柴油機(jī)尿素品質(zhì)傳感器技術(shù)路線分析

李江兵 謝燕艷 劉帆

摘要：隨著環(huán)境問(wèn)題的日益顯現(xiàn)，環(huán)保部門(mén)制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)，市場(chǎng)監(jiān)管和檢查也嚴(yán)格落實(shí)到位，尤其是到國(guó)六階段[1] [2]，排放要求非常嚴(yán)苛，為此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)均配備了SCR系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction 選擇性催化還原技術(shù)），以減少尾氣中的NOX（氮氧化物）排放，其中SCR系統(tǒng)的添加劑就是車(chē)用尿素。車(chē)用尿素溶液為32.5%尿素和67.5%去離子水的高純?nèi)芤?，其濃度?duì)車(chē)輛使用影響重大，直接影響車(chē)輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放合理性以及OBD監(jiān)測(cè)要求，因此，需要對(duì)尿素濃度實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)尿素濃度的傳感器就是尿素品質(zhì)傳感器，下文中將對(duì)尿素品質(zhì)傳感器作進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);車(chē)用尿素;尿素濃度;尿素品質(zhì)傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TV7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0051-02

0? 引言

隨著排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)排放進(jìn)行嚴(yán)格控制外，即嚴(yán)格控制裸排水平，還需借助全新的機(jī)外后處理凈化技術(shù)，采用更加先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)排放污染物進(jìn)行控制和處理，常見(jiàn)后處理有：NSC+SDPF+SCR、NSC+CDPF+SCR、DOC+SDPF+SCR、DOC+CDPF+SCR[3]，無(wú)一例外，SCR都是必備裝置，SCR方案在柴油車(chē)尾氣排放處理系統(tǒng)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，而車(chē)用尿素是SCR方案的必需添加劑，車(chē)用尿素是由碳、氮、氧和氫組成的有機(jī)化合物，在不同地方的叫法不同，在中國(guó)及歐洲成為AdBlue，在美國(guó)稱為DEF，尿素溶液為含有32.5%尿素和67.5%去離子水的高純透明溶液，具有淡淡的氨水氣味，車(chē)用尿素晶體的純度較高，它主要是從工業(yè)尿素中進(jìn)一步提純得到，去離子水的雜質(zhì)含量也有嚴(yán)格的要求，當(dāng)加熱至160°C時(shí)，分解成氨氣（NH3）和水。

在SCR系統(tǒng)中，尿素溶液的濃度非常重要，尿素濃度不適合將造成反應(yīng)不充分，引起尾氣不達(dá)標(biāo)，尿素溶液的結(jié)晶也是行業(yè)難題，并且結(jié)晶點(diǎn)也受尿素濃度的影響，經(jīng)過(guò)相關(guān)人員的反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)尿素濃度在32.5%時(shí)，尿素結(jié)晶溫度最低，因此車(chē)用尿素濃度確定為32.5%。

車(chē)用尿素及尿素濃度對(duì)車(chē)輛的動(dòng)力、油耗、尾氣排放等起著關(guān)鍵性的作用。所有尿素箱中都要安裝尿素品質(zhì)傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尿素的品質(zhì)情況，尿素品質(zhì)傳感器的原理有：比熱容原理、聲學(xué)原理、光學(xué)原理，由于比熱容原理的尿素品質(zhì)傳感器市場(chǎng)使用率極低，以下主要對(duì)聲學(xué)式和光學(xué)式品質(zhì)傳感器進(jìn)行分析和說(shuō)明。

