專利名稱：燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行的 伺服加載裝置。本燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置使發(fā)動機(jī)在不同的 轉(zhuǎn)速下始終工作在最佳效率運(yùn)行曲線上，使得發(fā)動機(jī)消耗等量的燃油時獲得 最大的機(jī)械能量，達(dá)到節(jié)省能源的目的。(二) 背景技術(shù)試驗(yàn)表明，燃油發(fā)動機(jī)輸出某個機(jī)械功率存在若千個不同轉(zhuǎn)速和扭矩配 合的工作點(diǎn)，在這些工作點(diǎn)中存在一個單位輸出機(jī)械能量油耗最低點(diǎn)，即為 轉(zhuǎn)速-扭矩的最佳匹配工作點(diǎn)。將不同輸出功率下的油耗最低點(diǎn)相連并作平 滑處理獲得的曲線就是該發(fā)動機(jī)的最佳效率運(yùn)行曲線。在該曲線上燃油發(fā)動 機(jī)效率最高，消耗等量的燃油獲得的機(jī)械能量的最大。由此可見，當(dāng)燃油發(fā)動機(jī)工作在某轉(zhuǎn)速下，如果施加在其軸上的扭矩與 最佳效率運(yùn)行曲線要求的扭矩相同，發(fā)動機(jī)即工作在當(dāng)前轉(zhuǎn)速的最佳效率點(diǎn) 上。發(fā)動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，保持施加在軸上的扭矩總與最佳效率運(yùn)行曲線 要求的扭矩相同，即發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩與最佳效率運(yùn)行曲線的要求相吻合， 發(fā)動機(jī)消耗等量的燃油將可獲得最大的機(jī)械能量，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。目前主要各種燃油發(fā)動機(jī)均配置有級變速撥箱或無級變速箱(CVT)等 機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，來調(diào)節(jié)匹配其轉(zhuǎn)速和扭矩，期望燃油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩匹 配逼近最佳效率運(yùn)行曲線。最普遍應(yīng)用的有級變速撥箱有4-5個速度檔位,能進(jìn)行簡易的速度調(diào)節(jié)，但變速比無法連續(xù)調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載扭矩因?yàn)轱L(fēng)阻、載重、路況、環(huán)境、磨損等 情況變化時，在不同檔的不同轉(zhuǎn)速下施加于發(fā)動機(jī)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(shí)現(xiàn)變速比的連 續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜因而其制造成本高；其二是機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓 系統(tǒng)的慣量大因而調(diào)節(jié)速度慢，發(fā)動機(jī)油門或外部負(fù)載扭矩動態(tài)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(zhǔn)確地調(diào)整變比，燃油發(fā)動機(jī)工作在最佳效率運(yùn)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(diǎn) 都影響到CVT的推廣應(yīng)用。(三)實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是設(shè)計一種燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置。 本裝置不受車速及阻力等外部負(fù)載狀態(tài)的影響，獨(dú)立調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)輸出軸的扭 矩，使燃油發(fā)動機(jī)運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機(jī)軸承受的負(fù)載扭矩始終按最 佳效率運(yùn)行曲線的要求與轉(zhuǎn)速幾乎無滯后地進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)持續(xù)、穩(wěn) 定地節(jié)能運(yùn)行。本實(shí)用新型設(shè)計的燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置包括電機(jī)、伺 服驅(qū)動器及主控單元。所述電機(jī)為永磁同步伺服電機(jī)、或開關(guān)磁阻電機(jī)、或 無刷直流電機(jī)。電機(jī)的外轉(zhuǎn)子內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子與燃油發(fā)動機(jī)輸出軸直連; 該電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子軸為本裝置的輸出軸。