新型柴油車氮氧傳感器控制系統(tǒng)

張明明，司陸軍，蓋澤嘉，孟喜柱，張 杰

（1.江蘇云意電氣股份有限公司，江蘇 徐州 221008；2.徐州芯源誠達(dá)傳感科技有限公司，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣控制學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

隨著汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷修改與實施，氮氧化合物NOx的排放量逐漸降低，而氮氧傳感器是尾氣后處理系統(tǒng)中的重要組成部分。氮氧傳感器由傳感器探頭、控制器、殼體、線束組成，其內(nèi)部陶瓷芯可將尾氣中NOx、O2濃度以電信號形式反饋到控制器，控制器一方面對陶瓷芯進(jìn)行精確的控制，同時，將檢測結(jié)果通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線傳輸給汽車電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），ECU根據(jù)氮氧濃度控制尿素的噴射量[1-2]。

汽車尾氣后處理系統(tǒng)中氮氧傳感器性能優(yōu)劣，不僅與氮氧傳感器探頭的性能有關(guān)[3]，與控制器控制效果也存在很大關(guān)聯(lián)。目前，幾乎所有的氮氧傳感器控制器都依賴于進(jìn)口德國大陸集團(tuán)生產(chǎn)的Uni-NOx傳感器控制器。為了打破外國廠商在氮氧傳感器市場的壟斷，華中科技大學(xué)與東南大學(xué)組成的團(tuán)隊主要是對傳感器的固有特性和控制性能等基礎(chǔ)展開研究，但對傳感器的控制器的控制策略研究不夠系統(tǒng)[4]。無錫博世、隆盛等公司對傳感器所采用的陶瓷材料及性能試驗、制造工藝展開了相關(guān)研究，但還缺乏相應(yīng)控制系統(tǒng)與之匹配使用[5-7]。

總體而言，國內(nèi)NOx傳感器及相關(guān)設(shè)備的開發(fā)暫不完善。研究工作不具備完整性和系統(tǒng)性，在該領(lǐng)域與國外比還有較大的差距。為滿足現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)嚴(yán)苛的尾氣排放法規(guī)要求，提出了一種改進(jìn)電壓型反饋控制策略，根據(jù)輔助泵電流實時修正主泵能斯特電壓感應(yīng)參考值，提升了氮氧傳感器陶瓷芯主泵、輔助泵的泵氧能力，解決測量誤差隨氧濃度變化的問題。

1 氮氧傳感器泵氧原理

1.1 能斯特原理

氮氧傳感器探頭主要構(gòu)成是氧化鋯芯片，ZrO2在高溫下具有泵氧特性，主要表現(xiàn)為能斯特現(xiàn)象和極限電流特性，而能斯特原理的本質(zhì)是當(dāng)氧化鋯芯片兩面的氧濃度不同時相應(yīng)的鉑電極處會形成一定電動勢，即能斯特（Nernst）電動勢，能斯特電動勢，如式（1）所示。

式中，R=8.314 J/(mol·K)為理想氣體常數(shù)；F=96 485 C/mol為法拉第常數(shù)；E0為氧濃度差為零時的基本電動勢；T為探頭內(nèi)部絕對溫度；p0、pa分別為參考?xì)怏w、被測氣體氧分壓。

以能斯特原理為基礎(chǔ)設(shè)計的傳感器，其輸出電壓的大小與可燃混合氣體的過量空氣系數(shù) λ值相關(guān)。輸出的能斯特電壓輸出信號近似為開關(guān)信號。僅依賴能斯特原理設(shè)計傳感器，只能識別λ=1附近的氧氣濃度，無法實現(xiàn)氮氧檢測以及對空燃比的精確控制。

1.2 極限電流原理

為了滿足稀薄燃燒發(fā)動機(jī)與一般發(fā)動機(jī)空燃比閉環(huán)控制的需要。根據(jù)極限電流原理提出的極限電流型氧傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

