秒。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述扭矩极限应用于高于由所述主要操作约束限定的最大发动机速度的50％的发动机速度。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述初始扭矩极限值在所述主要操作约束内可用的最大扭矩的大约0.6至0.99之间；优选地在所述主要操作约束内可用的最大扭矩的0.6至0.9之间；更优选地在所述主要操作约束内可用的最大扭矩的0.65至0.75之间，更进一步优选地为所述主要操作约束内可用的最大扭矩的0.7。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述初始扭矩极限值在270Nm至300Nm之间。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中第一阈值发动机速度表示相对于期望的发动机速度的在50rpm至200rpm之间，200rpm或150rpm或100rpm或50rpm的下降。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中第二阈值发动机速度高于所述第一阈值发动机速度，使得相比于所述第一阈值发动机速度，所述第二阈值发动机速度表示相对于期望的发动机速度更小的下降。
10.一种具有内燃发动机的机器，其用于通过变速箱进行地面推进同时通过液压泵进行液压机具推进，发动机控制器使用限定主要操作约束的第一发动机图，其中：
所述控制器被配置成：
获得扭矩极限曲线，所述扭矩极限曲线提供落入所述主要操作约束内的操作约束；
实施所述扭矩极限曲线，使得在扭矩需求超过所述扭矩极限曲线的情况下，发动机速度将下降到期望的发动机速度以下；以及
在发动机与地面推进之间的扭矩转换器速度比下降到速度比阈值以下的情况下，去除所述扭矩极限曲线并且恢复到主要操作约束。
11.根据权利要求10所述的机器，其中所述机器是具有装载机机具的装载机，并且其中所述液压机具推进向所述装载机机具提供推进。
12.根据权利要求10所述的机器，其中所述机器是具有装载机机具和反铲机具的反铲装载机，其中所述液压机具推进向所述装载机机具提供推进。
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