发动机燃油稀释的在线测定方法和系统与流程

本发明涉及发动机检测技术领域，尤其涉及一种发动机燃油稀释的在线测定方法和系统。

背景技术：

缸内直喷技术具有油耗量低，升功率大等优点，与同排量的一般发动机相比，功率与扭矩都有很大提高。因此在汽车设计中，由于油耗、排放、功率、扭矩等性能指标的要求越来越高，缸内直喷技术被广泛应用于汽油机上。一方面，缸内直喷汽油机的喷油策略对发动机性能起着至关重要的作用，但另一方面其也是造成燃油稀释的重要原因。当燃油稀释严重时会导致机油的粘度下降，从而对发动机的磨损部件，如轴承、凸轮轴、气缸套等产生不利影响。因而对发动机燃油稀释水平进行测定和测算在车辆设计中具有重要意义。

在目前的燃油稀释的测定方法中，包括离线检测方法和在线检测方法。所述离线检测方法通常是在整车测试结束之后，采集机油样品并对其成分进行检测，主要包括气相色谱仪检测法、重量分析法、热解重量分析法和机油物性测量法。例如，申请号为200810232902.2，名称为一种测定内燃机油粘度指数的方法的专利申请，提供了一种采用红外光谱技术分析油品粘度的方法。但是采用离线检测方法，一方面是需要专门的检测设备，所以检测具有较大限制；另一方面是检测周期较长，需要花费较长时间。在线检测方法是在整车测试的过程当中，对机油的成分进行检测，主要包括基于放射性示踪剂的在线测量、激光诱导荧光谱分析法和基于加热解吸燃油检测法。但是上述的三种在线测定方法均需要借助外部检测设备，在进行机油取样后，实现燃油稀释的在线检测，这样就使得试验成本大大增加，同时试验中设备的安装设置也更复杂。

技术实现要素：

本发明实施例解决的问题是如何以更低的成本实现更高效的燃油稀释率 在线测定。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种发动机燃油稀释的在线测定方法，包括：

获取所述发动机的进气流量m_Air；

获取所述发动机的燃油消耗量m_Fuel；

获取所述发动机的排气流量m_Exhasut；

根据所述发动机的进气流量m_Air、燃油消耗量m_Fuel和排气流量m_Exhasut的比例关系计算所述发动机的燃油稀释率。

可选的，采用如下公式计算所述发动机的燃油稀释率：

燃油稀释率＝(进气流量m_Air+燃油消耗量m_Fuel-排气流量m_Exhasut)/燃油消耗量m_Fuel。

可选的，所述获取发动机的进气流量m_Air包括：通过进气流量计测得发动机的进气流量m_Air。

可选的，所述获取发动机的排气流量m_Exhasut包括：

计算所述发动机的排气流量m_Exhasut为：

其中，m_Air为所述发动机的进气量；M_Exhasut为发动机的排气摩尔质量；T_Exhasut为发动机的排气摩尔数。

可选的，采用如下方式获取所述发动机的排气摩尔质量M_Exhasut：

通过排放分析装置分别检测发动机排气中一氧化碳所占的体积百分比P_CO、二氧化碳所占的体积百分比碳氢化合物所占的体积百分比P_CH、干基氮氧化合物所占的体积百分比氧气所占的体积百分比以及氢气所占的体积百分比

计算所述发动机的排气摩尔质量M_Exhasut为：

其中，K为干湿转换因子，K≠0。

可选的，采用如下方式获取所述干湿转换因子K为：

其中，Y为燃油中氢原子与碳原子的原子数之比。

可选的，采用如下方式获取所述发动机的排气摩尔数T_Exhasut：

计算发动机排气的空燃比AFR_spindt；

其中，F_C为燃油中碳原子的质量分数；F_b为发动机排气中燃烧产物所占的质量分数；R为发动机排气中一氧化碳和二氧化碳体积百分比的比值；P_CO2为发动机排气中二氧化碳所占的体积百分比。

可选的，所述空燃比AFR_spindt通过spindt法则计算得到。

可选的，计算所述空燃比AFR_spindt为：

其中Q为发动机排气中氧气和二氧化碳体积百分比的比值。

可选的，采用如下方式获取所述发动机排气中燃烧产物所占的质量分数F_b：

为了解决上述的技术问题，本发明实施例还公开了一种发动机燃油稀释的在线测定系统，包括：

排放计算单元，计算发动机的排气流量m_Exhasut；

供油单元，适于向发动机供油，并记录向发动机供油的燃油消耗量m_Fuel；

进气流量单元，适于检测发动机的进气流量m_Air；

燃油稀释计算单元，适于根据所述发动机的进气流量m_Air、燃油消耗量m_Fuel和排气流量m_Exhasut的比例关系计算所述发动机的燃油稀释率。

可选的，所述燃油稀释计算单元适于采用如下公式计算所述发动机的燃油稀释率：

燃油稀释率＝(进气流量m_Air+燃油消耗量m_Fuel-排气流量m_Exhasut)/燃油消耗量m_Fuel。

可选的，所述排放计算单元包括：

检测子单元，适于分别检测发动机排气中一氧化碳所占的体积百分比P_CO、二氧化碳所占的体积百分比碳氢化合物所占的体积百分比P_CH、干基氮氧化合物所占的体积百分比氧气所占的体积百分比以及氢气所占的体积百分比

