混凝土泵车及其控制方法.pdf

根据本发明的一个实施例，提供了一种混凝土泵车及其控制方法。该混凝土泵车包括依次耦合的发动机、主泵、输送缸，并包括料斗和臂架，其中发动机驱动的主泵通过输送缸将料斗中的料吸入并泵至臂架内的管道，由臂架送至目的地。该混凝土泵车还具有控制器，被配置为计算所需要的发动机的功率，根据计算出的功率确定发动机对于燃油效率的优化工作点，并按照该优化工作点确定对应的发动机的转速和主泵的排量从而据此对发动机的转速和主泵的排量进行控制，所述工作点是在某一时刻发动机的转速和扭矩的组合。根据本发明的一个实施例的混凝土泵车及其控制方法提高了燃油效率。

1.  一种混凝土泵车（6），包括依次耦合的发动机（7）、主泵（2）、输送缸（8），并包括料斗（1）和臂架（3），其中发动机（7）驱动的主泵（2）通过输送缸（8）将料斗（1）中的料吸入并泵至臂架（3）内的管道，由臂架（3）送至目的地，该混凝土泵车还具有控制器（14），被配置为计算所需要的发动机（7）的功率，根据计算出的功率确定发动机（7）对于燃油效率的优化工作点，并按照该优化工作点确定对应的发动机（7）的转速和主泵（2）的排量从而据此对发动机（7）的转速和主泵（2）的排量进行控制，所述工作点是在某一时刻发动机（7）的转速和扭矩的组合。

2.  根据权利要求1的混凝土泵车（6），其中在泵送未开始时，控制器（14）被配置为通过以下过程计算所需要的发动机（7）的功率：
根据预先设定的档位，通过查找档位与泵送速度对应表确定混凝土泵车的泵送速度；
根据当前臂架（3）的姿态，通过查找姿态与主泵压力对应表确定主泵（2）工作时的压力；
由混凝土泵车的泵送速度和主泵（2）工作时的压力确定初始所需要的发动机（7）的功率，
在泵送开始后，控制器（14）被配置为周期性地根据实测信息计算所需要的发动机（7）的功率。

3.  根据权利要求2的混凝土泵车（6），其中控制器（14）被配置为通过以下过程周期性地根据实测信息计算所需要的发动机（7）的功率：
实测与主泵（2）的排量对应的排量控制电流从而得出主泵（2）的排量；
根据实测的主泵（2）工作时的压力、读出的发动机（7）的转速、主泵（2）的排量计算发动机（7）的功率。

4.  根据权利要求2的混凝土泵车（6），其中控制器（14）被配置为通过以下过程周期性地根据实测信息计算所需要的发动机（7）的功率：
从发动机总线读取发动机（7）的转速和扭矩，根据发动机（7）的 转速和扭矩计算发动机（7）的功率。

5.  根据权利要求1的混凝土泵车（6），其中控制器（14）被配置为通过以下过程来根据计算出的功率确定发动机（7）对于燃油效率的优化工作点：
预先存储发动机万有特性曲线中的若干等功率曲线及每条等功率曲线上对于燃油效率的优化工作点；
按照计算出的功率寻找功率值与该功率最接近的等功率曲线及其上的对于燃油效率的优化工作点。

6.  根据权利要求1的混凝土泵车（6），其中控制器（14）被配置为通过以下过程来按照该优化工作点确定对应的发动机（7）的转速和主泵（2）的排量：
读出该优化工作点的发动机（7）的转速；
根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机（7）的转速确定主泵（2）的排量。

7.  根据权利要求1的混凝土泵车（6），其中控制器（14）还被配置为：
监视发动机（7）的实时扭矩百分比，其中实时扭矩百分比是发动机（7）的实时扭矩与参考扭矩之比，响应于该实时扭矩百分比超过阈值，调节发动机（7）的转速，使与能达到的最大扭矩变大；
根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机（7）的转速确定主泵（2）的排量。

8.  根据权利要求7的混凝土泵车（6），其中控制器（14）通过总线与发动机（7）通信，控制器（14）通过经由所述总线从发动机（7）接收实时扭矩百分比的信息，监视发动机（7）的实时扭矩百分比。

