CN216900328U - 一种氮氧传感器以及车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种氮氧传感器以及车辆，属于传感器技术领域。包括基体，基体上依次设置有脱附腔室、气体处理腔室和分解腔室，气体处理腔室与脱附腔室及分解腔室同时连通。其中，脱附腔室用于将尾气中的NO2转化为NO，分解腔室用于将NO分解为N2和O2。气体处理腔室用于将尾气中的目标气体结合O2反应为H2O和CO2。通过在尾气经过脱附后进入分解腔室之前，于气体处理腔室内，将尾气中的目标气体，例如CO、HC以及H2结合尾气中的O2反应生成H2O和CO2，使得进入传感器中分解腔室的气体只剩下NO可参与分解反应，提高了传感器对尾气中NOX浓度检测数据的准确性。

Description

一种氮氧传感器以及车辆
技术领域
本申请实施例涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种氮氧传感器以及车辆。
背景技术
随着人们环保意识的提高，对汽车、柴油机等机动车排放的尾气，尤其是尾气中的氮氧化物NOX的含量，有了更加严格的规定。
现有的氮氧传感器中，通过将尾气中的NOX完全分解为NO，再由金属电极催化作用下，待测量气体中的NO反应分解成N2和O2。通过检测NO分解过程中氧离子跃迁过程产生的电流大小，可计算出O2含量以及NOX的含量。
在实际应用过程中，在将尾气中的NOX分解为NO后，留下的待测量气体中残留有HC、CO等气体，这些气体在金属电极催化反应待测量气体中的NO时，会首先在金属电极上反应生成CO2和H2O，造成测量得到的氧离子跃迁过程产生的电流大小并非全部由NOX反应得到，使得测得的NOX含量不准确。
实用新型内容
本申请实施例在于提供一种氮氧传感器以及车辆，旨在解决现有的氮氧传感器对尾气中NOX含量检测不准确的问题。
本申请实施例第一方面提供一种氮氧传感器，包括基体，基体上依次设置有进气口、脱附腔室、气体处理腔室、分解腔室和排气口，气体处理腔室与脱附腔室及分解腔室同时连通，脱附腔室与进气口连通，分解腔室与排气口连通；
其中，脱附腔室用于将尾气中的NO2转化为NO，分解腔室用于将NO分解为N2和O2，并能测量这一过程中的电流变化或电压变化；
气体处理腔室用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种。
可选地，气体处理腔室内设置有第一电极，基体上设置有公共电极，第一电极与公共电极电连接；
其中，对公共电极以及第一电极通电以调节气体处理腔室内的O2浓度。
可选地，脱附腔室的内壁上设置有第二电极，第二电极与公共电极电连接，脱附腔室的内壁上涂覆有吸附剂；
其中，对公共电极以及第二电极通电以调节脱附腔室内的O2浓度；
吸附剂用于吸附NO2以将尾气中的NO2转化为NO。
可选地，分解腔室的内壁上设置有第三电极，第三电极与公共电极电连接；
其中，通过第三电极将NO催化分解为N2和O2，对公共电极以及第三电极通电以泵出分解腔室内O2，并基于被泵出的O2所带来的电流变化或电压变化，测得第一O2浓度，进而得到NOX浓度，第一O2浓度为分解腔室内的O2的浓度。
可选地，第一电极、第二电极以及第三电极均采用过渡金属。
可选地，第二电极、第一电极和第三电极依次与公共电极通电。
可选地，还包括参考电极，参考电极设置在基体上，参考电极分别电连接第二电极及公共电极；
测量公共电极与参考电极之间的电流值或电压值作为第一参考值，测量第二电极与参考电极之间的电流值或电压值作为第二参考值，通过第一参考值对第二参考值进行修正。
可选地，分解腔室内设置有测试电极，测试电极与参考电极电连接；
通过检测参考电极与测试电极之间的电流变化或电压变化，测得第二O2浓度，以修正第一O2浓度，第二O2浓度为从气体处理腔室进入分解腔室内的O2的浓度，和/或分解腔室内的原始O2的浓度。
可选地，基体上设置有加热电极，加热电极用于对脱附腔室、气体处理腔室和分解腔室加热，加热电极对脱附腔室的加热温度为800℃-900℃。
本申请实施例第二方面提供一种车辆，应用有本申请实施例第一方面提供的一种氮氧传感器
本申请至少具有以下有益效果：