第一计算子单元，适于计算发动机的排气摩尔质量M_Exhasut为：

第二计算子单元，适于计算发动机排气的空燃比AFR_spindt；

第三计算子单元，适于计算发动机的排气摩尔数T_Exhasut：

第四计算子单元，适于计算所述排气流量m_Exhasut为：

其中，K为干湿转换因子；F_C为燃油中碳原子的质量分数；F_b为发动机排气中燃烧产物所占的质量分数；R为发动机排气中一氧化碳和二氧化碳体积百分比的比值；为发动机排气中二氧化碳所占的体积百分比。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

仅需要获取发动机的进气流量m_Air、燃油消耗量m_Fuel以及排气流量m_Exhasut，即可根据其比例关系得到经汽缸壁进入机油被稀释的燃油量，从而计 算出发动机燃油稀释率。相对于现有技术的离线测定方法或在线测定方法中需要检测并分析机油成分的做法，由于不需要使用专门的成分检测设备或检测试剂，因此降低了测试的成本，并且相对于上述的测定方法，设备的安装布置也更为简便，从而简化了设备操作，提高了试验操作的效率。

附图说明

图1是本发明实施例的一种发动机燃油稀释的在线测定方法的流程图；

图2是本发明实施例中计算排气摩尔质量M_Exhasut的流程图；

图3是本发明实施例的一种发动机燃油稀释的在线测定系统的结构示意图。

具体实施方式

在目前的燃油稀释的测定方法中，其中的在线检测方法是在整车测试的过程当中，对机油的成分进行检测，主要包括基于放射性示踪剂的在线测量、激光诱导荧光谱分析法和基于加热解吸燃油检测法。但是上述的三种在线测定方法均需要借助外部检测设备，在机油取样后，实现燃油稀释的在线检测，这样就使得试验成本大大增加，同时试验中设备的安装设置也更复杂。

可以通过排气空燃比和缸内燃油平衡来测定燃油稀释的方法。假设燃油经喷油器进入气缸后，大部分与新鲜空气雾化参与燃烧，而少量喷到气缸壁的燃油被活塞刮下流到油底壳，从而稀释机油。将流到油底壳的燃油流量表示为m_FL，则可以得到

其中，m_Air为发动机进气质量流量，m_Fuel为经喷油器喷入发动机的燃油质量流量，AFR_spindt为空燃比，从而可以得到将发动机机油中混入的燃油流量与燃油总量的比值FL％为：

上述方法引用了spindt空燃比的计算，假设未参与燃烧的燃油量与进入到油底壳中的燃油量成正比例关系，利用空燃比和燃油平衡计算出燃油中未参与燃烧的燃油占总燃油量的比率，从而来测定燃油稀释水平。然而在实际燃烧过程中，尤其缸内雾化情况不良时，会有部分燃油并未真正参与燃烧或者 燃烧不完全，而直接随排气排出。但是这部分燃油在上述的计算方法中并未体现，因此导致计算方法误差较大。

针对上述的技术问题，本发明实施例首先计算发动机的进气流量m_Air与燃油消耗量m_Fuel两者之和，然后计算与排气流量m_Exhasut的差值，即得到了经汽缸壁进入机油被稀释的燃油量，从而可以进一步通过计算被稀释的燃油量与燃油消耗量之间的比值，即可计算出发动机燃油稀释率。相对于现有技术的离线测定方法或在线测定方法中需要检测并分析机油成分的做法，不需要使用专门的成分检测设备或检测试剂，因此降低了测试的成本，并且相对于上述的测定方法，设备的安装设置也更为简便，因此简化了试验操作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例公开了一种发动机燃油稀释的在线测定方法。如图1所示，所述发动机燃油稀释的在线测定方法可以包括：

步骤S101，获取所述发动机的进气流量m_Air。

在具体实施中，可以通过安装在进气管路上的进气流量计测得所述进气流量m_Air(kg/s)。更具体来说，所述进气流量计可以布置在所述进气管路中空滤和节气门之间的进气管上。