9.  一种混凝土泵车的控制方法（20），包括：
计算混凝土泵车的发动机（7）所需的功率（S1）;
根据计算出的功率确定发动机（7）对于燃油效率的优化工作点（S2）,其中工作点是在某一时刻发动机（7）的转速和扭矩的组合；
按照该优化工作点确定对应的发动机（7）的转速和混凝土泵车的主泵（2）的排量从而据此对发动机（7）的转速和主泵（2）的排量进行控 制（S3）。

10.  根据权利要求9的混凝土泵车的控制方法（20），还包括：
监视发动机（7）的实时扭矩百分比，其中实时扭矩百分比是发动机（7）的实时扭矩与参考扭矩之比，响应于该实时扭矩百分比超过阈值，调节发动机（7）的转速，使与能达到的最大扭矩变大；
根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机（7）的转速确定主泵（2）的排量。

混凝土泵车及其控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种混凝土泵车及其控制方法。
背景技术
在现代工程机械领域，混凝土泵车的控制日益重要。随着国家对车辆排放的要求和国民环保意识的不断提高，提高混凝土泵车的燃油经济性的要求越来越迫切。
图1a示出了混凝土泵车6在臂架展开时的状态。图1b示出了混凝土泵车6在臂架收起时的状态。料斗1盛放混凝土料。料斗1中的混凝土料在主泵2的作用下通过臂架3内部的空心管道，经前端软管4投放至需要混凝土料的地点。
图2示出了混凝土泵车6的内部结构。混凝土泵车6包括：由主泵2和输送缸8构成的泵送系统17，其中主泵2通过输送缸8将料斗1中的料吸入并泵至臂架3内的管道；由臂架泵21和臂架传动部分9构成的臂架作动系统16，负责臂架3的动作；由搅拌清洗泵12和搅拌清洗部分13构成的搅拌清洗系统19，负责混凝土料的搅拌和料斗的清洗；由分配油泵10和摆动油缸11构成的分配系统18，其是泵送系统17的辅助系统。
现有技术的功率控制方法一般仅控制主泵2的排量。在现有技术中，通常认为，混凝土泵车6的各个档位对应于不同的发动机7转速。发动机7的转速的含义是每单位时间的发动机转数，主泵2的排量的含义是发动机7每转一圈泵输出液压油的体积，因此泵送速度（每单位时间泵送多少体积的料）=相应系数×发动机7的转速×主泵2的排量。在现有技术的控制方法中，混凝土泵车6的各个档位设定好之后，各档位的发动机7的转速随之确定。然后，各档位的发动机7的转速始终不变，功率调节时调整的仅是主泵2的排量。
保持发动机7的转速不变、仅调整主泵2的排量不能保证发动机7 处于对于燃油效率的优化工作点。工作点是在某一时刻发动机7的转速和扭矩的组合。如图3所示，假设发动机7一开始的转速为n_a,扭矩为T_a，即处于功率P=P_A的等功率曲线A上的工作点a（n_a,T_a）。假设对于功率P=P_A的等功率曲线A来说，工作点a（n_a,T_a）恰好是对于燃油效率的优化工作点。接着，由于臂架3的姿态发生了变化，导致发动机7承担的功率可能发生了变化，发动机的工作点可能需要移动到功率P=P_B的等功率曲线B上。对于功率P=P_B的等功率曲线B来说，可能对于燃油效率的优化工作点是b（n_b,T_b）,n_b≠n_a。然而，对于现有技术中发动机7的转速保持不变的控制方法来说，是无法将工作点a（n_a,T_a）移动到工作点b（n_b,T_b）从而提高燃油效率的。
发明内容
本发明的一方面解决的技术问题之一是提供一种混凝土泵车及其控制方法，从而提高燃油效率。
根据本发明的一方面，提供了一种混凝土泵车，包括依次耦合的发动机、主泵、输送缸，并包括料斗和臂架，其中发动机驱动的主泵通过输送缸将料斗中的料吸入并泵至臂架内的管道，由臂架送至目的地，该混凝土泵车还具有控制器，被配置为计算所需要的发动机的功率，根据计算出的功率确定发动机对于燃油效率的优化工作点，并按照该优化工作点确定对应的发动机的转速和主泵的排量从而据此对发动机的转速和主泵的排量进行控制，所述工作点是在某一时刻发动机的转速和扭矩的组合。