本申请实施例提出一种氮氧传感器以及车辆，包括基体，基体上依次设置有进气口、脱附腔室、气体处理腔室、分解腔室和排气口，气体处理腔室与脱附腔室及分解腔室同时连通。其中，脱附腔室用于将尾气中的NO2转化为NO，分解腔室用于将NO分解为N2和O2，并能测量这一过程中的电流变化或电压变化。气体处理腔室用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种。
通过在尾气经过脱附后进入分解腔室之前，再增加气体处理腔室，于气体处理腔室内，将尾气中的目标气体，例如CO、HC以及H2结合尾气中的O2反应生成H2O和CO2，使得进入传感器中分解腔室的气体只剩下NO可参与分解反应，提高了传感器对尾气中NOX浓度检测数据的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提出的氮氧传感器的剖面图；
图2是本申请一实施例提出的氮氧传感器的连接电路示意图。
附图标记说明：1、基体；11、公共电极；12、参考电极；13、加热电极；2、脱附腔室；21、第二电极；22、吸附剂；3、气体处理腔室；31、第一电极；4、分解腔室；41、第三电极；42、测试电极。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
相关技术中，尾气在传感器中被吸附剂将NO2吸附分解成NO后，尾气中仍然有HC、CO、H2逃逸，而在传感器下一腔室中分解NO过程中，逃逸的气体会先于NO在金属电极上结合氧离子反应，使得通过测量金属电极上氧离子跃迁过程产生的电流大小而计算得到的NOX含量不准确。
有鉴于此，本申请实施例提出一种氮氧传感器以及车辆，包括基体1，基体1上依次设置有进气口、脱附腔室2、气体处理腔室3、分解腔室4和排气口，气体处理腔室3与脱附腔室2及分解腔室4同时连通，脱附腔室2与进气口连通，分解腔室4与排气口连通。其中，脱附腔室2用于将尾气中的NO2转化为NO，分解腔室4用于将NO分解为N2和O2。气体处理腔室用于使尾气中的目标气体发送氧化反应，其中，目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种。通过在尾气经过脱附后进入分解腔室4之前，再增加气体处理腔室3，于气体处理腔室内，将尾气中的目标气体，例如CO、HC以及H2，结合尾气中的O2反应生成H2O和CO2，使得进入传感器中分解腔室的气体只剩下NO可参与分解反应，提高了传感器对尾气中NOX浓度检测数据的准确性。
实施例一
参照图1，示出了本申请一实施例提出的氮氧传感器的剖面图，参照图2，示出了本申请一实施例提出的氮氧传感器的连接电路示意图。如图1、2所示，本申请实施例公开了一种氮氧传感器，包括基体1，基体1上依次设置有进气口、脱附腔室2、气体处理腔室3、分解腔室4和排气口，气体处理腔室3与脱附腔室2及分解腔室4同时连通，脱附腔室2与进气口连通，分解腔室4与排气口连通。
其中，基体1中可以导通氧离子(O2-)，基体1的材质可以为结合了Y2O3或CaO的ZrO2，ZrO2中的Y2O3或CaO的体积分量可以为8％-10％，本申请实施例中Y2O3或CaO的体积分量为8％。
尾气从基体1上的进气口处进入基体1，并依次经过脱附腔室2、气体处理腔室3和分解腔室4后，从基体1上的排气口处排出。
脱附腔室2用于将尾气中的NO2转化为NO，气体处理腔室3用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种，具体地，脱附腔室2将目标气体结合O2反应为CO2，和/或H2O，分解腔室4用于将NO分解为N2和O2，并能测量这一过程中的电流变化或电压变化，用于获得分解腔室内气体的O2浓度。
在本申请实施例中，基体1上设置有公共电极11，脱附腔室2的内壁上设置有第二电极21，第二电极21与公共电极11电连接，脱附腔室2的内壁上涂覆有吸附剂22。对公共电极11以及第二电极21通电以调节脱附腔室2内的O2浓度。吸附剂22用于吸附NO2以将尾气中的NO2转化为NO。
第二电极21和公共电极11均可采用过渡金属的材质，过渡金属一般为第VIII族元素，包括铁、钴、镍、钌、铑等，在本申请实施例中，第二电极21和公共电极11均采用铂材质。通过对经由基体1连通两块铂电极中的一块接负极电压，另一块接正极电压，则接入负极电压的电极处的氧分子得电子形成氧离子，氧离子通过基体1来到另一块接有正极电压的电极处，氧离子失去电子后以氧分子的形态释放。由此，通过对第二电极21和公共电极11施加正、负极相反的电压，即可实现对脱附腔室2内O2浓度的调节。