外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子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(huán)與伺服驅(qū)動器連接。電機(jī)的外轉(zhuǎn)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(qū)動器。電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上安裝位置傳 感器，該位置傳感器連接伺服驅(qū)動器。主控單元主體為計算機(jī)，其內(nèi)存儲記 錄所連接的發(fā)動機(jī)的最佳效率運(yùn)行曲線的轉(zhuǎn)速-扭矩匹配數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)速-扭矩 匹配關(guān)系公式。燃油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動時，本裝置的電機(jī)外轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動，此時主控單元根據(jù) 傳感器測到的發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速以及主控單元計算機(jī)內(nèi)部預(yù)存的最佳效率運(yùn)行 曲線的轉(zhuǎn)速-扭矩匹配數(shù)據(jù)獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最佳匹配扭矩期望值，以此向伺 服驅(qū)動器傳遞扭矩設(shè)定值，伺服驅(qū)動器根據(jù)此扭矩設(shè)定信號和速度/位置傳 感器送來的外轉(zhuǎn)子位置信號以及位置傳感器送來的內(nèi)轉(zhuǎn)子位置信號、通過集 電環(huán)向電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子繞組動態(tài)輸出相應(yīng)的電流矢量，使電機(jī)對燃油發(fā) 動機(jī)的輸出軸施加相應(yīng)的扭矩。由于作用力與反作用力的關(guān)系，在外轉(zhuǎn)子受 到內(nèi)轉(zhuǎn)子電磁扭矩時，內(nèi)轉(zhuǎn)子也受到同樣大小的反作用扭矩，即內(nèi)轉(zhuǎn)子的輸 出軸上同時也可以對最終負(fù)載輸出同樣大小的扭矩。當(dāng)輸出軸的扭矩驅(qū)動負(fù) 載運(yùn)行時，即內(nèi)轉(zhuǎn)子在驅(qū)動外轉(zhuǎn)子對燃油發(fā)動機(jī)加載的同時，還通過輸出軸
輸出了機(jī)械能量。本實(shí)用新型燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置的優(yōu)點(diǎn)為1、安裝 在發(fā)動機(jī)軸上的電機(jī)外加伺服驅(qū)動器代替了機(jī)械式變速箱和離合器，讓伺服 驅(qū)動器以扭矩伺服方式調(diào)節(jié)電機(jī)施加在發(fā)動機(jī)軸上的扭矩，保證燃油發(fā)動機(jī) 實(shí)時工作在最佳效率運(yùn)行曲線上，實(shí)現(xiàn)消耗等量的燃油時輸出最大的機(jī)械 能；2、本裝置燃油發(fā)動機(jī)輸出軸與外負(fù)載無直接的機(jī)械連接，即使外負(fù)載 扭矩頻繁變化或者燃油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁變化，伺服驅(qū)動器仍能連續(xù)、迅速、 準(zhǔn)確地按照最佳效率運(yùn)行曲線的要求對發(fā)動機(jī)實(shí)時地施加匹配扭矩，燃油發(fā) 動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下其輸出軸的扭矩總與最佳效率運(yùn)行曲線的要求相吻合，即 發(fā)動機(jī)總是工作在預(yù)存的最佳效率運(yùn)行曲線上，使發(fā)動機(jī)消耗等量的燃油時 輸出的機(jī)械能最大；3、伺服驅(qū)動器采取扭矩伺服的控制方式調(diào)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)子和 外轉(zhuǎn)子之間的電磁扭矩，即調(diào)節(jié)燃油發(fā)動機(jī)的輸出軸扭矩，因此伺服驅(qū)動器 可以連續(xù)調(diào)節(jié)扭矩，并且伺服驅(qū)動器調(diào)節(jié)扭矩的響應(yīng)速度達(dá)毫秒級，其調(diào)節(jié) 的精度與響應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)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(fā)動機(jī)的扭矩和最佳效率曲線上與當(dāng)前轉(zhuǎn)速匹配的扭 矩的誤差在5%以內(nèi)，節(jié)油效果明顯；4、本裝置可應(yīng)用于各種燃油發(fā)動機(jī)， 特別適用于油電混合動力電動車，達(dá)到節(jié)能和降低廢氣排放的目的。(四)