优选地，在泵送未开始时，控制器被配置为通过以下过程估算所需要的发动机的功率：根据预先设定的档位，通过查找档位与泵送速度对应表确定混凝土泵车的泵送速度；根据当前臂架的姿态，通过查找姿态与主泵压力对应表确定主泵工作时的压力；根据混凝土泵车的泵送速度和主泵工作时的压力确定初始所需要的发动机的功率。在泵送开始后，控制器被配置为周期性地根据实测信息计算所需要的发动机的功率。
优选地，控制器被配置为通过以下过程周期性地根据实测信息计算所需要的发动机的功率：实测与主泵的排量对应的排量控制电流从而得 出主泵的排量；根据实测的主泵工作时的压力、读出的发动机的转速、主泵的排量，计算发动机的功率。
优选地，控制器被配置为通过以下过程周期性地根据实测信息计算所需要的发动机的功率：从发动机总线读取发动机的转速和扭矩，根据所述发动机的转速和扭矩，计算发动机的功率。
优选地，控制器被配置为通过以下过程来根据计算出的功率确定发动机对于燃油效率的优化工作点：预先存储发动机万有特性曲线中的若干等功率曲线及每条等功率曲线上对于燃油效率的优化工作点；按照计算出的功率寻找功率值与该功率最接近的等功率曲线及其上的对于燃油效率的优化工作点。
优选地，控制器被配置为通过以下过程来按照该优化工作点确定对应的发动机的转速和主泵的排量：读出该优化工作点的发动机的转速；根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机的转速确定主泵的排量。
优选地，控制器还被配置为：监视发动机的实时扭矩百分比，其中实时扭矩百分比是发动机的实时扭矩与参考扭矩之比，响应于该实时扭矩百分比超过阈值，调节发动机的转速，使与能达到的最大扭矩变大；根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机的转速确定主泵的排量。
优选地，控制器通过总线与发动机通信，控制器通过经由所述总线从发动机接收实时扭矩百分比的信息，监视发动机的实时扭矩百分比。
根据本发明的一方面，提供了一种混凝土泵车的控制方法，包括：计算混凝土泵车的发动机所需的功率;根据计算出的功率确定发动机对于燃油效率的优化工作点,其中工作点是在某一时刻发动机的转速和扭矩的组合；按照该优化工作点确定对应的发动机的转速和混凝土泵车的主泵的排量从而据此对发动机的转速和主泵的排量进行控制。
优选地，该方法还包括：监视发动机的实时扭矩百分比，其中实时扭矩百分比是发动机的实时扭矩与参考扭矩之比，响应于该实时扭矩百分比超过阈值，调节发动机的转速，使与能达到的最大扭矩变大；根据混凝土泵车的泵送速度、和发动机的转速确定主泵的排量。
由于根据本发明的一方面，不是仅对主泵的排量进行控制，而是对发动机的转速和主泵的排量联合控制，就避免了现有技术中发动机的转 速不变导致功率变化时发动机的工作点不能移动到新的等功率曲线上对于燃油效率的优化工作点的问题，从而改善燃油效率。
附图说明
图1a示出了混凝土泵车6在臂架打开时的状态。
图1b示出了混凝土泵车6在臂架收起时的状态。
图2示出了混凝土泵车6的内部结构。
图3分别例示了在等功率曲线A和B上对于燃油效率的优化工作点a和b。
图4示出了根据本发明的一个实施例当发动机过载时调节发动机的转速造成的发动机的工作点移动。
图5示出了根据本发明的一个实施例的混凝土泵车的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的一些优选实施方式。
本发明基于这样的原理：现有技术中，一般是混凝土泵车6的各个档位对应于不同的发动机7转速。但这未必合理。从本质上讲，当驾驶员调到一个档位时，实际上希望得到的是一个合适的泵送速度（泵送速度=相应系数×发动机的转速×主泵的排量）。因此，在本发明中，混凝土泵车6的各个档位对应于不同的泵送速度。现有技术中，发动机功率改变时发动机的工作点之所以不能移动到新的等功率曲线上对于燃油效率的优化工作点，是因为发动机的转速不可改变。根据本发明的一个实施例，在保持泵送速度在该档位下不改变的前提下，使发动机的转速和主泵的排量都可以改变。这样，当发动机功率改变时就可以重新确定新的等功率曲线上对于燃油效率的优化工作点，将发动机的工作点转移到该点，从而改善燃油效率。
