專利名稱：燃油發動機伺服加載裝置及其最佳效率運行控制方法
技術領域：
本發明涉及節能技術領域，具體為一種燃油發動機伺服加載裝置及其最 佳效率運行控制方法。本燃油發動機的伺服加載裝置及最佳效率運行控制方 法，使發動機在不同的轉速下始終工作在最佳效率運行曲線上，使得發動機 消耗等量的燃油時獲得最大的機械能量，達到節省能源的目的。(二) 背景技術試驗表明，燃油發動機輸出某個機械功率存在若干個不同轉速和扭矩配 合的工作點，在這些工作點中存在一個單位輸出機械能量油耗最低點，即為 轉速-扭矩的最佳匹配工作點。將不同輸出功率下的油耗最低點相連并作平 滑處理獲得的曲線就是該發動機的最佳效率運行曲線。在該曲線上燃油發動 機效率最高，消耗等量的燃油獲得的機械能量的最大。由此可見，當燃油發動機工作在某轉速下，如果施加在其軸上的扭矩與 最佳效率運行曲線要求的扭矩相同，發動機即工作在當前轉速的最佳效率點 上。發動機在不同的轉速下，保持施加在軸上的扭矩總與最佳效率運行曲線 要求的扭矩相同，即發動機的轉速-扭矩與最佳效率運行曲線的要求相吻合， 發動機消耗等量的燃油將可獲得最大的機械能量，達到最經濟的運行狀態。目前主要各種燃油發動機均配置有級變速撥箱或無級變速箱(CVT)等 機械傳動機構，來調節匹配其轉速和扭矩，期望燃油發動機的轉速-扭矩匹 配逼近最佳效率運行曲線。最普遍應用的有級變速撥箱有4-5個速度檔位，能進行簡易的速度調節，但變速比無法連續調節，當負載扭矩因為風阻、載重、路況、環境、磨損等 情況變化時，在不同檔的不同轉速下施加于發動機軸上的扭矩很少能與最佳 效率曲線的要求相一致。無級變速箱(CVT)主要由主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵組成, 通過改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑實現變速比的連 續變化，從而實現發動機轉速-扭矩較好的匹配。但無級變速箱也存在明顯局限性其一是機械結構較復雜因而其制造成本高；其二是機械結構和液壓系統的慣量大因而調節速度慢，發動機油門或外部負載扭矩動態變化時，特別是路況頻繁變化、油門頻繁改變、頻繁變速的時候，無級變速箱(CVT) 不能快速、準確地調整變比，燃油發動機工作在最佳效率運行曲線的概率仍 很低；另外無級變速箱(CVT)傳動效率低于一般的齒輪變速箱。這些缺點 都影響到CVT的推廣應用。
發明內容本發明的目的是設計一種燃油發動機伺服加載裝置及其最佳效率運行 控制方法。本裝置及控制方法不受車速及阻力等外部負載狀態的影響，獨立 調節發動機輸出軸的扭矩，使燃油發動機運行在不同的轉速時，發動機軸承 受的負載扭矩始終按最佳效率運行曲線的要求與轉速幾乎無滯后地進行匹 配，實現發動機持續、穩定地節能運行。本發明設計的燃油發動機伺服加載裝置包括電機、伺服驅動器及主控單 元。所述電機為永磁同步伺服電機、或開關磁阻電機、或無刷直流電機。電 機的外轉子與燃油發動機輸出軸直連；該電機的內轉子軸為本裝置的輸出 軸。電機的外轉子軸上安裝速度/位置傳感器，該速度/位置傳感器連接主控 單元和伺服驅動器。電機的內轉子軸上安裝位置傳感器，該位置傳感器連接 伺服驅動器。外轉子和內轉子二者其一嵌有永磁材料，另一個為繞制在鐵芯 上的繞組，嵌有永磁材料的為另一個提供磁場，繞組通過集電環與伺服驅動 器連接。主控單元主體為計算機，其內存儲記錄所連接的發動機的最佳效率 運行曲線的轉速-扭矩匹配數據或轉速-扭矩匹配關系公式。