圖1為本燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中標(biāo)記為1燃油發(fā)動機(jī)，2發(fā)動機(jī)輸出軸，3速度/位置傳感器，4外轉(zhuǎn)子，5內(nèi)轉(zhuǎn)子，6集電環(huán)，7輸出軸，8伺服驅(qū)動器，9主控單元，10位置傳感器；圖2為某1.8L排量汽油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行曲線，圖中縱坐標(biāo)為發(fā)動 機(jī)輸出軸扭矩(單位為N'm，牛頓米)，橫坐標(biāo)為發(fā)動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速(單位 為rpm，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))，其中細(xì)虛線為等功率線(單位為kW，千瓦)，細(xì)實(shí)線 為等能耗線BE (單位為g/kWh，每千瓦小時克)，粗實(shí)線為發(fā)動機(jī)最佳效率 曲線，粗虛線為發(fā)動機(jī)最大扭矩限制。
具體實(shí)施方式
本燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置實(shí)施例tt結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃油發(fā)動機(jī)1連接包括永磁同步伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器及主控單元的伺服加載
裝置，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子4與燃油發(fā)動機(jī)1的輸出軸2直連；電機(jī)的外轉(zhuǎn)子4內(nèi) 嵌永磁材料，其內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子5，即電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子5的軸為本裝置的 輸出軸7。電機(jī)的外轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動器8連接。主控單元9與伺服驅(qū)動器8連接。伺 服驅(qū)動器8通過集電環(huán)6與內(nèi)轉(zhuǎn)子5的繞組連接。主控單元9主體為計算機(jī)， 其內(nèi)存儲該燃油發(fā)動機(jī)1最佳效率運(yùn)行曲線的相匹配的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)。本燃油發(fā)動機(jī)的伺服加載裝置也可采用開關(guān)磁阻電機(jī)或無刷直流電機(jī)， 結(jié)構(gòu)與上述相同。本裝置可在內(nèi)轉(zhuǎn)子5和外轉(zhuǎn)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(qū)動器8連接。用以替代內(nèi)轉(zhuǎn)子5上的位置傳感器10和外轉(zhuǎn) 子4上的速度/位置傳感器3對內(nèi)轉(zhuǎn)子5和外轉(zhuǎn)子4的位置檢測，并直接將 二者相對位置信號送至伺服驅(qū)動器8。本裝置的外轉(zhuǎn)子4也可為繞制在鐵芯上的繞組，集電環(huán)6安裝在發(fā)動機(jī) 軸2上，該繞組通過集電環(huán)6與伺服驅(qū)動器8相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子5則為嵌永磁材 料的轉(zhuǎn)子，為外轉(zhuǎn)子4提供磁場。其它結(jié)構(gòu)與上述相同。每種型號發(fā)動機(jī)的最佳效率運(yùn)行曲線可由生產(chǎn)廠家提供，也可以用專用 測試設(shè)備通過試驗(yàn)獲得。最佳效率運(yùn)行曲線數(shù)據(jù)可以用列表或函數(shù)表達(dá)方式 存入主控單元9的計算機(jī)。圖2所示為某1. 8L排量汽油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行曲線。主控單元9的 計算機(jī)可以表格方式存儲速度與扭矩最佳匹配數(shù)據(jù)，即將圖2中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 從怠速到最高轉(zhuǎn)速按等間隔作垂線，從垂線與最佳效率曲線的交點(diǎn)上獲得與 轉(zhuǎn)速對應(yīng)的匹配扭矩數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)速-扭矩最佳匹配數(shù)據(jù)列表存儲在主控單元9 計算機(jī)中。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速介于兩節(jié)點(diǎn)之間時，主控單元9的計算機(jī)按傳感器 3的轉(zhuǎn)速信號通過插補(bǔ)方式計算獲得其匹配扭矩，顯然轉(zhuǎn)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(zhuǎn)數(shù)/分鐘(rprn)為間隔， 從低速1000轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘到高速6000轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘可以獲取11組轉(zhuǎn)速N-扭矩M 數(shù)據(jù)；若以100轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘為間隔，可以獲取51組數(shù)據(jù)。若以l轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘 為間隔，可以獲取5001組數(shù)據(jù)。主控單元9的計算機(jī)也可采用函數(shù)方式存儲轉(zhuǎn)速和報矩數(shù)據(jù)，根據(jù)最佳 效率運(yùn)行曲線通過計算、擬合等數(shù)學(xué)處理即可獲得分段函數(shù)M=F (N)，將此 函數(shù)存入主控單元9的計算機(jī)，主控單元9的計算機(jī)披傳感器3的轉(zhuǎn)速信號