吸附剂22可以为活泼金属化合物，在本申请实施例中，吸附剂22可以为SrCO3(或者SrO)，吸附剂22涂覆在脱附腔室2内部的孔道内。吸附剂22通过与氧气结合，可以将尾气中的NO2脱附为NO，重新生成SrO或者SrCO3。公式如下：
SrO+2NO2+1/2O2→Sr(NO3)2(吸附)
SrCO3+2NO2+1/2O2→Sr(NO3)2+CO2(吸附)
Sr(NO3)2+3CO→SrCO3+2NO+2CO2(脱附)
Sr(NO3)2+CO2+3H2→SrCO3+2NO+3H2O(脱附)
同时，在脱附腔室2中，除了对尾气中NO2进行脱附外，尾气中还含有目标气体，目标气体中的HC、CO、H2的气体与O2结合后发生反应。反应公式如下：
CO+1/2O2→CO2
HC+O2→H2O+CO2
H2+1/2O2→H2O
进入传感器的尾气中一般含有氧气，在车辆发动机处于稀燃阶段时(尾气中富氧)，尾气中的O2除了与尾气中HC、CO、H2相互结合反应外，通过在第二电极21处施加负极电，在公共电极11处施加正极电，多余的O2在第二电极21处获得电子，并以氧离子的形式通过基体1向公共电极11移动，并在公共电极11失去电子再次成型为O2进行排放。
在车辆发动机处于浓燃阶段时(尾气中贫氧)，在公共电极11施加负极电，在第二电极21处施加正极电，此时，公共电极11处的O2得到电子，并以氧离子的形式移动向第二电极21，并在第二电极21处失去电子再次成型为O2排出，以补充脱附腔室2中的O2。
气体处理腔室3内设置有第一电极31，第一电极31与公共电极11电连接，对公共电极11以及第一电极31通电以调节气体处理腔室3内的O2浓度，以使气体处理腔室3内的CO、HC以及H2结合O2反应为H2O和CO2。
第一电极31与公共电极11材质相同，同样采用过渡金属的材质。在第一电极31处施加正极电，在公共电极11处施加负极电，即可使外界的O2透过基体1进入气体处理腔室3。从脱附腔室2中逃逸至气体处理腔室3内的HC、CO、H2气体，在气体处理腔室3中，继续结合O2生成H2O和CO2，使得经过气体处理腔室3后的气体中只剩下NO。
分解腔室4的内壁上设有第三电极41，第三电极41与公共电极11电连接。通过第三电极41将NO催化分解为N2和O2，再对公共电极11以及第三电极41通电以泵出分解腔室4内的O2，并基于被泵出的O2所带来的电流变化或电压变化，测得第一O2浓度，进而得到NOX的浓度，其中，第一O2浓度为通过第三电极41将分解腔室4内的NO催化分解为N2和O2后，分解腔室4内的气体中O2的浓度。
在本申请实施例中，通过检测公共电极11以及第三电极41之间的电势差，以获得泵出的O2时所带给公共电极11与第三电极41之间的电压变化，从而测量分解腔室4内的气体中的第一O2浓度。。
第三电极41可采用过渡金属，本申请实施例中，第三电极41的材质为铂。以第三电极41作为金属催化剂，NO在第三电极41上分解为N2和O2，并在第三电极41处施加负极电，在公共电极11处施加正极电，即可使分解腔室4内由NO分解得出的O2在第三电极41处得电子，以氧离子的形式通过基体1来到公共电极11，并在公共电极11处失电子后成为氧原子排出。通过在第三电极41与公共电极11之间采用电压表进行连接，可检测第三电极41表面的电荷与公共电极11表面的电荷之间的电势差，进而计算出第三电极41与公共电极11之间氧离子的跃迁量，从而计算出在将NO气体分解后，分解腔室4中的O2浓度以及尾气中的氮氧浓度。
具体地，基体1上三个腔室在工作过程中均会应用到公共电极11，在本申请实施例中，第二电极21、第一电极31和第三电极41依次与公共电极11通电。例如，在第一个0.1秒，脱附腔室2中的第二电极21与公共电极11通电，在第二个0.1秒，气体处理腔室3中的第一电极31与公共电极11通电，在第三个0.1秒，分解腔室4中的第三电极41与公共电极11通电。其中，0.1秒也可以根据实际应用设置为0.15秒、0.2秒等。通过依次使公共电极11与三个腔室中的电极连接通电，可以在尾气通过传感器内三个腔室时依次对尾气进行处理。
在本申请实施例中，氮氧传感器还包括参考电极12，参考电极12设置在基体1上，其中，参考电极12与大气接通，参考电极12表面的电荷量为一固定值。参考电极12分别电连接第二电极21及公共电极11，测量公共电极11与参考电极12之间的电流值或电压值作为第一参考值，测量第二电极21与参考电极12之间的电流值或电压值作为第二参考值，通过第一参考值对第二参考值进行修正。