燃油發動機轉動時，本裝置的電機外轉子隨之轉動，此時主控單元根據 傳感器測到的發動機的轉速以及主控單元計算機內部預存的最佳效率運行 曲線的轉速-扭矩匹配數據獲得當前轉速下最佳匹配扭矩期望值，以此向伺 服驅動器傳遞扭矩設定值，伺服驅動器根據此扭矩設定信號和速度/位置傳 感器送來的外轉子位置信號以及位置傳感器送來的內轉子位置信號、通過集 電環向電機外轉子或內轉子的繞組動態輸出相應的電流矢量，使電機對燃油 發動機的輸出軸施加相應的扭矩。由于作用力與反作用力的關系，在外轉子 受到內轉子電磁扭矩時，內轉子也受到同樣大小的反作用扭矩，即內轉子的 輸出軸上同時也可以對最終負載輸出同樣大小的扭矩。當輸出軸的扭矩驅動 負載運行時，即內轉子在驅動外轉子對燃油發動機加載的同時，還通過輸出 軸輸出了機械能量。本發明的燃油發動機伺服加載裝置的最佳效率運行控制方法為 第一步燃油發動機安裝與其最大扭矩與最高轉速相配的上述的伺服加 載裝置；第二步當發動機運行時，速度/位置傳感器實時監測電機外轉子轉速和 外轉子位置，并將當前外轉子速度信號實時送至主控單元，將當前外轉子位 置信號實時送至伺服驅動器，位置傳感器實時監測電機內轉子位置，并將當前內轉子位置信號實時送至伺服驅動器；第三步主控單元根據速度信號，確定與之匹配的最佳扭矩，并將該扭 矩設定值送入伺服驅動器；第四步伺服驅動器根據主控單元指令按當前轉速的最佳扭矩值及根據 內轉子、外轉子位置信號求得的內轉子、外轉子之間相對位置信號控制向外 轉子或內轉子的繞組輸出電流矢量，使發動機輸出軸承受相匹配的扭矩，同 時內轉子軸向負載輸出扭矩。本發明燃油發動機伺服加載裝置及其最佳效率運行控制方法的優點為 1、安裝在發動機軸上的電機外加伺服驅動器代替了機械式變速箱和離合器， 讓伺服驅動器以扭矩伺服方式調節電機施加在發動機軸上的扭矩，保證燃油 發動機實時工作在最佳效率運行曲線上，實現消耗等量的燃油時輸出最大的 機械能；2、本裝置燃油發動機輸出軸與外負載無直接的機械連接，即使外 負載扭矩頻繁變化或者燃油發動機轉速頻繁變化，伺服驅動器仍能連續、迅 速、準確地按照最佳效率運行曲線的要求對發動機實時地施加匹配扭矩，燃 油發動機在不同轉速下其輸出軸的扭矩總與最佳效率運行曲線的要求相吻 合，即發動機總是工作在預存的最佳效率運行曲線上；使發動機消耗等量的 燃油時輸出的機械能最大；3、伺服驅動器采取扭矩伺服的控制方式調節內 轉子和外轉子之間的電磁扭矩，即調節燃油發動機的輸出軸扭矩，因此伺服 驅動器可以連續調節扭矩，并且伺服驅動器調節扭矩的響應速度達毫秒級， 其調節的精度與響應的速度遠遠優于機械式的無級變速箱(CVT)及有級變速 箱；使用本裝置可控制燃油發動機的扭矩和最佳效率曲線上與當前轉速匹配 的扭矩的誤差在5%以內；節油效果明顯；4、本裝置和控制方法可應用于各種燃油發動機，特別適用于油電混合動力電動車，達到節能和降低廢氣排放 的目的。(四)
圖1為本燃油發動機的伺服加載裝置實施例的結構示意圖； 圖中標記為1燃油發動機，2發動機輸出軸，3速度/位置傳感器，4外 轉子，5內轉子，6集電環，7輸出軸，8伺服驅動器，9主控單元，10位置傳感器；圖2為某1.8L排量汽油發動機最佳效率運行曲線，圖中縱坐標為發動 機輸出軸扭矩(單位為N，m，牛頓米)，橫坐標為發動機輸出軸轉速(單位 為rpm，每分鐘轉數)，其中細虛線為等功率線(單位為kW，千瓦)，細實線 為等能耗線BE (單位為g/kWh，每千瓦小時克)，粗實線為發動機最佳效率 曲線，粗虛線為發動機最大扭矩限制。
