一种氮氧传感器静态响应过程机理建模方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明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。
5.本发明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；
6.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；
7.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；
8.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；
9.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。
10.第一测试腔室气体扩散模型：
11.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]sd1
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]sd2
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
×
10-3
ppm。
[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米级。
[0027]
优选的，所述扩散狭缝的高度为15～25微米，扩散狭缝的宽度为2～3毫米。
[0028]
优选的，所述氮氧传感器内气体扩散满足菲克定律，即
[0029]
优选的，所述电化学模型包含欧姆损失和活化损失，表达式为：v
p0
＝e
ner
+η
ω
+η
act
。
[0030]
优选的，所述欧姆损失满足欧姆定律，所述活化损失满足butler-volmer方程。
[0031]
本发明的有益效果是：本技术构建了静态相应过程的机理模型，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反应对静态输出的影响因素，从而方便指标的量化控制，更有针对性地设计控制算法，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。
附图说明
[0032]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0033]
图1是氮氧传感器的结构示意图；
[0034]
图2各测试腔室发生的化学反应示意图；
[0035]
图3是机理模型示意图。
具体实施方式
[0036]
如图1是氮氧传感器的结构示意图，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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
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。
[0040]
如图2是氮氧传感器的工作过程示意图，第一测试腔室的第一泵单元即为主泵单元，第二测试腔室的第二泵单元即为副泵单元，第三测试腔室的第三泵单元即为测量泵单元。首先，排放的尾气经过第一扩散通道到达第一测试腔室，hc、co、h2等会在第一测试腔室的电极上被氧化，剩余的主要有氧气o2和氮氧化物nox，然后根据氧气浓度设置主泵电压vp0，将第一测试腔室中的氧气o2泵出或者泵入，最终目的是使得第一测试腔室中的氧气含量保持在一个较低且稳定的状态，优选的，氧气含量为50ppm(ppm表示百万分之一)，此时，在p+和p-两个电极之间会形成泵电流，可以用来表征尾气中氧浓度。第一测试腔室和空气参考腔室形成氧浓差，根据能斯特原理在ref和p-电极之间会形成能斯特电压。
[0041]
随后，尾气会通过第二扩散通道到达第二测试腔室中，第二测试腔室的作用是继续将尾气中剩余的氧气泵出到外界，最终使第二测试腔室中氧含量进一步降低，优选的，氧含量为6
×
10-3
ppm。o2被泵出第二测试腔室会促使nox分解为no，以no2为例，因为随着o2减少，反应的平衡被打破会而加速no2分解。通过设置合适的泵电压vp1，可以保证nox完全被分解为no，而no又不会被提前分解。
[0042]
最后，尾气会通过第三扩散通道进入第三测试腔室，此时尾气中剩余的氮氧化物主要是no，no有两种来源，一种是nox分解产生，另一种是尾气中本来就含有的no。第三测试腔室的作用是检测尾气中no的浓度，但是不能直接测量。p+和m2之间施加的泵电压vp2会将还原，并通过电解质传输到外界，随着o2减少，反应的平衡被打破，最终会使no全部分解。其中被泵出的o2全部来自no，所以p+和m2电极之间在外电路上形成的泵电流可以用来间接测量尾气中氮氧化物的浓度。
[0043]
目前，氮氧传感器需要将第一测试腔室和第二测试腔室内氧浓度稳定在某一浓度范围内，当前的控制策略是不断改变泵电压，以维持ip1,v1和v2在某一固定值，从而使得测试腔室内氧浓度达到预定浓度范围，这样不断调节的过程显然会限制传感器的响应速度。为此，本技术在第一测试腔室、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，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。
[0044]
三个测试腔室涉及的机理模型相似，现以第一测试腔室为例，介绍整个测试过程中涉及到的电化学反应原理。第一测试腔室中发生的氧化还原反应，如式所示。
[0045]
o2(1c)
→
o2(env)。
[0046]
其中，o2(1c)表示第一测试腔中的氧气，o2(env)表示外界氧气。
[0047]
阴极发生的还原反应：o2(1c)+4e-→
2o
2-。
[0048]
阳极发生的氧化反应：2o
2-→
o2(env)+4e-。
[0049]