氧氣在外電極上獲得電子生成氧離子，氧離子通過氧化鋯電解質(zhì)層轉(zhuǎn)移到內(nèi)電極，氧離子在內(nèi)電極上丟失電子生成氧氣，此時，測試腔內(nèi)的氧氣被泵出到外界，形成泵電流。泵電流的方向決定氧氣的泵入泵出，其大小決定空燃比的大小。泵電流的大小與氧離子的遷移速率成正比，如式（2）所示。

式中，dCO2dt為擴(kuò)散障礙層中氧氣濃度梯度；DO2為氧氣有效擴(kuò)散系數(shù)；Q為有效橫向擴(kuò)散系。

當(dāng)溫度一定時，泵電流隨著泵電壓增加而增加，外電極上的氧氣分子濃度逐漸降低，繼續(xù)增大泵電壓，泵電流不再增大，此時陰極氧分子濃度減小為0，泵電流成為極限電流IL，與尾氣中氧氣濃度成正比，如式（3）所示。

式中，CO2為尾氣中的氧氣濃度；L為擴(kuò)散障礙層的有效擴(kuò)散長度。在λ≈1時，泵電流極小，而在傳感器加熱器中存在大電流，此大電流易發(fā)生串?dāng)_，影響泵電流測量，因此，極限電流氧傳感器只能準(zhǔn)確測量λ≥1時混合氣體的氧氣濃度。

2 氮氧傳感器工作原理

氮氧傳感器需要通過測量O2濃度來間接測量NOx的濃度。因此，需要將第一腔室中的O2測量后泵出，在第二腔室中泵出NO中O分子，所以采用了雙腔結(jié)構(gòu)來分開泵氧。氮氧傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 氮氧傳感器的功能圖解

常見傳感器的陶瓷芯片如圖5所示，由6層氧化鋯陶瓷片組成，包含加熱電極H+、公共電極P+、主泵電極P-、輔助泵電極M1、測量電極M2、參考電極Ref。氮氧傳感器的物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氮氧傳感器的物理結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)尾氣進(jìn)入第一腔室，P-與 Ref產(chǎn)生能斯特電壓V0，調(diào)節(jié)P-與P+兩極施加的電壓VP0，將第一腔室的氧氣泵出或泵入，使其氧氣濃度維持在ppm級別的濃度范圍，此時測得的P+與P-之間的主泵電流IP0即可表示被測氣體中O2濃度的大小。

當(dāng)尾氣進(jìn)入第二腔室，NO2分解成NO和O2，同樣 M1與 Ref產(chǎn)生能斯特電壓V1，調(diào)節(jié) P+與M1兩極施加的電壓VP1，將氧氣泵出至0 ppm左右，形成輔助泵電流IP1。此時第二腔室平衡狀態(tài)被打破，NO被還原成N2和O2，同理在測量泵兩端加壓VP2，將O2完全泵出腔室，形成泵電流IP2即表示被測氣體中NOx氣體濃度。在實際應(yīng)用時，探頭最優(yōu)工作溫度為800 ℃，電控單元通過調(diào)節(jié)加熱電極兩端電壓控制陶瓷芯工作溫度。

3 氮氧傳感器控制策略研究

3.1 傳統(tǒng)電壓定值反饋

氮氧傳感器控制目前主要采用電壓定值反饋策略檢測氣體濃度，其基本原理是預(yù)先設(shè)定主泵、輔助泵能斯特電壓V0'、V1'，將其作為參考值，尾氣進(jìn)入腔室后，再與其實測值V0、V1比較，從而調(diào)節(jié)施加在主泵、輔助泵上的VP0、VP1，改變主泵、輔助泵電流大小，使其相應(yīng)腔室內(nèi)氧氣泵入或泵出，最終V0和V1穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值V0'、V1'，電壓定值反饋控制策略如圖4所示。

圖4 電壓定值反饋控制示意圖

設(shè)定V0'的值為300 mV，所對應(yīng)的O2濃度約為1 ppm。若第一腔室O2濃度大于1 ppm，則實測V0會大于300 mV，因此，施加在主泵P-與P+電極兩端的電壓VP0也會相應(yīng)的增大，從而提升主泵向外泵氧能力，使腔室內(nèi)的O2濃度維持1 ppm，同時V0的值穩(wěn)定在300 mV，反之同理。

