CN112523883B - 一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，包括电子控制单元以及分别与电子控制单元连接的存储器、压力传感器、水温传感器、扭矩传感器、车速传感器和加速度传感器。辅助生态驾驶系统还包括连接于电子控制单元的PID闭环控制回路，存储器中存储有排放‑发动机转速‑工况关系数据库；电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放‑发动机转速‑工况关系数据库比对，并读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入，PID闭环控制回路控制发动机的转速，并通过变速器、减速器和PTO轴来控制拖拉机的运转。本系统能实现在任何路况下工作时拖拉机都可以以最小排放工况进行工作。

Description

一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统
技术领域
本发明涉及内燃拖拉机领域，具体涉及一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
背景技术
内燃拖拉机是一种驾驶员操作的农用动力机械，需要与各种农具配套才能完成相应的作业，主要用于田间作业。由于传统农用拖拉机在作业时，所需功率大，且工作工况复杂，燃油消耗和排放随工况变化表现出不确定性。驾驶员的操作方法调整只能满足拖拉机工作动力需要，无法解决燃油浪费及排放过大，影响生态环境的问题。为此需要采取一些相应生态控制措施达到节能和减少排放的目的。为了实现这一目标，有人提出了几种方案，第一种是一些操作拖拉机的节油技巧，如：提高驾驶员的技术水平、做好拖拉机的保养工作等；第二种是采用发动机与传动系统匹配，使得发动机工作在合理的省油区间，像利用发动机的转矩对应的燃油消耗，发动机不同挡位不同车速下拖拉机的每小时燃油消耗率来确定节油区间。
第一种方案属于一些简单的节油技巧，不能结合拖拉机的运行工况来灵活的控制发动机转速，同时也不能很好的反映拖拉机在该工况下所需要的档位数，不能及时的向驾驶员反馈信息；第二种方案由于拖拉机工作时工况复杂，拖拉机田间作业模式和低速慢行工况等工作模式负载差别大，仅依靠发动机与传动系统匹配来实现节能环保，只能适用于少数工作工况，很难使得拖拉机在各种工况下均能够真正节能，而且尾气排放量大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前内燃拖拉机燃油消耗量大，不够节能，采用的节能措施只能适用于少数工况的问题。
为实现本发明目的，本发明提出一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，包括电子控制单元(ECU)以及分别与电子控制单元连接的存储器、压力传感器、水温传感器、扭矩传感器、车速传感器和加速度传感器。所述辅助生态驾驶系统还包括PID闭环控制回路，所述存储器中存储有排放-发动机转速-工况关系数据库；电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对，并读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入，PID闭环控制回路控制发动机的转速，并通过变速器、减速器和PTO轴(辅助动力输出轴)来控制拖拉机的运转。
通过排放-发动机转速-工况关系数据库的建立和实际工况数据的比对，输出最小尾气排放对应的发动机转速，实现在任何路况下工作时拖拉机都可以以最小排放工况进行工作，本发明的辅助生态驾驶系统是适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
作为本发明的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统的进一步改进，所述排放-发动机转速-工况关系数据库的建立，是通过驾驶安装有PEMS(车载便携式排放测试系统)的拖拉机在多种不同路况农田中以不同工况进行工作，利用PEMS对拖拉机尾气排放数据进行实时测量，同时利用安装在发动机上的车速传感器实时测量每个排放数据所对应的发动机转速，最终建立排放-发动机转速-工况关系数据库。该关系数据库包含了各种工况，建立的关系数据为在实际工作中，提取出最小排放对应的发动机转速数据提供了有力保证。
作为本发明的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统的进一步改进，所述电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对包括，电子控制单元根据安装在拖拉机液压系统的压力传感器采集到液压缸的压力数据来判断拖拉机是否处于工作状态：(1)若为工作状态，则进一步由电子控制单元结合液压缸的物理参数(包括液压缸的截面积)计算液压缸压强等的压力数据，并根据安装在发动机冷却水路上的水温传感器采集到的发动机工作温度数据和发动机输出轴上的扭矩传感器采集到的发动机扭矩数据综合判断发动机的负荷工况；(2)若为未工作状态，则由电子控制单元根据安装在车轮上的车速传感器采集到的车速数据和加速度传感器采集到的加速度数据综合判断拖拉机的运动工况。