步骤S102，获取所述发动机的燃油消耗量m_Fuel。

在具体实施中，可以由发动机系统的供油装置在提供供油的同时，测得经喷油器喷入发动机的燃油消耗量m_Fuel(kg/s)。

步骤S103，获取所述发动机的排气流量m_Exhasut。

在具体实施中，通过计算发动机的排气摩尔质量M_Exhasut(g/mol)以及发动机的排气摩尔数T_Exhasut(mol)，并计算两者的乘积，可以得到发动机的排气质量。因此每100mol的发动机排气所对应的发动机排气质量m_Exhasut’(kg)的计算公式为：

同时，又由于每100mol发动机进气所对应的发动机进气的质量为2.897kg，因此将式(1)左右两端各除以2.897，可得每1kg的发动机进气所对应的发动机排气质量m_Exhasut”(kg)的计算公式为：

因此，当发动机进气流量为m_Air(kg/s)时，将上式(2)左右两端各乘以所述发动机进气流量为m_Air，即可得到发动机的排气流量m_Exhasut(kg/s)的计算公式为：

下文将就式(3)中的排气摩尔质量M_Exhasut和排气摩尔数T_Exhasut的获取方法进行说明，具体如下所示：

(1)如图2所示，可以采用如下方式获取所述发动机的排气摩尔质量M_Exhasut：

步骤S201，检测发动机排气中各成分所占的体积百分比。

在具体实施中，可以通过设置在发动机排气管上的排放分析装置，分别检测发动机排气中一氧化碳所占的体积百分比P_CO、二氧化碳所占的体积百分比碳氢化合物所占的体积百分比P_CH、干基氮氧化合物所占的体积百分比氧气所占的体积百分比以及氢气所占的体积百分比

步骤S202，计算所述发动机的排气摩尔质量M_Exhasut。

在具体实施中，可以通过下述公式计算所述排气摩尔质量M_Exhasut：

在上式(4)通过计算所述排气中各成分的摩尔质量，并将各成分的摩尔质量相加即可得到总排气的摩尔质量。例如，P_CH表示排气中碳氢化合物的体积百分比，而13.88表示每摩尔碳氢化合物的质量，因此两者的乘积可得排气中碳氢化合物所占的摩尔质量。上式(4)中，K为干湿转换因子，表示排气 中水分的含量，k≠0，因此通过可以得到排气中水分的摩尔质量。由于认为除了通过步骤S201得到的气体外，其余均为氮气，因此上式(4)中的表示氮气所占的摩尔质量。

根据燃油特性标准可以得到所述干湿转换因子为：

其中，所述y为燃油中氢原子和碳原子的原子数之比，其可以根据燃油特性得到。

(2)获取所述发动机的排气总摩尔数T_Exhasut：

A、可得燃油燃烧的化学反应方程式为：20.99O₂+XC+YH₂—>ACO₂+BCO+CH₂O+DH₂+EO₂。式中，X为碳原子的摩尔数，A为二氧化碳的摩尔数，B为一氧化碳的摩尔数。

因此CO₂的体积分数可通过其摩尔数与排气成分中燃烧产物所占的质量分数的乘积与排气总摩尔数T_Exhasut之间的比值表示，即如下式所示：

其中，F_b为排气成分中燃烧产物所占的质量分数。

B、由上述的燃油燃烧的化学反应方程式及根据化学方程式中碳原子、氢原子和氧原子平衡的规律，可得X＝A+B，因此进一步可得：

即

其中，P_CO和分别代表排气组分中CO和CO₂的体积百分数，其可以通过步骤S201得到。

C、根据燃油特性可知，燃油中碳原子的质量分数F_C和氢原子的质量分数F_H分别为：

对上式(8)和(9)化简，可得：

D、通过Spindt法则测得排气的空燃比AFR_Spindt空燃比为：

将排气成分中燃烧产物所占的质量分数表示为F_b，未燃产物的质量分数表示为F_u，则有：F_b+F_u＝1。

根据Spindt法则的空燃比计算推导可知：

E、将上式(7)和(10)代入上式(6)中，可得：

可得：即：

将和上式(12)代入上式(14)，可得：

可以理解的是，上述步骤S101至步骤S103并无必要的先后顺序，可以根据实际应用的需要对其执行的先后顺序进行调整。

步骤S104，采用如下公式计算所述发动机的燃油稀释率：

燃油稀释率＝(进气流量m_Air+燃油消耗量m_Fuel-排气流量m_Exhasut)/燃油消耗量m_Fuel。

将由所述步骤S101至步骤S103得到的进气流量m_Air、燃油消耗量m_Fuel以及排气流量m_Exhasut代入上式中，可得燃油稀释率的计算公式为：

由于排气流量m_Exhasut中不仅包括经过燃烧的排放产物，也包括了未燃烧或者燃烧不完全而直接随排气排放的部分燃油，所以通过上式中的：进气流量m_Air+燃油消耗量m_Fuel-排气流量m_Exhasut可以只得到喷到汽缸壁而被活塞刮下后流到油底壳的燃油，从而排除未经燃烧而直接随排气排除的燃油，因此提高了燃油稀释率的精确性。