如图2所示，根据本发明的一个实施例的混凝土泵车包括依次耦合的发动机7、主泵2、输送缸8，并包括料斗1和臂架3。发动机7驱动的主泵2通过输送缸8将料斗1中的料吸入并泵至臂架3内的管道，由 臂架3送至目的地。该混凝土泵车还具有控制器14，被配置为计算所需要的发动机7的功率，根据计算出的功率确定发动机7对于燃油效率的优化工作点，并按照该优化工作点确定对应的发动机7的转速和主泵2的排量从而据此对发动机7的转速和主泵2的排量进行控制。所述工作点是在某一时刻发动机7的转速和扭矩的组合。
下面详述在一个实施例中控制器14的控制过程。
I.控制器14计算所需要的发动机7的功率。
在泵送开始后，控制器14可以根据实测信息计算所需要的发动机7的功率。对于泵送未开始时所需要的发动机7的功率，可以通过下述方式来进行确定。
发动机7的功率等于相应系数×泵送速度×主泵2工作时的压力。对于一台发动机来说，相应系统是固定的，因此，只要得到了泵送速度和主泵2工作时的压力，就能够得出发动机7的功率。
由于混凝土泵车6的各个档位对应于不同的泵送速度，且在控制器14中存储着档位与泵送速度对应表，因此，在泵送未开始时，控制器14通过查找该表就能确定混凝土泵车6的泵送速度。
泵送未开始时，主泵2工作时的压力不能实测。但是，研究发现，主泵2工作时的压力主要受臂架3的姿态（泵送高度）影响，受混凝土料的密度、粘稠度影响不大。预先将各种臂架3的姿态与对应主泵2工作时的压力的对应表存储在控制器14中。这样，根据当前臂架3的姿态，通过查找该对应表就能确定主泵2工作时的压力。
在一个实施例中，在臂架3上安装多个角度传感器（未示）。通过各角度传感器感测的臂架3的各个臂之间的角度，控制器14获知臂架的姿态，并从存储于控制器14中的对应表来确定主泵2工作时的压力。
从而，在泵送未开始时，根据混凝土泵车6的泵送速度和主泵2工作时的压力就能确定所需要的发动机7的功率。在泵送开始后，控制器就可以根据实测信息计算所需要的发动机7的功率了。
在一个实施例中，由于利用发动机7的功率=相应系数×正比于主泵2工作时的压力×发动机7的转速×主泵2的排量的关系，而对于一台发动机来说相应系数是固定的，因此可基于主泵2工作时的压力、发动机7 的转速、主泵2的排量计算发动机7的功率。可以通过压力传感器实测主泵2工作时的压力。排量与排量控制电流在特定的混凝土泵车中有确定的对应关系。可以将排量与排量控制电流的对应关系列表预先存储在控制器14中。排量控制电流可以实测。因此，可以通过实测与主泵2的排量对应的排量控制电流，通过查找预先存储的排量与排量控制电流的对应关系列表，确定出对应的主泵2的排量。发动机7的转速可以直接读出。这样，就可以计算发动机7的功率。
在一个实施例中，由于发动机7的功率=相应系数×发动机7的转速×扭矩，而相应系数对于一台发动机来说是固定的，因此可以根据从发动机总线15读取的转速和扭矩信息计算发动机7的功率。
可以周期性根据实测信号计算所需要的发动机7的功率。例如，在泵送开始3、6、9……分钟进行实测。
例如，在泵送未开始时，计算出发动机7的初始功率值。在泵送开始3分钟时，根据实测信号计算此时发动机7的功率值。如果该功率值与初始功率值有变化，就意味着发动机7的工作点从初始工作点位于的等功率曲线移动到另一条等功率曲线上。在泵送开始6分钟时，再根据实测信号计算此时发动机7的功率值。此时，有可能发动机7的工作点从泵送开始3分钟时位于的等功率曲线移动到另一条等功率曲线上。
II.控制器14根据计算出的功率确定发动机7对于燃油效率的优化工作点。
