一種氮氧傳感器加熱控制電路的制作方法

本實(shí)用新型涉及柴油機(jī)SCR系統(tǒng)中的氮氧傳感器，尤其涉及一種氮氧傳感器電控單元的加熱控制電路。

背景技術(shù)：

柴油機(jī)由于在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面有著汽油機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，在大中型商用車上得到了廣泛應(yīng)用。然而，日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)促使國內(nèi)柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)必須尋找有效途徑來控制和減少汽車排放污染物，而選擇性催化還原技術(shù)(SCR技術(shù))是目前我國大中型柴油機(jī)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的最佳選擇。SCR系統(tǒng)利用氮氧傳感器來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx濃度，并將檢測(cè)值反饋給SCR系統(tǒng)控制單元，再通過調(diào)整尿素噴射量來降低NOx的含量，從而使排氣能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，氮氧傳感器的好壞直接影響到最終的排放結(jié)果。

氮氧傳感器由傳感器探頭和電控單元組成，二者之間通過線束連接。氮氧傳感器的探頭部分負(fù)責(zé)采集尾氣，其內(nèi)部將進(jìn)行氣體分離、電離分解和測(cè)量濃度三個(gè)步驟；電控單元通過線纜提供給探頭完成上述三個(gè)過程需要的電流，并采集各過程的電信號(hào)，同時(shí)通過CAN總線把測(cè)量信息發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)或其它控制單元。而氮氧傳感器開始測(cè)量前，陶瓷芯片的頭部需要達(dá)到并穩(wěn)定在700～750℃以保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。

現(xiàn)有的方法中，多數(shù)需要借助恒定電流源來完成控制，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性；同時(shí)難以避免加熱時(shí)會(huì)有電流流過外電阻，消耗了較大的能耗；并且沒有明確加熱控制策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型提供了一種氮氧傳感器加熱控制電路，極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本；避免了不必要的能耗；明確了氮氧傳感器加熱控制的策略。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種氮氧傳感器加熱控制電路，包括單片機(jī)模塊、供電電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、定值電阻、氮氧傳感器加熱層以及第一開關(guān)和第二開關(guān)；所述供電電源模塊經(jīng)所述電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換電壓后給所述單片機(jī)模塊供電；所述第一開關(guān)的一端連接所述供電電源的輸出端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層的正極端；所述第二開關(guān)的一端連接所述定值電阻的一 端、另一端連接所述氮氧傳感器加熱層的正極端，所述定值電阻的另一端連接所述電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端；所述單片機(jī)通過脈沖信號(hào)PWM輸出端與所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)相連，控制第一開關(guān)和第二開關(guān)的通斷；所述單片機(jī)通過AD輸入端口與所述定值電阻的一端、所述氮氧傳感器加熱層的參考極相連，用于采集連接點(diǎn)的電壓信息；所述氮氧傳感器加熱層的負(fù)極接地；所述氮氧傳感器加熱層用于給氮氧傳感器加熱。

所述單片機(jī)通過控制所述第一開關(guān)閉合、所述第二開關(guān)斷開實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的加熱；所述單片機(jī)通過控制所述第一開關(guān)斷開、所述第二開關(guān)閉合，并結(jié)合AD端口的采樣電壓值實(shí)現(xiàn)氮氧傳感器的溫度測(cè)量，并根據(jù)溫度調(diào)整傳感器的加熱時(shí)間。

進(jìn)一步，所述氮氧傳感器加熱層采用三線式熱電阻，其內(nèi)部等效為加熱電阻R_pt，正負(fù)極引線分別等效為電阻R+、R-，參考電極等效為電阻R_ref。

進(jìn)一步，在20度左右時(shí)，所述R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω。

進(jìn)一步，所述供電電源采用外部電源或柴油車的蓄電池；所述單片機(jī)采用MC9S12XS128，或至少包括2個(gè)PWM輸出和2個(gè)AD輸入的單片機(jī)；所述電壓轉(zhuǎn)換模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V給單片機(jī)供電。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型通過將測(cè)量狀態(tài)和加熱狀態(tài)完全分離，避免處于加熱狀態(tài)時(shí)，額外的電阻R0產(chǎn)生熱量；在保證測(cè)量精度的前提下，減少了恒流源的使用，降低了電路的成本和復(fù)雜性；通過合理地改變測(cè)量和加熱狀態(tài)的時(shí)間，使得氮氧傳感器在開始工作時(shí)加熱迅速，在達(dá)到工作溫度后能保持溫度穩(wěn)定，這個(gè)溫度為700～750℃中的某一值。

附圖說明

圖1是氮氧傳感器所用的三線式加熱層的等效結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的氮氧傳感器加熱控制電路。