具體實施方式
本燃油發動機的伺服加載裝置實施例的結構如圖1所示，燃油發動機1連接包括永磁同步伺服電機、伺服驅動器及主控單元的伺服加載裝置，電機 的外轉子4與燃油發動機1的輸出軸2直連；電機的外轉子4內嵌永磁材料， 其內為內轉子5，內轉子5為繞制在鐵芯上的繞組，內轉子5的軸為本裝置 的輸出軸7。電機的外轉子4上安裝有速度/位置傳感器3，該傳感器3與主 控單元9及伺服驅動器8連接。本裝置的輸出軸7上安裝有位置傳感器10， 該位置傳感器10與伺服驅動器8連接。主控單元9與伺服驅動器8連接。 伺服驅動器8通過集電環6與內轉子5的繞組連接。主控單元9主體為計算 機，其內存儲該燃油發動機1最佳效率運行曲線的相匹配的轉速-扭矩數據。 本燃油發動機的伺服加載裝置也可采用開關磁阻電機、或無刷直流電機，結 構與上述相同。本裝置可在內轉子5和外轉子4之間安裝相對位置檢測器，該相對位置 檢測器與伺服驅動器8連接。用以替代內轉子5上的位置傳感器10和外轉 子4上的速度/位置傳感器對內轉子5和外轉子4的位置檢測，并直接將二 者相對位置信號送至伺服驅動器8。本裝置的外轉子4也可為繞制在鐵芯上的繞組，集電環6安裝在發動機 軸2上，該繞組通過集電環6與伺服驅動器8相連，內轉子5則為嵌永磁材 料的轉子，為外轉子4提供磁場。其它與上述相同。每種型號發動機的最佳效率運行曲線可由生產廠家提供，也可以用專用 測試設備通過試驗獲得。最佳效率運行曲線數據可以用列表或函數表達方式存入主控單元9的計算機。圖2所示為某1. 8L排量汽油發動機最佳效率運行曲線。主控單元9的 計算機可以表格方式存儲速度與扭矩最佳匹配數據，即將圖2中發動機轉速 從怠速到最高轉速按等間隔作垂線，從垂線與最佳效率曲線的交點上獲得與 轉速對應的匹配扭矩數據，將轉速-扭矩最佳匹配數據列表存儲在主控單元9 計算機中。當發動機轉速介于兩節點之間時，主控單元9的計算機按傳感器 3的轉速信號通過插補方式計算獲得其匹配扭矩，顯然轉速垂線間隔越小、 列表描繪曲線的精度越高。如圖2所示，以500轉數/分鐘(rpm)為間隔， 從低速1000轉數/分鐘到高速6000轉數/分鐘可以獲取11組轉速N-扭矩M 數據；若以100轉數/分鐘為間隔，可以獲取51組數據。若以l轉數/分鐘 為間隔，可以獲取5001組數據。主控單元9的計算機也可采用函數方式存儲轉速和扭矩數據，根據最佳 效率運行曲線通過計算、擬合等數學處理即可獲得分段函數M=F (N)，將此 函數存入主控單元9的計算機，主控單元9的計算機按傳感器3的轉速信號 由此函數計算相應的最佳扭矩值。本發明的燃油發動機伺服加載裝置的最佳效率運行控制方法為第一步燃油發動機安裝與其最大扭矩與最高轉速相配的上述的伺服加 載裝置；第二步當燃油發動機1運行時，同軸直連的外轉子4隨之轉動。速度/ 位置傳感器3實時監測外轉子4的當前速度和位置，并將速度信號實時送至 主控單元9計算機、位置信號送至伺服驅動器8，位置傳感器10實時監測內 轉子5的當前位置，并將位置信號送至伺服驅動器8;第三步主控單元9根據速度傳感器3傳送的當前轉速信號，以及預先 存儲于主控單元9計算機中的最佳效率運行曲線，求取與當前轉速匹配的最 佳扭矩期望值，并將此期望值作為伺服驅動器8的扭矩設定信號；第四步伺服驅動器8根據主控單元9的指令按轉速最佳匹配扭矩值及 根據內轉子、外轉子位置信號求得的內轉子、外轉子之間相對位置信號動態 控制電機內轉子5繞組的電流矢量，使發動機輸出軸承受相匹配的扭矩值， 從而實現燃油發動機始終工作在最佳效率曲線上。