一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法技术

本发明专利技术涉及氮氧传感器控制技术领域，尤其是一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法，本申请对氮氧传感器的第一测试腔室、第二测试腔室、第三测试腔室分别建立机理模型，所述机理模型包含气体扩散模型和电化学模型，电化学模型描述泵单元在向外界泵氧过程，气体扩散模型描述气体通过扩散障碍层的过程。通过机理模型可以计算各测试腔维持内部的氧气浓度所需的泵电压Vp0、Vp1和Vp2，从而优化控制控制过程，快速精准地控制各测试腔室的泵电压Vp0、Vp1和Vp2，提高传感器响应速度和测量精度。提高传感器响应速度和测量精度。提高传感器响应速度和测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法


[0001]本专利技术涉及氮氧传感器控制
，尤其是一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法。

技术介绍

[0002]随着经济社会的发展，家用汽车的数量也在逐年增长，但是燃油车排放的尾气中含有的有害成分会对大气造成严重污染，比如一氧化碳、氮氧化物(一氧化氮和二氧化氮，记为NOx)、硫化物、细小颗粒物等。这些有害成分都是造成大气污染的原因。人们一直都非常重视环境问题，尤其是大气污染问题，其中汽车尾气的排放是一项重要内容。
[0003]氮氧传感器对于汽车尾气后处理系统有着重要意义。第六代氮氧传感器需要测量尾气中氧气和氮氧化物(NOx)的浓度。氮氧传感器的工作过程复杂，有三个测量腔室，工作过程中需要实时调控每个腔室泵电压的大小，确保能够将腔室内的O2全部泵出，同时保证NOx全部分解为NO，但是NO又不能提前分解，最重要的是保证能够对尾气的变化快速做出响应，所以对控制系统提出了较高要求。目前由于对氮氧传感器动静态响应的影响因素研究不够充分，所以在设计控制算法时，一般采用经验试凑的方式，不断改变控制参数并对比控制效果，难以找到最佳控制参数，使得氮氧传感器响应速度慢，不能快速反馈尾气中空燃比和氮氧化物浓度变化。所以为了能够深入理解传感器工作时涉及的物理过程，就需要构建相应的机理模型。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法，根据氮氧传感器的工作机理涉及到的反应原理，构建了静态响应过程的机理模型，能够有助于氮氧传感器控制算法的研究，根据机理模型能够充分理解对静态输出的影响因素，从而可以方便量化控制指标，更有针对性的设计控制算法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法，其特征是，所述氮氧传感器内依次包含有第一测试腔室、第二测试腔室、第三测试腔室和空气参考腔室，第一测试腔室与外界间有第一扩散通道，第一测试腔室和第二测试腔室间有第二扩散通道，第二测试腔室和第三测试腔室间有第三扩散通道，所述氮氧传感器内还设置有加热层；
[0006]所述第一测试腔室设置有第一泵单元，且第一测试腔室与空气参考腔室之间形成第一能斯特感应单元，通过设置第一泵单元的泵电压Vp0,保持第一测试腔室氧气浓度；
[0007]所述第二测试腔室设置有第二泵单元，且第二测试腔室与空气参考腔室之间形成第二能斯特感应单元，通过设置第二泵单元的泵电压Vp1,保持第二测试腔室氧气浓度；
[0008]所述第三测试腔室设置有第三泵单元，且第三测试腔室与空气参考腔室之间形成第三能斯特感应单元，设置第三泵单元的泵电压为Vp2，保证第三测试腔室内NO全部分解；
[0009]在第一测试腔室、第二测试腔室和第三测试腔室分别建立机理模型，用以计算各
测试腔所需的泵电压Vp0、Vp1和Vp2，所述机理模型均包含气体扩散模型和电化学模型，电化学模型描述泵单元在向外界泵氧过程，即氧在两个电极上发生的还原氧化过程以及通过电解质传输的过程。整个过程中，内外氧浓度差会产生能斯特电压、氧离子通过电解质会产生欧姆损失、电化学反应的激活活化会产生活化损失。气体扩散模型描述气体通过扩散障碍层的过程，主要有连续多组分扩散和克努森扩散两种扩散机制，因为传感器扩散狭缝的高度和分子自由程处于同一数量级，所以考虑两种扩散机制结合的混合扩散机制。
[0010]第一测试腔室气体扩散模型：
[0011]第一测试腔室电化学模型为：
[0012][0013]第二测试腔室气体扩散模型：
[0014]第二测试腔室电化学模型为：
[0015][0016]第三测试腔室气体扩散模型：
[0017]第三测试腔室电化学模型为：
[0018][0019]其中，F是法拉第常数，S
D0
为第一扩散通道的扩散障碍层的横截面积,p为绝对压力(单位是atm)，D0为第一扩散障碍层气体扩散系数，是外界氧气摩尔分数，为第一测试腔室内氧气摩尔分数，为一般气体常数，T表示传感器温度(单位为K)，L0为第一扩散通道的长度，n表示电化学反应中转移的电子数，i
0，1c
为第一测试腔室泵单元的交换电流密度，表示第一测试腔的本底电动势，I
