車(chē)用氧化鋯基氮氧化物傳感器信號(hào)測(cè)試及分析

徐曉強(qiáng)，謝光遠(yuǎn)，陳 影，于金營(yíng)，黃海琴，熊友輝

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢四方光電科技有限公司，湖北武漢 430000)

1 泵氧原理

氧化鋯陶瓷作為固體電解質(zhì)，在室溫到電解質(zhì)材料工作溫度這一溫度范圍內(nèi)要求為穩(wěn)定的立方相結(jié)構(gòu)。研究表明，在ZrO2中添加一定的其他金屬氧化物，可以使立方ZrO2在室溫下穩(wěn)定。簡(jiǎn)家文[1]等采用Y2O3作為穩(wěn)定添加劑發(fā)現(xiàn)其對(duì)氧化鋯陶瓷的穩(wěn)定性有很大的幫助，且添加釔所產(chǎn)生的離子空位有利于氧離子通過(guò)，其泵氧模型如圖1所示。

圖1 泵氧模型

根據(jù)泵氧原理，國(guó)外博世公司和NGK公司通過(guò)球磨、流延、印刷、疊壓和燒結(jié)等工藝研制出了基于氧化鋯陶瓷(5YSZ)的車(chē)用NOx傳感器芯片[2-3]，該芯片在730 ℃工作，通過(guò)檢測(cè)測(cè)量泵極限電流來(lái)獲得尾氣中NO的濃度，從而可以向SCR系統(tǒng)反饋并噴射適量尿素，減少汽車(chē)尾氣中NOx的排放[4-7]。芯片結(jié)構(gòu)及電路圖如圖2所示，根據(jù)功能將產(chǎn)生電流Ip0、Ip1、Ip2的電化學(xué)泵分別定義為主泵、輔助泵、測(cè)量泵。

2 芯片測(cè)試

將芯片放入自制檢測(cè)裝置進(jìn)行信號(hào)測(cè)試。檢測(cè)方法為單泵法和三泵法。單泵法是只使用一個(gè)電化學(xué)泵(主泵、輔助泵或測(cè)量泵)，檢測(cè)不同氣氛下的電流值。三泵法即控制三泵同時(shí)工作，通入混合氣體模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣燃燒環(huán)境，測(cè)量其主泵、輔助泵、測(cè)量泵電流值。自制檢測(cè)裝置如圖3所示，該檢測(cè)系統(tǒng)可分為3個(gè)模塊：配氣模塊，加熱測(cè)試模塊，尾氣回收模塊。模擬汽車(chē)尾氣環(huán)境要求具體參數(shù)如下：(1)氣體流量2 000 mL/min；(2)氣體溫度100～800 ℃；(3)氧氣濃度可調(diào)范圍0～20%；(4)NOx濃度可調(diào)節(jié)范圍0～3 000 ppm(1 ppm=10-6)。

圖2 NOx傳感器結(jié)構(gòu)及檢測(cè)電路圖

圖3 測(cè)試裝置示意圖

測(cè)試步驟：采用99.99%高純氮為填充氣，用配氣儀將O2和NO及其他氣體混合后，流經(jīng)已經(jīng)預(yù)熱的傳感器探頭部位，經(jīng)過(guò)控制單元調(diào)整芯片加載電壓，通過(guò)UT181A型號(hào)高精度電流表檢測(cè)芯片即時(shí)電流，尾氣中NO被高錳酸鉀溶液吸收凈化。混合氣體流量2 000 mL/ min，傳感器芯片加熱溫度控制在730 ℃左右。

3 結(jié)果與分析

3.1 單泵測(cè)試及分析

根據(jù)單泵測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

通過(guò)上述曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)其主泵、輔助泵和測(cè)量泵極限電流與O2和NO濃度成正相關(guān)，與多孔擴(kuò)散層極限電流公式[8]相吻合，曲線(xiàn)斜率表示擴(kuò)散阻力的大小。

Ilim=4FD(P0-Pe)/(RR′T)

(1)

式中：Ilim為極限電流，μA；F=96 485 C/mol，為法拉第常數(shù)；D=1.68 cm2/s，為氣體擴(kuò)散系數(shù)；P0為待測(cè)氣體氧分壓；Pe為達(dá)到極限電流時(shí)測(cè)量電極上的氧分壓，Pe=0 atm，1 atm=101.325 kPa；R為擴(kuò)散阻力；R′=

82.05 atm·cm3/(mol·K)，為氣體常數(shù)；T=1 003 K，為工作時(shí)芯片的絕對(duì)溫度。

通過(guò)單泵測(cè)試方法能較簡(jiǎn)單地分辨芯片性能，根據(jù)圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同的電化學(xué)泵存在不同的極限電流，主泵的極限電流最大，這表示其泵氧能力最強(qiáng)，輔助泵泵氧能力較弱。此外，測(cè)量泵極限電流與NO濃度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 主輔泵電流與O2濃度關(guān)系

圖5 測(cè)量泵電流與NO濃度關(guān)系

3.2 三泵測(cè)試及分析

3.2.1 NOx傳感器兩種控制策略的比較

在三泵測(cè)試中，首先采用定電壓控制策略，即“V0、V1反饋控制”策略[9-10]。分別將V1預(yù)設(shè)為400 mV或者450 mV，在高氧濃度條件下(20%)，變化NO濃度從0～1 000 ppm，觀察不同的V1值對(duì)輔助泵電流Ip1的影響。其測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 V1預(yù)設(shè)值與輔助泵電流關(guān)系