同時內轉子5軸上輸出同 樣大小的扭矩，如果該輸出軸驅動負載發生了轉動，則輸出了機械能。主控單元9的計算機內存儲的最佳效率運行曲線數據為發動機轉速-扭 矩最佳配合數據表格，當速度傳感器3的傳送的實時轉速信號介于表格的兩節點之間時，主控單元9計算機通過插補方式實時計算獲得與當前轉速匹配 的扭矩。例如，圖2的最佳效率運行曲線數據己分11組列表儲存于主控單元9 的計算機內。燃油發動機1當前轉速是1500轉數/分鐘，主控單元9計算機 査表獲得匹配扭矩的期望值是118牛頓米(N.m)，即通過伺服驅動器8控制 電機內轉子5繞組的電流矢量，給燃油發動機1的輸出軸2施加118牛頓米 的扭矩，此時內轉子5的軸也對其所接負載輸出118牛頓米的扭矩。如果當 前轉速是1800轉數/分鐘，介于預存表格節點數據1500轉數/分鐘和2000轉 數/分鐘之間，主控單元9計算機按線性插補獲得應施加的扭矩期望值是 128. 8牛頓米，按同樣方法給輸出軸施加128. 8牛頓米的扭矩。如此傳感器 3動態獲取燃油發動機當前轉速，伺服驅動器8動態控制電機內轉子5繞組 的電流矢量使電機動態對燃油發動機施加匹配的負載扭矩，從而實現燃油發 動機1始終工作在預知的最佳效率曲線上。當主控單元9的計算機內存儲根據最佳效率運行曲線計算、擬合處理獲 得的發動機轉速與扭矩的分段函數，主控單元9計算機根據速度傳感器3的 傳送的實時轉速信號通過函數實時計算獲得與當前轉速匹配的扭矩。1. 8L排量汽油發動機安裝本伺服加載裝置，并采用本最佳效率運行控制 方法運行，如圖2中A點所示，在發動機工作于輸出功率15kW的工況并保 持不變的情況下，如果發動機工作在非經濟工作點3500轉數/分鐘，40. 9牛 頓米，其單位輸出機械能量的油耗為335克/千瓦小時(g/kWh)，但通過本 加載控制裝置和本運行控制方法將發動機工作點調整到最佳經濟運行曲線 上的B點，即1302轉數/分鐘，110牛頓米，其單位輸出機械能量的油耗降低 為250克/千瓦小時,減少油耗25. 4%。視工作點不同油耗減少數量不等。
權利要求
1. 一種燃油發動機伺服加載裝置，其特征在于包括電機、伺服驅動器及主控單元，所述電機為永磁同步伺服電機、或開關磁阻電機、或無刷直流電機；電機的外轉子(4)與燃油發動機(1)的輸出軸(2)直連；電機的外轉子(4)內為電機的內轉子(5)，內轉子(5)的軸為本裝置的輸出軸；外轉子(4)和內轉子(5)二者其一嵌有永磁材料，另一個為繞制在鐵芯上的繞組，繞組通過集電環(6)與伺服驅動器(8)連接；外轉子(4)上安裝有速度/位置傳感器(3)，該速度/位置傳感器(3)與主控單元(9)及伺服驅動器(8)連接；本裝置的輸出軸(7)上安裝有位置傳感器(10)，該位置傳感器(10)與伺服驅動器(8)連接；主控單元(9)與伺服驅動器(8)連接，主控單元(9)主體為計算機，其內存儲該燃油發動機(1)最佳效率運行曲線的相匹配的轉速-扭矩數據。
2、 根據權利要求1所述的燃油發動機伺服加載裝置，其特征在于 所述主控單元(9)內存儲的最佳效率運行曲線數據為發動機轉速-扭矩最佳配合數據表格，或者為根據最佳效率運行曲線計算、擬合處理獲得 的發動機轉速與扭矩的分段函數。