在本申请实施例中，通过采用电压表检测公共电极11与参考电极12之间的电势差作为第一参考值，通过采用电压表检测第二电极21与参考电极12之间的电势差作为第二参考值，并比较测出的第一参考值与第二参考值，以对第二参考值，即第二电极21与参考电极12之间的电势差进行修正。
为了满足脱附腔室2内NO2脱附转换需要以及目标气体的氧化需要，脱附腔室2内气体中需要维持一定的O2浓度以满足O2消耗。在发动机处于稀燃阶段时，进入基体1中的尾气中富含O2，使得在脱附腔室2内可以对NO2进行正常脱附操作，以及可以对目标气体进行正常氧化操作。此时，需要对公共电极11与第二电极21通电，向脱附腔室2外泵出O2，以减少进入分解腔室3的气体中的O2浓度。采用电压表可检测第二电极21与参考电极12之间的第二参考值，并采用电压表可检测公共电极11与参考电极12之间的第一参考值，第一参考值与第二参考值之间的差值维持在一定范围。
具体地，当发动机处于浓燃阶段时，尾气中的O2贫乏，难以满足NO2脱附转换需要以及目标气体的氧化需要，此时难以向脱附室2外再泵出O2，因此公共电极11与参考电极12之间的第一参考值，以及第二电极21与参考电极12之间的第二参考值，两者之间的差值出现较大变化。此时，改变公共电极11与第二电极21上连接的电压正、负极性，向脱附腔室2内泵入O2，以满足基体1内反应正常进行。
进一步地，为了提高对分解腔室4中氮氧浓度测量的准确性，在分解腔室4内还设置有测试电极42。通过检测参考电极12与测试电极42之间的电势差，以测量分解腔室4内的气体的第二O2浓度，第二O2浓度为从气体处理腔室3进入分解腔室4内的O2的浓度，和/或所述分解腔室4内的原始O2的浓度。其中，由于分解腔室3中的O2浓度与大气中的O2浓度不同，在测试电极42表面的电荷量和在参考电极12表面的电荷量不同，且O2浓度与电极表面聚集的电荷量成正比。在本申请实施例中，在分解腔室4中的第三电极41通电前，通过采用电压表连接参考电极12与测试电极42，以检测参考电极12与测试电极42之间的电势差，并通过此电势差与大气中参考电极12表面为固定值的电荷量，计算测试电极42的电荷量，再基于大气中O2浓度，计算得到从气体处理腔室3进入分解腔室4中的气体的O2浓度，和/或传感器中进入气体前分解腔室4内的原始O2的浓度。
当分解腔室4中的第三电极41开始工作后，将分解腔室4中的NO气体分解为N2和O2，并计算出得到当前分解腔室4中的O2浓度后，将该O2浓度值减去通过测试电极42测试得出的O2浓度值，即可排除掉进入分解腔室4中的O2对最终氮氧浓度测试的影响，进一步提高传感器的检测精度。
为了满足传感器上各个腔室内发生反应的环境温度，在基体1上还设置有加热电极13，加热电极13用于对脱附腔室2、气体处理腔室3和分解腔室4加热。
进一步地，加热电极13对脱附腔室2的加热温度可以为800℃-900℃。因为当分解腔室4内温度达到800℃以上的时候，尾气中的H2O在铂电极上可以催化分解出H2，为后续反应提供原料。并且，本申请实施例中的吸附剂22采用SrCO3(或者SrO)，在结合NO2后会生成Sr(NO3)2，而800℃-900℃也是Sr(NO3)2脱附的最高效反应温度。
在本申请实施例中，通过在传感器的脱附腔室2与分解腔室4之间增加气体处理腔室3，并氧化处理掉进入分解腔室4前气体内的HC、CO、H2等气体，使得进入分解腔室4内的气体中，仅NO会在电极上催化分解，提高了氮氧传感器对尾气中NOX含量检测的准确性。
实施例二
基于同一发明构思，本申请实施例公开一种车辆，应用有如本申请实施例所提供的氮氧传感器。
通过对车辆尾气先后将NO2脱附为NO，HC、CO、H2气体氧化处理，以及将NO分解为N2和O2，获得完全由NO分解得到的O2浓度，进而计算得到较为准确的尾气中的NOX含量数值。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种氮氧传感器，其特征在于，包括基体(1)，所述基体(1)上依次设置有进气口、脱附腔室(2)、气体处理腔室(3)、分解腔室(4)和排气口，所述气体处理腔室(3)与所述脱附腔室(2)及所述分解腔室(4)同时连通，所述脱附腔室(2)与进气口连通，所述分解腔室(4)与排气口连通；