從圖6中可以看出，同樣的NO濃度值，不同的V1設(shè)定值，對(duì)Ip1影響非常大，這是因?yàn)镹O在較高濃度氧的第一空腔中生成了較多的NO2，從而有更多的NO2擴(kuò)散入第二空腔，第二空腔中的輔助泵電極上分解的NO2增加，產(chǎn)生O2使得Ip1升高；同時(shí)，較高的V1使得NO2的分解更多，從而使得Ip1的增量(ΔIp1)升高。通過(guò)以上的論證，如果用ΔIp1來(lái)反饋控制V0，同時(shí)升高V1來(lái)增強(qiáng)輔助泵分解NO2的能力，可以有效降低測(cè)量氣體中殘余氧氣對(duì)傳感器測(cè)量NOx值的影響。

通過(guò)圖7可以看出，“Ip1反饋控制”策略中，將Ip1預(yù)設(shè)值為7 μA，測(cè)量氣體中的不同氧氣濃度對(duì)傳感器測(cè)量泵的補(bǔ)償電流與靈敏的影響均得到了很好的控制。當(dāng)氧氣濃度從1 000 ppm變化到20%時(shí)，傳感器補(bǔ)償電流只有0.5 μA；同時(shí)傳感器的測(cè)量精度升高到了0.4 nA/ppm。

圖7 “Ip1定值反饋” O2濃度對(duì)測(cè)量泵精度的影響

采用“Ip1定值反饋”測(cè)試NOx傳感器在不同濃度O2對(duì)主泵、測(cè)量泵電流及不同含量NO對(duì)測(cè)量泵極限電流影響，測(cè)試情況如下。

如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)該傳感器在不同O2含量時(shí)的主泵電流存在很好的線(xiàn)性關(guān)系y=143.78x-19.961。

圖8 主泵極限電流Ip0與O2含量關(guān)系

如圖9(a) 所示，不通入NO氣體時(shí)，測(cè)量泵仍然存在電流值，因此可將其作為測(cè)量的基準(zhǔn)值；此外，由曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)不同濃度的O2對(duì)測(cè)量泵電流影響很小，分析認(rèn)為是此時(shí)的混合氣經(jīng)過(guò)主泵與輔助泵泵氧之后O2含量極低；由圖9(b)可知，NO濃度與極限電流Ip2存在很好的線(xiàn)性關(guān)系y=1.7x+1.36，相關(guān)度達(dá)到0.999；此外與圖5曲線(xiàn)比較發(fā)現(xiàn)，三泵工作態(tài)下的測(cè)量泵極限電流值較小，分析認(rèn)為單泵測(cè)試時(shí)第二腔室中O2含量無(wú)法保證在10-3ppm以下，NO與O2反應(yīng)產(chǎn)生的NO2含量較高，導(dǎo)致單泵測(cè)量泵極限電流偏大，因此采用單泵測(cè)試能簡(jiǎn)單判斷電化學(xué)泵性能的優(yōu)劣，采用三泵測(cè)試方法則更加精確。

(a)三泵情況下O2對(duì)測(cè)量泵電流影響

(b)NO含量與極限電流Ip2關(guān)系圖9 三泵法測(cè)量泵測(cè)試曲線(xiàn)

3.2.2 NOx傳感器對(duì)其他氣體的交叉敏感性

將NOx傳感器分別在下列混合氣體系中：C3H8(0～2 000 ppm)/NO(500 ppm)、CO(0～5 000 ppm)/NO(500 ppm)、H2O(0～8%)/NO(500 ppm)，測(cè)量傳感器測(cè)量泵的泵電流。測(cè)量的結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 碳?xì)浠衔餄舛葘?duì)測(cè)量泵電流的影響

圖11 CO濃度對(duì)測(cè)量泵電流的影響

圖12 H2O濃度對(duì)測(cè)量泵電流的影響

從圖10～圖12中可以看出，柴油機(jī)排放尾氣中的其余組分氣體C3H8、CO、H2O對(duì)NOx濃度測(cè)量影響很小，表明NOx傳感器芯片對(duì)NO的選擇性很好。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套能夠模擬汽車(chē)尾氣的檢測(cè)裝置，采用單泵法和三泵法得到NO濃度與測(cè)量泵極限電流值對(duì)應(yīng)關(guān)系為y=1.62x+4.24和y=1.7x+1.36；采用Ip1恒定控制策略能夠提高NOx傳感器的測(cè)試精度，當(dāng)氧氣濃度從1 000 ppm變化到20%時(shí)，傳感器補(bǔ)償電流只有0.5 μA；同時(shí)傳感器的測(cè)量精度升高了0.4 nA/ppm；采用單泵測(cè)試方法能簡(jiǎn)單判斷芯片電化學(xué)泵性能的優(yōu)劣，但測(cè)量精度較差，三泵測(cè)試因?yàn)榭梢员贸龅诙皇抑袣堄嗟难鯕?，從而提高了NOx傳感器的測(cè)量精度；通過(guò)氣體交叉敏感測(cè)試，表明NOx傳感器對(duì)NO選擇性較好。