作为本发明的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统的进一步改进，发动机的负荷工况分为高负荷工况、中负荷工况或低负荷工况三种工况，并根据判断出的发动机的负荷工况种类，电子控制单元读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入。
作为本发明的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统的进一步改进，拖拉机的运动工况分为加速工况、匀速工况、减速工况三种工况，并根据判断出的拖拉机的运动工况种类，电子控制单元读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入。
作为本发明的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统的进一步改进，在PID控制回路中，节气门作为执行机构，发动机作为控制对象，车速传感器实时测量发动机的实际转速作为反馈值。通过调节节气门的开度来控制发动机的动力输出，实现其满足在最佳的燃油消耗曲线下工作，减少了燃油的消耗。PID控制回路采用闭环控制，提高了节气门开度精度。
其中，内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。
本发明的辅助生态驾驶系统相对于现有技术有以下优点：
(1)结合拖拉机的运行工况来灵活的控制节发动机转速，且能够满足复杂工作环境下的工作，技术可靠。
(2)不同作业工况下采用不同的发动机输出模式，综合考虑拖拉机整体功率需求，避免能量浪费，有更高的效率。
(3)能实现在任何路况下工作时拖拉机都可以以最小排放工况进行工作，是真正适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
(4)本系统中加入了PID闭环控制回路，提高了发动机转速的控制精度。
附图说明
图1为本发明建立排放-发动机转速-工况关系数据库的流程图。
图2为本发明的辅助生态驾驶系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细介绍。
本发明的一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，包括电子控制单元(ECU)以及分别与电子控制单元连接的存储器、压力传感器、水温传感器、扭矩传感器、车速传感器和加速度传感器。所述辅助生态驾驶系统还包括PID闭环控制回路，所述存储器中存储有排放-发动机转速-工况关系数据库。
如附图1的流程所示，所述排放-发动机转速-工况关系数据库的建立，是通过驾驶安装有PEMS(车载便携式排放测试系统)的拖拉机在多种不同路况农田中以不同工况进行工作，利用PEMS对拖拉机尾气排放数据进行实时测量，同时利用安装在发动机上的车速传感器实时测量每个排放数据所对应的发动机转速，最终建立排放-发动机转速-工况关系数据库。该关系数据库包含了各种工况，建立的关系数据为在实际工作中，提取出最小排放对应的发动机转速数据提供了有力保证。
本发明的辅助生态驾驶系统的工作流程可以概括为：(1)电子控制单元(ECU)将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对；(2)电子控制单元(ECU)读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入；(3)PID闭环控制回路控制发动机的转速，并通过变速器、减速器和PTO轴(辅助动力输出轴)来控制拖拉机的运转。
本驾驶系统通过排放-发动机转速-工况关系数据库的建立和实际工况数据的比对，输出最小尾气排放对应的发动机转速，实现在任何路况下工作时拖拉机都可以以最小排放工况进行工作，本发明的辅助生态驾驶系统是适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
如附图2所示，为本发明的辅助生态驾驶系统的工作流程图，包括以下步骤：
首先，所述电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对包括，电子控制单元根据安装在拖拉机液压系统的压力传感器采集到液压缸的压力数据来判断拖拉机是否处于工作状态：(1)若为工作状态，则进一步由电子控制单元结合液压缸的物理参数(包括液压缸的截面积)计算液压缸压强等的压力数据，并根据安装在发动机冷却水路上的水温传感器采集到的发动机工作温度数据和发动机输出轴上的扭矩传感器采集到的发动机扭矩数据综合判断发动机的负荷工况，本发明将发动机的负荷工况分为高负荷工况、中负荷工况或低负荷工况三种工况。(2)若为未工作状态，则由电子控制单元根据安装在车轮上的车速传感器采集到的车速数据和加速度传感器采集到的加速度数据综合判断拖拉机的运动工况，本发明将拖拉机的运动工况分为加速工况、匀速工况、减速工况三种工况。