P0
和R
e0
为第一测试腔的泵电流和电解质电阻，i
p0
为第一测试腔室泵单元的电流密度，S
area1
为第一测试腔室泵单元电极表面积；
[0020]S
D1
为第二扩散通道的扩散障碍层的横截面积,D1为第二扩散障碍层气体扩散系数，是第二测试腔室内氧气摩尔分数，为第一测试腔室内氧气摩尔分数，L1为
第二扩散通道的长度，i
0，2c
为第二测试腔室泵单元的交换电流密度，表示第二测试腔的本底电动势，I
P1
和R
e1
为第二测试腔的泵电流和电解质电阻，i
p1
为第二测试腔室泵单元的电流密度，S
area2
为第二测试腔室泵单元电极表面积；
[0021]S
D2
为第三扩散通道的扩散障碍层的横截面积,D2为第三扩散障碍层气体扩散系数，x
NO，2c
是第二测试腔室内NO摩尔分数，x
NO，3c
为第三测试腔室内NO摩尔分数，L2为第三扩散通道的长度，i
0，3c
为第三测试腔室泵单元的交换电流密度，表示第三测试腔的本底电动势，I
P2
和R
e2
为第三测试腔的泵电流和电解质电阻，i
p2
为第三测试腔室泵单元的电流密度，S
area3
为第三测试腔室泵单元电极表面积。
[0022]优选的，所述氮氧传感器包含P+公共电极、REF参考电极、P
‑
负电极、M1负电极和M2负电极，P
‑
电极设置在第一测试腔室内，M1负电极设置在第二测试腔室内，M2负电极设置在第三测试腔室内，REF参考电极设置在空气参考腔室内，P+公共电极与P
‑
负电极组成第一泵单元，P+公共电极与M1负电极组成第二泵单元，P+公共电极与M2负电极成第三泵单元，REF参考电极与P
‑
负电极组成第一能斯特感应单元，REF参考电极与M1负电极组成第二能斯特感应单元，REF参考电极与M2负电极组成第三能斯特感应单元。
[0023]优选的，在所述步骤S1前有通过加热层将氮氧传感器预热的步骤，预热温度为800℃。
[0024]优选的，所述第一测试腔室内的氧气含量为50ppm。
[0025]优选的，所述第二测试腔室内的氧气含量为6
×
10
‑3ppm。
[0026]优选的，所述第一扩散通道、第二扩散通道和第三扩散通道均为扩散狭缝，所述扩散狭缝的高度为微米级，扩散狭缝的宽度为毫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法，其特征是，所述氮氧传感器内依次包含有第一测试腔室、第二测试腔室、第三测试腔室和空气参考腔室，第一测试腔室与外界间有第一扩散通道，第一测试腔室和第二测试腔室间有第二扩散通道，第二测试腔室和第三测试腔室间有第三扩散通道，所述氮氧传感器内还设置有加热层；所述第一测试腔室设置有第一泵单元，且第一测试腔室与空气参考腔室之间形成第一能斯特感应单元，通过设置第一泵单元的泵电压Vp0，保持第一测试腔室氧气浓度；所述第二测试腔室设置有第二泵单元，且第二测试腔室与空气参考腔室之间形成第二能斯特感应单元，通过设置第二泵单元的泵电压Vp1，保持第二测试腔室氧气浓度；所述第三测试腔室设置有第三泵单元，且第三测试腔室与空气参考腔室之间形成第三能斯特感应单元，设置第三泵单元的泵电压为Vp2，保证第三测试腔室内NO全部分解；在第一测试腔室、第二测试腔室和第三测试腔室分别建立机理模型，用以计算各测试腔所需的泵电压Vp0、Vp1和Vp2，所述机理模型均包含气体扩散模型和电化学模型，第一测试腔室气体扩散模型：第一测试腔室电化学模型为：第二测试腔室气体扩散模型：第二测试腔室电化学模型为：第三测试腔室气体扩散模型：第三测试腔室电化学模型为：其中，F是法拉第常数，S
D0
为第一扩散通道的扩散障碍层的横截面积，p为绝对压力(单位是atm)，D0为第一扩散障碍层气体扩散系数，是外界氧气摩尔分数，为第一测试腔室内氧气摩尔分数，为一般气体常数，T表示传感器温度(单位为K)，L0为第一扩散通道的长度，n表示电化学反应中转移的电子数，l
0，1c
为第一测试腔室泵单元的交换电流密度，表示第一测试腔的本底电动势，I
P0
和R
e0
为第一测试腔的泵电流和电解质电阻，
i
p0
为第一测试腔室泵单元的电流密度，S
area1
为第一测试腔室泵单元电极表面积；S
D1
为第二扩散通道的扩散障碍层的横截面积，D1为第二扩散障碍层气体扩散系数，是第二测试腔室内氧气摩尔分数，为第一测试腔室内氧气摩尔分数，L1为第二扩散通道的长度，i
0，2c
为第二测试腔室泵单元的交换电流密度，表示第二测试腔的本底电动势，I
P1
和R
e1
为第二测试腔的泵电流和电解质电阻，i
p1
为第二测试腔室泵单元的电流密度，S
area2
为第二测试腔室泵单元电极表面积；S
D2
为第三扩散通道的扩散障碍层的横截面积，D2为第三扩散障碍层气体扩散系数，x
NO，2c
是第二测试腔室内NO摩尔分数，x...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，汪振，赵松，林伟勋，王杰，
申请(专利权)人：江苏精瓷智能传感技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：