由此函數(shù)計算相應(yīng)的最佳扭矩值。本伺服加載裝置與所連接的燃油發(fā)動機(jī)1的最大扭矩與最高轉(zhuǎn)速相匹配。1.8L排量汽油發(fā)動機(jī)安裝本最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置，如圖2中A 點(diǎn)所示，在發(fā)動機(jī)工作于輸出功率15kW的工況并保持不變的情況下，如果 發(fā)動機(jī)工作在非經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)3500轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘，40. 9牛頓米，其單位輸出機(jī)械 能量的油耗為335g/kWh (克/千瓦小時)，但通過本加載控制裝置將發(fā)動機(jī) 工作點(diǎn)調(diào)整到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行曲線上的B點(diǎn)，即1302轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘，110牛頓米， 其單位輸出機(jī)械能量的油耗降低為250g/kWh，減少油耗25.4%。視工作點(diǎn)不 同，節(jié)油情況不同，但均能保持發(fā)動機(jī)運(yùn)行在最佳效率曲線上。
權(quán)利要求1、一種燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置，其特征在于包括電機(jī)、伺服驅(qū)動器及主控單元，所述電機(jī)為永磁同步伺服電機(jī)、或開關(guān)磁阻電機(jī)、或無刷直流電機(jī)；電機(jī)的外轉(zhuǎn)子(4)與燃油發(fā)動機(jī)(1)的輸出軸(2)直連；電機(jī)的外轉(zhuǎn)子(4)內(nèi)為電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(5)的軸為本裝置的輸出軸；外轉(zhuǎn)子(4)和內(nèi)轉(zhuǎn)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(huán)(6)與伺服驅(qū)動器(8)連接；外轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動器(8)連接；主控單元(9)與伺服驅(qū)動器(8)連接，主控單元(9)主體為計算機(jī)，其內(nèi)存儲該燃油發(fā)動機(jī)(1)最佳效率運(yùn)行曲線的相匹配的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置， 其特征在于本伺服加載裝置與所連接的燃油發(fā)動機(jī)(1)最大扭矩與最高轉(zhuǎn)速相 匹配。
專利摘要本燃油發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行伺服加載裝置包括永磁伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器及主控單元，伺服電機(jī)外轉(zhuǎn)子軸與發(fā)動機(jī)輸出軸直連；外轉(zhuǎn)子內(nèi)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸為裝置輸出軸；內(nèi)外轉(zhuǎn)子之一嵌有永磁另一為繞組，繞組經(jīng)集電環(huán)接伺服驅(qū)動器。外轉(zhuǎn)子上的速度/位置傳感器接主控單元與伺服驅(qū)動器，內(nèi)轉(zhuǎn)子上的位置傳感器接伺服驅(qū)動器，主控單元與伺服驅(qū)動器連接，主控單元存儲發(fā)動機(jī)最佳效率運(yùn)行曲線的轉(zhuǎn)速-扭矩數(shù)據(jù)。速度/位置傳感器實(shí)時送出外轉(zhuǎn)子速度和位置信號；位置傳感器實(shí)時送出內(nèi)轉(zhuǎn)子位置信號；計算機(jī)求取最佳扭矩值；伺服驅(qū)動器根據(jù)扭矩設(shè)定值和內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相對位置動態(tài)加載繞組電流，使發(fā)動機(jī)始終工作在最佳效率曲線上，相同油耗下輸出最大機(jī)械能。
文檔編號H02K29/06GK201054538SQ200720078688
公開日2008年4月30日 申請日期2007年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月1日
發(fā)明者虹 呂 申請人:桂林吉星電子等平衡動力有限公司