與V0類似，設(shè)定V1'的值為400 mV，所對應(yīng)O2濃度約為0.01 ppm。若第二腔室氧氣濃度大于0.01 ppm，那么實測V1會大于400 mV，施加的電壓也會相應(yīng)的增大，從而提升輔助泵向外泵氧能力，使腔室內(nèi)的氧氣濃度維持在0.01 ppm，同時V1穩(wěn)定在400 mV，反之同理。具體的控制流程如圖5所示。

圖5 電壓定值反饋控制流程圖

3.2 改進(jìn)電壓定值反饋

在傳統(tǒng)電壓定值反饋控制策略中，首先設(shè)定主泵能斯特電壓值，檢測結(jié)果僅在設(shè)置值附近準(zhǔn)確，當(dāng)被測氣體中氧氣濃度較高時，主泵泵氧能力被限制，很難將氧氣維持在設(shè)定范圍，第一腔室將會殘留氧氣進(jìn)入第二腔室，最終導(dǎo)致測量誤差增大。

為了解決此問題，將第二腔室中的輔助泵電流IP1作為被控對象，預(yù)設(shè)值為I'P1，通過實時調(diào)節(jié)V0的值來使IP1的實際值穩(wěn)定I'P1。如圖7所示，當(dāng)?shù)谝磺皇业难鯕鉂舛壬邥r，IP1的實際值會大于I'P1，此時將V0值增大，增加主泵向外的泵氧能力，使其氧含量維持在較低值。當(dāng)氣體擴(kuò)散到第二腔室中，IP1的值也會相應(yīng)降低，并最終穩(wěn)定在I'P1，電流定值反饋控制策略如圖6所示。

圖6 電流定值反饋控制示意圖

反之同理，其中V1'設(shè)置與傳統(tǒng)電壓策略相似，當(dāng)氧氣濃度升高時V1'為 450 mV，提升輔助泵泵氧能力，具體的控制流程如圖7所示。

圖7 電流定值反饋控制流程圖

4 實驗驗證

在后處理測試系統(tǒng)平臺上，對本文所提出電流定值控制策略進(jìn)行臺架試驗、隨機(jī)工況測試、定工況測試實驗驗證。柴油機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

將改進(jìn)策略氮氧傳感器安裝在臺架上測試性能測試，基于改進(jìn)電壓定值反饋策略與原裝傳感器氮氧、氧氣對比。氮氧數(shù)值最大誤差20 ppm，改進(jìn)策略氮氧傳感器在氣氛濃度急劇變化時可實時跟蹤氮氧、氧氣數(shù)值。而改進(jìn)策略傳感器與傳統(tǒng)策略傳感器臺架測試對比試驗中，傳統(tǒng)策略在氣氛變化的工況下，跟蹤效果較差，氮氧波形抖動明顯，氧氣數(shù)值最大偏高1%。實驗表明，改進(jìn)控制策略在實驗中效果更優(yōu)。

保持對標(biāo)件測點(diǎn)位置不變，工況隨機(jī)，自動停噴尿素，運(yùn)行12小時后，對改進(jìn)控制策略氮氧數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。試驗結(jié)果表面，改進(jìn)控制策略可靠性、氮氧跟蹤監(jiān)測效果較高。

5 結(jié)論

本文針對氮氧傳感器測量誤差隨氧濃度變化的問題，提出了一種改進(jìn)電壓定值反饋控制策略，使主泵能斯特電壓預(yù)設(shè)值可以隨著氧氣濃度變化而變化，將輔助泵的泵電流作為預(yù)設(shè)對象，通過不斷調(diào)整的主泵加壓值來使其第一腔室氧氣穩(wěn)定在較低濃度值。通過臺架試驗、隨機(jī)工況試驗，對比分析了改進(jìn)電壓反饋控制策略可以提升氮氧傳感器陶瓷芯主泵、輔助泵的泵氧能力，實現(xiàn)不同工況下傳感器檢測氮氧濃度準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性。