在p+和p-电极间加入泵电压vp1，在回路中由电压关系可得：
[0050]vp0
＝e
ner
+η
ω
+η
act
。
[0051]ener
是能斯特电压，η
ω
是回路中欧姆损失，η
act
是电化学反应的活化损失。
[0052][0053]
其中，是第一测试腔室中的氧分压，是外界氧分压，是一般气体常数，t表示传感器温度(单位为k)，n表示电化学反应中转移的电子数，表示第一测试腔的本底电动势。
[0054]
欧姆损失η
ω
满足欧姆定律：η
ω
＝i
p
re，其中，i
p
和re分别为测试腔室的泵电流和电解质电阻。
[0055]
活化损失η
act
满足butler-volmer方程：
[0056]
其中，i0为泵单元交换电流密度，i为泵单元电流密度。
[0057]
一般情况下，α取0.5，此时可得：
[0058][0059]
因此，第一测试腔室电化学模型为：
[0060][0061]
同理，第二测试腔室电化学模型为：
[0062][0063]
第三测试腔室电化学模型为：
[0064][0065]
在以上各测试腔室中电化学模型的表达式中，f是法拉第常数，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)，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；
[0066]
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，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；
[0067]
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，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。
[0068]
由于电化学反应速率远大于尾气通过扩散通道的扩散速率，所以在稳定状态下，氮氧传感器的响应完全受尾气的扩散行为支配，因为扩散障碍层的气体扩散特性决定了物质在样品与腔之间通过的速率，因此决定了由泵单元泵送的氧气量。
[0069]
根据法拉第定律可以得到电流大小，如下式所示：
[0070]
其中数字4表示氧分子需要得到4个电子，f是法拉第常数，是混合气体通过第一扩散通道的摩尔扩散速率，单位是mol/s。
[0071]
连续多组分扩散机制中的扩散系数，根据富勒-席特勒和吉丁斯提出的半经验公式计算，如下式所示：
[0072][0073]
根据动气理论可以计算得出克努森扩散机制下的扩散系数：
[0074][0075]
在混合扩散机制为主导的情况下，物种的扩散系数的计算如下式所示：
[0076][0077]
其中，mi是气体的摩尔质量，∑vi是气体的扩散体积，p是绝对压力(单位是atm)。
[0078]
根据菲克定律，进入测试腔的摩尔通量：
[0079][0080]
d0为第一扩散障碍层气体扩散系数，l0为第一扩散通道的长度。
[0081]
摩尔流量根据计算得到的来计算：
[0082][0083]
其中，s
d0
为第一扩散通道的扩散障碍层的横截面积。
[0084]
最终可得到第一测试腔室中电流的表达式为：
[0085][0086]
由i
p0
计算第一测试腔室泵单元的电流密度i
p0
，其中，s
area1
为第一测试腔室泵单元电极表面积。
[0087]
同理可得到第二测试腔室中电流的表达式为：
[0088][0089]
由i
p1
计算第二测试腔室泵单元的电流密度i
p1
，s
area2
为第二测试腔室泵单元电极表面积。
[0090]
第三测试腔室中电流的表达式为：
[0091][0092]
由i
p2
计算第三测试腔室泵单元的电流密度i
p2
，s
area3
为第三测试腔室泵单元电极表面积。
[0093]
在以上各测试腔室中电流的表达式中，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；
[0094]sd1
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；
[0095]sd2
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。
[0096]
以第一测试腔室为例，氮氧传感器的扩散模型电化学模型：
[0097][0098][0099]
氮氧传感器控制器第一个重要作用是控制加热层使得电解质处于工作温度，采用闭环控制降低汽车尾气温度对传感器的影响；第二个主要作用是，负责三个泵电压的调节控制，保证前两个测试腔室将尾气中氧气泵出，但是又要保证no不会在前两个测试腔室中提前分解。控制过程的重点在于前两个腔室中，对于氧气的泵送，所以，本技术机理模型的重点也将放在前两个测试腔室中对氧气的处理。
[0100]
如图3是传感器前两个腔室机理模型结构示意图，第一测试腔室中剩余的氧气会通过第二扩散通道，继续向第二测试腔室中扩散。第二测试腔室中的泵单元和感应单元会继续执行同样的操作，将氧气泵出腔室，并检测和测试腔室之间形成的能斯特电势v1。所以第二测试腔室的稳态电化学机理模型与第一测试腔室相同，不同的是，泵电流i
p1
受到的是第一测试腔室中剩余的氧气向第二腔室扩散速率的控制，由于第二测试腔室中氧气含量极低，所以泵电流i
p1
的大小主要受到v
p0
大小的影响。能斯特电势v1主要受到泵电压v
p1
大小的影响，因为泵电压v
p1
的作用是将测试腔室中氧气泵出，这会造成和空气参考腔室的氧浓度差增大，进而对v1造成影响。
[0101]
本技术构建了静态相应过程的机理模型，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反应对静态输出的影响因素，从而方便指标的量化控制，更有针对性地设计控制算法，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。
[0102]
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。