瞬时燃油稀释率可以计算得到发动机机油中混入的燃油累计量。通过将上述计算方法集成在燃油稀释的计算模块芯片中，从而可以计算得到的机油中混入的燃油累计量，使用户预知何时需要更换新机油。

综上，本发明实施例采用了与现有的离线检测和在线检测通过检测机油成分计算燃油稀释率不同的设计思路，从缸内燃油平衡的角度出发，同时充分考虑到存在未经充分燃烧而被直接排出的燃油量，通过获取进气量、燃油量和排气量计算出留滞在发动机油底壳内而稀释机油的燃油量计算燃油稀释率，不仅避免了现有技术中由于需要专门的检测设备，而使试验成本增大，同时使试验中设备的安装设置复杂的问题，而且在计算中排除了上述直接随排气排出的燃油量，从而提高了计算的准确性。

本发明实施例还公开了一种与上述发动机燃油稀释的在线测定方法对应的发动机燃油稀释的在线测定系统。所述在线测定系统可以直接设置在整车上，也可以设置在测试台架上以对发动机的燃油稀释情况进行在线测定。

如图3所示，整车部件或测试台架可以包括：进气管301、空气过滤器302、节气门303、发动机304、排气管305、催化转换器306、供油管307、供油装置308、电子控制单元309、线束310和排放取样管311。其中，所述空气过滤器302和所述节气门303依次布置在进气管301上，所述进气管301的出气口可以与发动机的进气歧管进气口(图中未示出)相连接，所述催化转换器306布置在排气管305上，所述排气管305的进气口与发动机的排气歧管(图中未示出)出气口相连接，所述供油管307的两端分别与发动机304和供油装置308相连接。所述电子控制单元309通过线束310分别与节气门303和发动机304相连接。

所述在线测定系统可以包括：

排放计算单元312，适于计算发动机的排气流量m_Exhasut。

供油单元，适于向发动机供油，并记录向发动机供油的燃油消耗量m_Fuel。

在具体实施中，所述供油单元可以是现有发动机系统的中供油装置，即上述的供油装置308。

进气流量单元313，适于检测发动机的进气流量m_Air。

在具体实施中，所述进气流量单元312可以是进气流量计，可以设置在所述进气管路中的空气过滤器302和节气门303之间的进气管301上，用于检测进入发动机304的空气流量，并且通过线束310与所述电子控制单元309连接，可以将检测到的数据发送到所述电子控制单元309，并由所述电子控制单元309将进气流量m_Air的数据发送到燃油稀释计算单元314。

燃油稀释计算单元314，通过线束310分别与供油装置308、电子控制单元309、排放计算单元312相连接；适于采用如下公式计算所述发动机的燃油稀释率：燃油稀释率＝(进气流量m_Air+燃油消耗量m_Fuel-排气流量m_Exhasut)/燃油消耗量m_Fuel。

在具体实施中，所述排放计算单元312可以包括：

检测子单元，适于分别检测发动机排气中一氧化碳所占的体积百分比P_CO、二氧化碳所占的体积百分比碳氢化合物所占的体积百分比P_CH、干基氮氧化合物所占的体积百分比氧气所占的体积百分比以及氢气所占 的体积百分比

第一计算子单元，适于计算发动机的排气摩尔质量M_Exhasut为：

第二计算子单元，适于计算发动机排气的空燃比AFR_spindt；

第三计算子单元，适于计算发动机的排气摩尔数T_Exhasut为：

第四计算子单元，适于计算发动机的排气流量m_Exhasut为：

其中，K为干湿转换因子；F_C为燃油中碳原子的质量分数；F_b为发动机排气中燃烧产物所占的质量分数；R为发动机排气中一氧化碳和二氧化碳体积百分比的比值；为发动机排气中二氧化碳所占的体积百分比。

在具体实施中，本发明的上述排放计算单元以及燃油稀释计算单元可以是芯片，其中集成了上述的计算方法。

通过本发明实施例，通过排放计算单元、供油单元、进气流量单元以及燃油稀释计算单元检测并计算相应的物理参数，即可计算得到发动机的燃油稀释率，因此相对于现有技术的在线检测或离线检测实现过程简单，降低了成本，并且准确率高。

可以理解的是，本发明实施例的发动机燃油稀释的在线测定系统为上述发动机燃油稀释的在线测定方法的具体实施装置。由于上文已经说明了发动机燃油稀释的在线测定的步骤和实现原理，因此本发明实施例的发动机燃油稀释的在线测定系统的内容可以参照上文的相应处，此处不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。