圖3是本實(shí)用新型的氮氧傳感器加熱控制策略示意圖。

圖4是本實(shí)用新型的氮氧傳感器加熱控制的溫度變化趨勢(shì)圖。

圖中標(biāo)記：1-單片機(jī)模塊；2-供電電源模塊；3-電壓轉(zhuǎn)換模塊；4-第一開關(guān)；5-第二開關(guān)；6-定值電阻；7-氮氧傳感器加熱層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1示出了氮氧傳感器中三線式熱電阻的等效結(jié)構(gòu)示意圖。共三根引線，分別為正極、 負(fù)極和參考極；加熱部分的電阻為R_pt，正極引線的電阻為R+，負(fù)極引線的電阻為R-，參考極的電阻為R_ref，其中R+＝R-；通過測(cè)量，常溫下(約20℃)，R_pt＝1.4Ω、R+＝R-＝2.1Ω、R_ref＝0.5Ω；加熱部分和正負(fù)極部分的電阻阻值會(huì)隨溫度的升高而變大，通過測(cè)量加熱部分的電阻R_pt的阻值可以反映出傳感器當(dāng)前的溫度。

圖2示出了本實(shí)用新型氮氧傳感器加熱控制電路。供電電源2通過電壓轉(zhuǎn)換模塊3為單片機(jī)模塊1供電，柴油車的蓄電池可以作為供電電源，通常為24V直流電，單片機(jī)在本實(shí)用新型實(shí)施例中采用MC9S12XS128，電壓轉(zhuǎn)換模塊將24V轉(zhuǎn)換為5V為單片機(jī)供電；第一開關(guān)4的一端連接到供電電源2的輸出端，另一端連接到氮氧傳感器加熱層7的正極，第一開關(guān)4的通斷由單片機(jī)模塊1通過輸出脈沖信號(hào)PWM1控制；第二開關(guān)5的一端連接到定值電阻6的一端，定值電阻6的另一端與電壓轉(zhuǎn)換模塊3的輸出端相連，第二開關(guān)5的另一端連接到氮氧傳感器加熱層7的正極，第二開關(guān)5的通斷由單片機(jī)模塊1通過輸出脈沖信號(hào)PWM2控制；氮氧傳感器加熱層7的負(fù)極接地；單片機(jī)模塊1分別通過2個(gè)AD端口采集氮氧傳感器加熱層7的參考極信號(hào)和定值電阻6一端的電壓信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下氮氧傳感器加熱部分的電阻值R_pt，并得到對(duì)應(yīng)溫度。

加熱狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)模塊1通過PWM1使第一開關(guān)4閉合，此時(shí)第二開關(guān)5斷開，供電電源2為氮氧傳感器加熱層7提供電壓，加熱電阻R_pt為氮氧傳感器加熱。

測(cè)量狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)模塊1通過PWM2使第二開關(guān)5閉合，此時(shí)第一開關(guān)4斷開，進(jìn)過電壓轉(zhuǎn)換模塊3轉(zhuǎn)換的電壓U0為定值電阻6和氮氧傳感器加熱層7供電，此時(shí)單片機(jī)模塊1的一個(gè)AD端口采集得到定值電阻6后的電壓信號(hào)U1，另一個(gè)AD端口采集得到參考極處的電壓信號(hào)U2，此時(shí)：

回路中的電流I＝(U0-U1)/R0；

正負(fù)極引線的電阻R+＝R-＝U2/I；

加熱部分的電阻R_pt＝(U1–U2)/I–R+；

＝R0*(U1–2*U2)/(U0-U1)；

其中，R0的阻值為3Ω。

加熱電阻的溫度和阻值的關(guān)系需要事先通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到，通過標(biāo)定的關(guān)系就能夠獲取溫度的數(shù)值。

大概經(jīng)過20秒左右，陶瓷芯片被加熱到T_aim(700～750℃中的某一值)。

圖3示出了本實(shí)用新型的加熱控制策略，氮氧傳感器開始工作時(shí)，首先檢測(cè)此時(shí)加熱電阻R_pt的溫度，若小于T_aim(700～750℃中的某一值)，則切換到加熱狀態(tài)，加熱到一 定時(shí)間后再次切換到測(cè)量狀態(tài)，并交替重復(fù)上述狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到T1、T2、T3溫度時(shí)，通過減少第一開關(guān)1的閉合時(shí)間，控制加熱的速率。本實(shí)用新型實(shí)施例中，取T1＝200℃，T2＝500℃，T3＝700℃，T_aim＝750℃。

圖4示出了本實(shí)用新型加熱控制策略的效果圖，前期迅速加熱，在隨后的不同溫度段，逐漸減低加熱速率，最終緩慢加熱到并維持在T_aim溫度。

所述實(shí)施例為本實(shí)用新型的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。