新型柴油車氮氧傳感器控制系統

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.徐州芯源誠達傳感科技有限公司，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 信息與電氣控制學院，江蘇 徐州 221008）

隨著汽車尾氣排放標準的不斷修改與實施，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行精確的控制，同時，將檢測結果通過控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線傳輸給汽車電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），ECU根據氮氧濃度控制尿素的噴射量[1-2]。

汽車尾氣后處理系統中氮氧傳感器性能優劣，不僅與氮氧傳感器探頭的性能有關[3]，與控制器控制效果也存在很大關聯。目前，幾乎所有的氮氧傳感器控制器都依賴于進口德國大陸集團生產的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，華中科技大學與東南大學組成的團隊主要是對傳感器的固有特性和控制性能等基礎展開研究，但對傳感器的控制器的控制策略研究不夠系統[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研究，但還缺乏相應控制系統與之匹配使用[5-7]。

總體而言，國內NOx傳感器及相關設備的開發暫不完善。研究工作不具備完整性和系統性，在該領域與國外比還有較大的差距。為滿足現階段世界范圍內嚴苛的尾氣排放法規要求，提出了一種改進電壓型反饋控制策略，根據輔助泵電流實時修正主泵能斯特電壓感應參考值，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成是氧化鋯芯片，ZrO2在高溫下具有泵氧特性，主要表現為能斯特現象和極限電流特性，而能斯特原理的本質是當氧化鋯芯片兩面的氧濃度不同時相應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；F=96 485 C/mol為法拉第常數；E0為氧濃度差為零時的基本電動勢；T為探頭內部絕對溫度；p0、pa分別為參考氣體、被測氣體氧分壓。

以能斯特原理為基礎設計的傳感器，其輸出電壓的大小與可燃混合氣體的過量空氣系數 λ值相關。輸出的能斯特電壓輸出信號近似為開關信號。僅依賴能斯特原理設計傳感器，只能識別λ=1附近的氧氣濃度，無法實現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動機與一般發動機空燃比閉環控制的需要。根據極限電流原理提出的極限電流型氧傳感器應運而生，其微觀結構如圖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層轉移到內電極，氧離子在內電極上丟失電子生成氧氣，此時，測試腔內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為擴散障礙層中氧氣濃度梯度；DO2為氧氣有效擴散系數；Q為有效橫向擴散系。

當溫度一定時，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為擴散障礙層的有效擴散長度。在λ≈1時，泵電流極小，而在傳感器加熱器中存在大電流，此大電流易發生串擾，影響泵電流測量，因此，極限電流氧傳感器只能準確測量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，所以采用了雙腔結構來分開泵氧。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構如圖3所示。

圖3 氮氧傳感器的物理結構示意圖

當尾氣進入第一腔室，P-與 Ref產生能斯特電壓V0，調節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。

當尾氣進入第二腔室，NO2分解成NO和O2，同樣 M1與 Ref產生能斯特電壓V1，調節 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。在實際應用時，探頭最優工作溫度為800 ℃，電控單元通過調節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，其基本原理是預先設定主泵、輔助泵能斯特電壓V0'、V1'，將其作為參考值，尾氣進入腔室后，再與其實測值V0、V1比較，從而調節施加在主泵、輔助泵上的VP0、VP1，改變主泵、輔助泵電流大小，使其相應腔室內氧氣泵入或泵出，最終V0和V1穩定在預設值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

設定V0'的值為300 mV，所對應的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也會相應的增大，從而提升主泵向外泵氧能力，使腔室內的O2濃度維持1 ppm，同時V0的值穩定在300 mV，反之同理。

與V0類似，設定V1'的值為400 mV，所對應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的增大，從而提升輔助泵向外泵氧能力，使腔室內的氧氣濃度維持在0.01 ppm，同時V1穩定在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 改進電壓定值反饋

在傳統電壓定值反饋控制策略中，首先設定主泵能斯特電壓值，檢測結果僅在設置值附近準確，當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定范圍，第一腔室將會殘留氧氣進入第二腔室，最終導致測量誤差增大。

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，預設值為I'P1，通過實時調節V0的值來使IP1的實際值穩定I'P1。如圖7所示，當第一腔室的氧氣濃度升高時，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。當氣體擴散到第二腔室中，IP1的值也會相應降低，并最終穩定在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'設置與傳統電壓策略相似，當氧氣濃度升高時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

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

表1 柴油機主要參數

將改進策略氮氧傳感器安裝在臺架上測試性能測試，基于改進電壓定值反饋策略與原裝傳感器氮氧、氧氣對比。氮氧數值最大誤差20 ppm，改進策略氮氧傳感器在氣氛濃度急劇變化時可實時跟蹤氮氧、氧氣數值。而改進策略傳感器與傳統策略傳感器臺架測試對比試驗中，傳統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，氧氣數值最大偏高1%。實驗表明，改進控制策略在實驗中效果更優。

保持對標件測點位置不變，工況隨機，自動停噴尿素，運行12小時后，對改進控制策略氮氧數據進行數據分析。試驗結果表面，改進控制策略可靠性、氮氧跟蹤監測效果較高。

5 結論

本文針對氮氧傳感器測量誤差隨氧濃度變化的問題，提出了一種改進電壓定值反饋控制策略，使主泵能斯特電壓預設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設對象，通過不斷調整的主泵加壓值來使其第一腔室氧氣穩定在較低濃度值。通過臺架試驗、隨機工況試驗，對比分析了改進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，實現不同工況下傳感器檢測氮氧濃度準確性、穩定性、可靠性。