3、 一種燃油發動機伺服加載裝置的最佳效率運行控制方法，其特征在于第一步燃油發動機(1)安裝與其最大扭矩與最高轉速相配的伺服加載裝置；所述伺服加載裝置包括電機、伺服驅動器及主控單元，所述電機 為永磁同步伺服電機、或開關磁阻電機、或無刷直流電機；電機的外轉子 (4)與燃油發動機(1)的輸出軸(2)驅動連接；電機的外轉子(4)內 嵌永磁材料，其內為電機內轉子(5)，內轉子(5)的軸為本裝置的輸出 軸；外轉子(4)和內轉子(5) 二者其一嵌有永磁材料，另一個為鐵芯上 的繞組，嵌有永磁材料的為另一個提供磁場，繞組通過集電環(6)與伺 服驅動器(8)連接；燃油發動機(1)的輸出軸(2)上安裝有速度/位置 傳感器(3)，本裝置的輸出軸(7)上安裝有位置傳感器(10)，主控單元(9) 與伺服驅動器(8)連接，伺服驅動器(8)與內轉子(5)或外轉子 (4)的繞組通過集電環(6)連接，主控單元(9)為有存儲器的主控單元(9)計算機，其內存儲該燃油發動機(1)最佳效率運行曲線的相匹配 的轉速-扭矩數據；第二步速度/位置傳感器(3)實時監測發動機當前速度和外轉子(4) 的當前位置，并將外轉子(4)的速度信號實時送至主控單元(9)計算機， 將外轉子(4)的位置信號實時送至伺服驅動器(8),位置傳感器(10) 實時監測內轉子(5)的當前位置，并將位置信號送至伺服驅動器(8);第三步主控單元(9)根據速度傳感器3傳送的速度信號，以及預先 存儲于主控單元(9)的計算機中的最佳效率運行曲線，求取與轉速匹配 的最佳扭矩期望值，并將此期望值作為伺服驅動器(8)的扭矩設定信號；第四步伺服驅動器(8)根據主控單元(9)的指令按轉速最佳匹配 扭矩設定值以及根據內轉子、外轉子位置信號求得的內轉子、外轉子之間 相對位置信號動態加載電機內轉子(5)或外轉子(4)繞組的電流矢量， 使發動機輸出軸承受相匹配的扭矩值；同時內轉子(5)的軸，即本裝置 的輸出軸(7)向外部負載輸出相同大小的扭矩。
4、 根據權利要求3所述的燃油發動機伺服加載裝置的最佳效率運行 控制方法，其特征在于主控單元(9)的計算機內存儲的最佳效率運行曲線數據為發動機轉速-扭矩最佳配合數據表格，當速度/位置傳感器(3)的傳送的實時轉速信號介于表格的兩節點之間，主控單元(9)計算機通過插補方式實時計算獲得與當前轉速匹配的扭矩。
5、 根據權利要求3所述的燃油發動機伺服加載裝置的最佳效率運行 控制方法，其特征在于-主控單元(9)的計算機內存儲根據最佳效率運行曲線計算、擬合處理獲得的發動機轉速與扭矩的分段函數，主控單元(9)計算機根據速度傳感器(3)的傳送的實時轉速信號通過函數實時計算獲得與當前轉速匹配的扭矩。
全文摘要
本發明燃油發動機伺服加載裝置包括電機、伺服驅動器及主控單元，電機外轉子與發動機輸出軸直連；外轉子內為內轉子，內轉子軸為裝置輸出軸；內外轉子之一嵌永磁另一為繞組。外轉子上的速度/位置傳感器接主控單元與伺服驅動器，內轉子上的位置傳感器接伺服驅動器，主控單元與伺服驅動器連接，伺服驅動器與繞組連接，主控單元存儲發動機最佳效率運行曲線數據。本裝置的最佳效率運行控制方法為速度/位置傳感器實時送出外轉子速度和位置信號；位置傳感器實時送出內轉子位置信號；計算機求取最佳扭矩值；伺服驅動器據扭矩設定值和內外轉子相對位置動態加載內或外轉子繞組電流，使發動機始終工作在最佳效率曲線上，相同油耗下輸出最大機械能。
文檔編號G01M15/00GK101257243SQ200710048570
公開日2008年9月3日 申請日期2007年3月1日 優先權日2007年3月1日
發明者虹 呂 申請人:桂林吉星電子等平衡動力有限公司