氧传感器配气性能测试平台设计

摘 要：为实现电喷发动机尾气排放监测精度和可靠性，对氧传感器配气性能测试平台进行了设计。参考Bosch公司的配气方案，在不影响检测结果的前提下，优化了各气体成分及比例，并对氧传感器配气流程进行了设计。通过仿真软件Chemkin开展仿真试验，结果符合预期，表明了方案的可行性。后续尚应在控制器精度考证和实测验证等方面加以改进。

关键词：氧传感器；配气；气体组分；Chemkin

中图分类号：TK411.2 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-018-03

工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.005

引言

在我国电喷发动机普及、人们环保意识不断加强的背景下，汽车尾气排放标准亦越来越严格。氧传感器作为汽车尾气排放监测的核心部件，其综合性能的测试也受到越来越广泛的重视。然而，我国的氧传感器测试技术远远滞后，氧传感器生产厂商只能搭建测试平台实现简单测试，还要依托于与专门检测机构或高校的合作[1-3]。这所造成的数据不对等会导致测试台架、发动机电喷系统以及采集标定等软硬件无法正确匹配的问题，制约了测试精度和可靠性[4，5]。

为妥善解决上述问题，往往需借助氧传感器配气性能测试平台[6，7]。本文从气体成分及比例优化、配气流程设计和仿真验证三大环节对该平台的设计进行了探索。

1 气体成分及比例优化

对于气体成分及比例的确定原则，主要基于以下两个方面的考虑：

（1）参考Bosch公司氧传感器测试台架的配气方案，其气体成分比例为：CO2=2.5%，CO=267 ppm，H2O=2.5%，NO=50 ppm，C3H8=50 ppm，H2=89 ppm，N2=rest。对这一配气方案进行研究，发现几种主要成分的相对含量都非常小，其中用于模拟CH的丙烷C3H8，用于模拟NOx的NO及CO的含量都在数十或数百ppm。N2具有高达90%的含量，远远高于实际发动机尾气中的N2含量。因此，推测此种配气方式是参照实际尾气成分配比后加以优化的结果，并非是对实际发动机尾气的完全模拟。

（2）氧传感器在检测过程中会消耗标准气体。如果完全按照真实尾气成分进行配气，那么检测成本就会大幅增加。而根据氧传感器测试原理，对氧传感器输出特性影响最大的只是气体中的氧气含量，而其他气体组分只是提供模拟尾气的测试环境，对氧传感器的输出结果影响不大。因此，适当提高含氧元素气体组分的含量，降低或控制不含氧元素的气体组分的含量，可以在不影响检测结果的情况下优化测试。

最终确定气体成分及比例如下：CO2=2.5%，CO=300 ppm，H2O=2.5%，NO=200 ppm，C3H8=100 ppm，H2=50 ppm，N2=rest。

2 配气流程设计

本测试平台配气采用逐级混合加热的方式进行。从初始混合到氧传感器测试环节，分别在三个均相混合气室和一个流动混合管道中进行，一共经历四级加热。考虑到排气压力，每级混合气室的压力逐级降低。

第一级混合气室温度设定为120℃，压力为0.5 MPa，参与混合的气体组分为C3H8、H2、NO、CO2、N2、CO等六种气体。

第二级混合气室温度设定为350℃，压力为0.4 MPa，通过水蒸气发生器加入第七种气体H2O。

第三级混合气室温度设定为500℃，压力为0.2 MPa，无新成分加入，只起到调节温升的作用。

第四级采用流动加热，在三级混合完成后进行。根据氧传感器的工作原理，必须在高温下稳定氧气含量，以模拟尾气保持所对应的λ值（过量空气系数）分别处于浓混合气对应的0.93～0.98和稀混合气对应的1.02～1.10。这一要求是通过采用以线性氧传感器为感应器的氧含量反馈调节系统实现的[8-10]。线性氧传感器的安装在接近测试点之前的位置，以满足不同λ值的测试要求。此外，采用温度调节装置，保证氧传感器在测试阶段时，混合气能够达到所需温度。整个配气方案的设计流程图如图1所示。

3 仿真验证

采用计算机仿真软件Chemkin 4.5对配气方案进行验证。Chemkin是一种功能强大的求解复杂化学反应问题的软件包，常用于对燃烧过程、催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。根据配气流程逐步进行仿真，其结果如图2～图5所示。

由图2～图4可知，混合气分别在第一级、第二级及第三级混合加热的设定条件下，各物质组分的含量均未发生变化。而从图5的第四级流动加热仿真结果可知，混合气在温度升高阶段前期，各组分能保持稳定；当温度升高到一定程度，大多数组分开始发生反应，未达到电喷发动机所要求的温度850℃之前就已经消耗了很大的比例。

由第四级流动加热仿真结果还可得知，在高温下保持各气体组分的稳定性十分困难。根据氧传感器工作原理，只要维持混合气中的氧含量在规定的λ值范围内，就不会影响检测结果。因此，以线性氧传感器为感应器的氧含量反馈调节系统是有效的。而对于混合气中其他气体组分的变化，由于反应的生成物除了CO2和H2O以外大多数仍是碳氢化合物，故对检测影响不大。

4 结论和建议

本研究参考了Bosch公司比较先进的氧传感器测试台架配气方案，在不影响检测结果的前提下，优化了配气各气体成分及其比例，并设计了氧传感器配气测试方案的主要流程。最后，通过仿真软件Chemkin对配气方案进行仿真试验，其结果基本符合预期，说明本方案是行之有效的。

氧传感器配气性能测试方案还有进一步完善的空间。本配气方案采用线性氧传感器作为感应器的反馈调节装置，虽然能够较为精确地检测出对应的混合气中的氧气含量，但也不能保证质量、流量控制器足够精确。对浓混合气尾气的氧气添加方案也有待验证。另外，由于配气方案设计基本是建立在仿真的基础上，并未以实验作为支撑，因此方案中的多种构想也仅是处于理论阶段，尚需深入。

参考文献

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