其次，电子控制单元根据判断出的发动机的负荷工况种类或者拖拉机的运动工况种类，读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入。其中，在PID控制回路中，节气门作为执行机构，发动机作为控制对象，车速传感器实时测量发动机的实际转速作为反馈值。通过调节节气门的开度来控制发动机的动力输出，实现其满足在最佳的燃油消耗曲线下工作，减少了燃油的消耗。PID控制回路采用闭环控制，提高了节气门开度精度。
需要说明的是，内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴转速即为内燃机转速。
最后，通过PID闭环控制的调节将期望的发动机转速经过变速器，传动系统传递给车轮，经过变速器，PTO轴传递给农具。实现拖拉机在任何工况下工作时都可以以最小排放量进行工作，是真正适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
本发明的辅助生态驾驶系统相对于现有技术有以下优点：
(1)结合拖拉机的运行工况来灵活的控制节发动机转速，且能够满足复杂工作环境下的工作，技术可靠。
(2)不同作业工况下采用不同的发动机输出模式，综合考虑拖拉机整体功率需求，避免能量浪费，有更高的效率。
(3)能实现在任何路况下工作时拖拉机都可以以最小排放工况进行工作，是真正适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统。
(4)本系统中加入了PID闭环控制回路，提高了发动机转速的控制精度。
以上所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，包括电子控制单元以及分别与电子控制单元连接的存储器、压力传感器、水温传感器、扭矩传感器、车速传感器和加速度传感器，其特征在于：所述辅助生态驾驶系统还包括连接于电子控制单元的PID闭环控制回路，所述存储器中存储有排放-发动机转速-工况关系数据库；电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对，并读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入，PID闭环控制回路控制发动机的转速，并通过变速器、减速器和PTO轴来控制拖拉机的运转；
所述电子控制单元将各传感器收集到的拖拉机工况信息与排放-发动机转速-工况关系数据库比对包括：
电子控制单元根据安装在拖拉机液压系统的压力传感器采集到液压缸的压力数据来判断拖拉机是否处于工作状态：若为工作状态，则进一步由电子控制单元结合液压缸的物理参数计算液压缸的压力数据，并根据安装在发动机冷却水路上的水温传感器采集到的发动机工作温度数据和发动机输出轴上的扭矩传感器采集到的发动机扭矩数据综合判断发动机的负荷工况；若为未工作状态，则由电子控制单元根据安装在车轮上的车速传感器采集到的车速数据和加速度传感器采集到的加速度数据综合判断拖拉机的运动工况。
2.根据权利要求1所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：所述排放-发动机转速-工况关系数据库的建立，是通过驾驶安装有车载便携式排放测试系统的拖拉机在多种不同路况农田中以不同工况进行工作，利用便携式排放测试系统对拖拉机尾气排放数据进行实时测量，同时利用安装在发动机上的车速传感器实时测量每个排放数据所对应的发动机转速，最终建立排放-发动机转速-工况关系数据库。
3.根据权利要求1所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：发动机的负荷工况分为高负荷工况、中负荷工况或低负荷工况三种工况。
4.根据权利要求3所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：根据判断出的发动机的负荷工况种类，电子控制单元读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入。
5.根据权利要求1所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：拖拉机的运动工况分为加速工况、匀速工况、减速工况三种工况。
6.根据权利要求5所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：根据判断出的拖拉机的运动工况种类，电子控制单元读取关系数据库中相应工况的最小排放对应的发动机转速数据作为PID闭环控制回路的期望值输入。
7.根据权利要求1所述的适用于全工况的农用内燃拖拉机辅助生态驾驶系统，其特征在于：在PID控制回路中，节气门作为执行机构，发动机作为控制对象，车速传感器实时测量发动机的实际转速作为反馈值。
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