摘 要

随着人们生活水平的提高，汽车保有量稳步上升，汽车尾气污染成为了大气污染的主要污染源之一，其中的氮氧化合物虽然含量不高，但危害很大。世界各国相继出台了更为严格的汽车尾气排放法案，汽车尾气的检测不再只是尾气氧浓度和空燃比的测定，还包括氮氧化合物含量的测定。这导致传统的用于测定氧含量的氧传感器不能完全适应时代的要求，新一代能准确高效测定尾气中NOx浓度的传感器将拥有广阔的市场前景。

NOx传感器是中高温环境下实现高精度、快速氮氧含量测量的关键设备，是汽车尾气后处理系统的重要反馈装置。本文基于氮氧传感器工作特性的基础研究设计了车载氮氧传感器的关键控制算法，使得氮氧传感器能在控制系统的调节下准确快速的达到测量需要，满足汽车尾气成分测定的需求。

首先，本文基于氮氧传感器的技术应用发展，结合材料学、电化学和控制学等方面由浅入深地介绍了氮氧传感器的结构、工作原理、应用性能，分析了各种类型传感器的特点、应用和联系，最后以氮氧传感器的工作原理为基础，设计了氮氧传感器加热控制与泵单元控制算法，并通过仿真实验验证了算法的可行性。

Abstract

With the improvement of people’s living standards, the number of car ownership has steadily increased, and automobile exhaust pollution has become the main source of air pollution. Although the content of nitrogen oxides is not high, it is very harmful. Countries around the world have successively introduced more stringent regulations on automobile exhaust emissions. The detection of automobile exhaust gas is no longer just a measurement of exhaust gas oxygen concentration and air-fuel ratio, but also the determination of nitrogen oxides content. This results in the traditional oxygen sensor used for determining the oxygen content can not fully meet the requirements of the times, a new generation of sensors that can accurately and efficiently determine the NOx concentration in the exhaust gas will have a broad market prospect.
The NOx sensor is a key device for realizing high-precision, rapid measurement of nitrogen and oxygen content in medium and high temperature environments and is an important feedback device for automotive exhaust after-treatment systems. Based on the basic research of nitrogen oxide sensor working characteristics, this paper designs the key control algorithm of the vehicle nitrogen-oxygen sensor.
Firstly, based on the technical application development of nitrogen-oxygen sensors, combined with materials science, electrochemistry and control science, the structure, working principle and application performance of nitrogen-oxygen sensors are introduced. The characteristics of various types of sensors are analyzed. The application and contact, and finally based on the working principle of the nitrogen oxygen sensor, designed the nitrogen oxygen sensor heating control and pump unit control algorithm, and verified the feasibility of the algorithm through simulation experiments.

目 录

摘 要 3

Abstract 3

第1章 绪论 6

1.1 研发背景和意义 6

1.2 尾气排放控制技术 11

1.3 氮氧传感器的研究现状 14

1.4 本章小结 16

第2章 氮氧传感器工作原理 17

2.1 引言 17

2.2 传感器的分类 18

2.3 基本原理 19

2.4 控制器需求分析 26

2.5 本章小结 29

第3章 氮氧传感器的控制算法 29

3.1 引言 29

3.2 氮氧传感器的加热控制 31

3.2.1 加热器原理 31

3.2.2 加热算法设计 32

3.3 氮氧传感器的泵单元控制 37

3.3.1 泵单元耦合关系分析 37

3.3.2 多变量解耦思想 39

3.3.3 泵单元解耦控制设计 39

3.3.4 解耦算法仿真实验 46

3.4 本章小结 49

第4章 氮氧传感器测试平台设计 50

4.1引言 50

4.2平台总体结构 51

4.3测试平台的硬件搭建 52

4.3.1供气子系统 53

4.3.2混合子系统 54

4.3.3测控子系统 54

4.4测试平台的软件设计 55

4.4.1 LabVIEW开发环境 56

4.4.2 CS200系列MFC控制 57

4.4.3传感器数据采集与分析 60

4.4.4 CAN数据包解析 63

4.5本章小结 69

第5章 控制系统设计与结果分析 70

5.1引言 70

5.2控制系统设计 70

5.3结果与分析 73

5.4本章小结 79

第6章 总结与展望 80

6.1 研究总结 80

6.2 研究展望 82

参考文献 82

致谢 85

1. 绪论

1.1 研发背景和意义

据统计，近年来中国汽车保有量保持在10%以上的增幅^[1]，截至2017年底，中国汽车保有量已经突破2.1亿辆^[2]。有关专家研究表明，汽车排放的尾气占了大气污染的60 ～ 90%，成为了大气污染的主要来源^[3]。据统计，每千辆汽车每天排出氮氧化合物为 50 ～ 150 kg，汽车尾气中的氮氧化合物是发动机大负荷工作时产生的一种褐色的有臭味废气，其排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素^[4]。

氮氧化合物产生的原因主要是高温富氧环境，比如当燃烧室积碳时，就容易产生大量的氮氧化合物^[5]。从燃烧的过程来看， 排放的氮氧化物有 95% 以上是一氧化氮，其余是二氧化氮。虽然氮氧化合物的含量在汽车尾气中较少，但其毒性很大，是含硫氧化物的3倍^[6]。以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因，汽车尾气中的氮氧化物与碳氢化合物经过了紫外线的照射，会发生化学反应从而形成有毒烟雾，这种烟雾被称为光化学烟雾。光化学烟雾具有特殊的刺激性气味，会刺激眼睛等脆弱粘膜，对植物有很大危害，并且会造成大气的能见度降低。除此之外，氮氧化物和空气中的水蒸汽反应会生成的硝酸和亚硝酸，这也是酸雨的主要成分^[7-9]。大气中的氮氧化物主要来源于化石燃料的燃烧与焚烧植物，以及农田土壤中的肥料和动物的排泄物中含氮化合物的转化。近年来，来自我国能源相关部门的数据表明，我国的氮氧化物排放量正在快速上升，2000年全国氮氧化物排放总量为12.1*10⁶t，到2005年增加到了19.1*10⁶t，年平均增长率高达10%^[8]。如果我们不尽快采取更进一步的减排措施，随着国民经济的进一步发展、人口增长和城市化进程的加快，未来我国的氮氧化物排放量将继续增长，按照目前的发展趋势估算，到2030年排放量将达到35.4*10⁶t，势必造成严重的环境影响，因此，必须切实加强氮氧化物的排放控制^[9-10]。

美国、日本与众多欧洲国家等汽车工业发展较早的国家针对尾气问题的处理较为成熟。早在上世纪后半段，这些国家就率先出台了严格的汽车尾气排放法律法规，以限制现有车辆的尾气排放。欧洲从1992年开始实施欧I排放标准，并于2014开始推行更严格的欧Ⅵ标准，其规定柴油车每公里氮氧化合物排放比前一代标准减少68%，不超过80mg。对应参照欧洲的排放法规，我国先后制定了国I～V排放标准^[11]。自2012年开始，国V标准开始实行实验；自2017年7月1日起，国V标准已在全国范围内全面实施，并对于老旧不符合排放标准的机动车型做出了非常严格限制^[12]，故机动车尾气排放系统升级是目前的重要课题。