在与特定功率对应的等功率曲线上，只有一些工作点处发动机的燃油效率比较高，因此，把发动机万有特性曲线中的若干等功率曲线及每条等功率曲线上对于燃油效率比较高的该一个或多个优化工作点记录在控制器14中。然后，控制器14就可以按照计算出的功率查找功率值与该功率最接近的等功率曲线及其上的对于燃油效率的这些优化工作点。当等功率曲线上有多个优化工作点时，控制器14例如可以选取对应的主泵排量较大的优化工作点用于如下的确定发动机转速的过程，当然也可以任选一个优化工作点。
III.控制器14按照该优化工作点确定对应的发动机7的转速和主泵2的排量从而据此对发动机7的转速和主泵2的排量进行控制。
优化工作点确定后，在上述发动机万有特性曲线中就可以读出该工作点的发动机7的转速和扭矩。如上所述，泵送速度=相应系数×发动机7的转速×主泵2的排量，其中相应系数对于一台发动机来说是固定的。在档位设定后，相应的泵送速度也是确定的。因此，根据泵送速度和发动机7的转速可以确定主泵2的排量。在发动机7的转速和主泵2的排量确定后，控制器14可以分别通过控制器区域网络（CAN）总线15和输出到主泵2的排量电流控制发动机7的转速和主泵2的排量。
另外，本发明的一个实施例还能最大限度发挥混凝土泵车的泵送能力。
当混凝土泵车6遇到特殊工况（例如泵送高度极高且混凝土密度较大）时，主泵2工作时的压力极大。现有技术中，由于不自动调节发动机7的转速，而发动机7的功率=相应系数×发动机7的转速×主泵2的排量×主泵2工作时的压力，只能通过降低主泵2的排量来防止过载，这样就降低了泵送能力。由于根据本发明的一个实施例，发动机7的转速是可调节的，这样就可以在降低主泵2的排量前将发动机7的转速调节到能负载发动机7较大扭矩的发动机转速处，从而最大限度地发挥混凝土泵车的泵送能力。
图4的MP-PQ-QR的分段折线是发动机7能负载的最大扭矩随发动机7的转速变化的曲线。如图4所示，在发动机7的转速为n_a时，其能负载的最大扭矩是T_R。如果不限转速，发动机7能负载的最大扭矩是T_Q。也就是说，发动机7能负载的最大扭矩不是一成不变的，而是随着发动机7的转速变化。
控制器14监视发动机7的实时扭矩百分比，其中实时扭矩百分比是发动机7的实时扭矩与参考扭矩之比。如图4，参考扭矩T_W略高于发动机7不限转速能负载的最大扭矩T_Q。控制器14响应于该实时扭矩百分比超过阈值，调节发动机7的转速，使与能达到的最大扭矩变大。
例如，当前发动机7处于图4中的工作点a，其转速为n_a，扭矩为T_a。对于当前转速n_a来说，发动机7能达到的最大扭矩为T_R。实时扭矩百分比T_a/T_WR=0.5。假设阈值=0.6。当主泵2工作时的压力突然增加导致发动机7的扭矩突然增加到T_st时，发动机7的工作点突然移动到 s(n_a,T_st)，导致实时扭矩百分比T_st/T_WR=0.65>0.6。这时，调节发动机7的转速，使与能达到的最大扭矩变大，即向Q方向移动，发动机7的转速变大。发动机7的工作点只能在一条等功率曲线上移动。发动机7的工作点因此移动到等功率曲线C上的工作点t(n_t,T_t)。此时实时扭矩降低。实时扭矩百分比T_t/T_W=0.58<0.6，即实时扭矩百分比低于阈值。
由于泵送速度=相应系数×发动机7的转速×主泵2的排量，而相应系数对于一台发动机来说是固定的，在根据当前档位确定了对应的泵送速度之后，根据泵送速度和发动机7的转速n_t，可求出主泵2的排量。
实时扭矩百分比可通过控制器14经由发动机CAN总线从发动机7接收实时扭矩百分比的信息，监视发动机7的实时扭矩百分比。
虽然这里参考具体的实施方式描述了本发明，但是本发明的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本发明的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改，这些修改都落在本发明的保护范围内。