其中，所述脱附腔室(2)用于将尾气中的NO2转化为NO，所述分解腔室(4)用于将NO分解为N2和O2，并能测量这一过程中的电流变化或电压变化；
所述气体处理腔室(3)用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，所述目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述气体处理腔室(3)内设置有第一电极(31)，所述基体(1)上设置有公共电极(11)，所述第一电极(31)与所述公共电极(11)电连接；
其中，对所述公共电极(11)以及所述第一电极(31)通电以调节所述气体处理腔室(3)内的O2浓度。
3.根据权利要求2所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述脱附腔室(2)的内壁上设置有第二电极(21)，所述第二电极(21)与所述公共电极(11)电连接，所述脱附腔室(2)的内壁上涂覆有吸附剂(22)；
其中，对所述公共电极(11)以及所述第二电极(21)通电以调节所述脱附腔室(2)内的O2浓度；
所述吸附剂(22)用于吸附NO2以将尾气中的NO2转化为NO。
4.根据权利要求3所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述分解腔室(4)的内壁上设置有第三电极(41)，所述第三电极(41)与所述公共电极(11)电连接；
其中，通过所述第三电极(41)将NO催化分解为N2和O2，对所述公共电极(11)以及所述第三电极(41)通电以泵出所述分解腔室(4)内O2，并基于被泵出的O2所带来的电流变化或电压变化，测得第一O2浓度，进而得到NOX浓度，所述第一O2浓度为所述分解腔室(4)内的O2的浓度。
5.根据权利要求4所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述第一电极(31)、所述第二电极(21)以及所述第三电极(41)均采用过渡金属。
6.根据权利要求4所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述第二电极(21)、所述第一电极(31)和所述第三电极(41)依次与所述公共电极(11)通电。
7.根据权利要求4所述的一种氮氧传感器，其特征在于，还包括参考电极(12)，所述参考电极(12)设置在所述基体(1)上，所述参考电极(12)分别电连接所述第二电极(21)及所述公共电极(11)；
测量所述公共电极(11)与所述参考电极(12)之间的电流值或电压值作为第一参考值，测量所述第二电极(21)与所述参考电极(12)之间的电流值或电压值作为第二参考值，通过所述第一参考值对所述第二参考值进行修正。
8.根据权利要求7所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述分解腔室(4)内设置有测试电极(42)，所述测试电极(42)与所述参考电极(12)电连接；
通过检测所述参考电极(12)与所述测试电极(42)之间的电流变化或电压变化，测得第二O2浓度，以修正所述第一O2浓度，所述第二O2浓度为从所述气体处理腔室(3)进入所述分解腔室(4)内的O2的浓度，和/或所述分解腔室(4)内的原始O2的浓度。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种氮氧传感器，其特征在于，所述基体(1)上设置有加热电极(13)，所述加热电极(13)用于对所述脱附腔室(2)、所述气体处理腔室(3)和所述分解腔室(4)加热，所述加热电极(13)对所述脱附腔室(2)的加热温度为800℃-900℃。
10.一种车辆，其特征在于，应用有如权利要求1-9任意一项所述的一种氮氧传感器。
CN202123215056.3U 2021-12-20 2021-12-20 一种氮氧传感器以及车辆 Active CN216900328U (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116165260A (zh) * 2022-11-18 2023-05-26 长城汽车股份有限公司 氧含量检测装置、尾气含氧量检测方法及车辆

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