1? 聲學(xué)原理技術(shù)路線

聲學(xué)原理又可以分為兩種，一種是類(lèi)似于音叉密度計(jì)的原理，即元件的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩齒的音叉，叉體因位于叉根的壓電晶體產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)的頻率通過(guò)位于另一個(gè)叉指上的壓電晶體而檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)移相和電路放大及處理，叉體被穩(wěn)定在固有頻率上，當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)叉體時(shí)，引起諧振頻率的變化，轉(zhuǎn)化為對(duì)溶液溶度的測(cè)量。[3]另一種是根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中速度不同，通過(guò)測(cè)量聲波在一個(gè)固定距離內(nèi)，聲波信號(hào)的發(fā)射與反射接收所用的時(shí)間，測(cè)量在液體中聲速，從而得到尿素溶液濃度，依此進(jìn)行傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)。通過(guò)測(cè)量可知，超聲波在空氣中速度為340m/s@20℃（注：測(cè)試溫度為20℃），超聲波在純水中的速度為1480m/s@20℃，超聲波在標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液（濃度為32.5%）中的速度為1620m/s@20℃。在不同溫度下，超聲波在水和尿素中的傳輸速度，如圖1所示。在不同濃度的尿素溶液中，超聲波的傳輸速度也不同，如圖2所示。

利用超聲波探頭（收發(fā)一體）發(fā)出聲波脈沖到反射擋板，然后反射回探頭，通過(guò)多次循環(huán)計(jì)算平均飛行時(shí)間（TOF），在固定溫度以及尿素濃度的測(cè)試條件下，TOF幾乎式固定不變的，如圖3所示。根據(jù)此理論設(shè)計(jì)的尿素濃度傳感器稱為超聲波式濃度傳感器。

2? 光學(xué)原理技術(shù)路線

光學(xué)原理，即利用光在不同介質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，當(dāng)尿素濃度改變時(shí)，折射率也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)建立車(chē)用尿素濃度和光折射率的關(guān)系，即根據(jù)光在不同尿素濃度下的折射率不同，進(jìn)行傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)。顯而易見(jiàn)，這種技術(shù)路線的尿素品質(zhì)傳感器，其對(duì)光路的穩(wěn)定性要求較高。

當(dāng)光源從光密介質(zhì)射入到光疏介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射與反射。當(dāng)入射角≥臨界角時(shí)，入射光線會(huì)發(fā)生全發(fā)射，如圖4所示，此臨界角的大小由尿素濃度決定，這就是“斯涅爾定律（Snell’s Law）”的典型應(yīng)用。

根據(jù)“斯涅爾定律”理論，介質(zhì)的折射率隨介質(zhì)濃度的變化而變化，通過(guò)反射臨界角n2（尿素）與n1（殼體）之間的折射率關(guān)系，設(shè)計(jì)的尿素濃度傳感器稱為光電式濃度傳感器。

3? 結(jié)構(gòu)原理圖

品質(zhì)傳感器的主電路能夠識(shí)別液位傳感器的輸出信號(hào)，并且最終通過(guò)CAN輸出尿素液位、尿素質(zhì)量和尿素溫度信號(hào)，原理圖見(jiàn)圖5，發(fā)動(dòng)機(jī)ECM接收到信號(hào)后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)輸入的各種信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合判斷，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)正常工作。

其中，液位傳感器一般是電容式或者簧片開(kāi)關(guān)式，可同時(shí)檢測(cè)尿素溶液的液位和溫度;品質(zhì)傳感器一般式下潛式結(jié)構(gòu)，可同時(shí)檢測(cè)尿素濃度和溫度，并且液位傳感器測(cè)試的液位和溫度信息，通過(guò)硬線傳輸至品質(zhì)傳感器，再統(tǒng)一由品質(zhì)傳感器把信息流（液位+濃度+溫度+診斷），通過(guò)CAN線輸出給主電路板，再通過(guò)整車(chē)CAN線發(fā)布到ECM。

4? 超聲波式和光電式品質(zhì)傳感器對(duì)比

根據(jù)兩種傳感器的技術(shù)原理，超聲波式品質(zhì)傳感器不受介質(zhì)的濁度、色度、流態(tài)的干擾，響應(yīng)快，測(cè)量精度高，但抗氣泡干擾能力差，極易受氣泡的影響;光電式品質(zhì)傳感器抗氣泡干擾能力較超聲波式更優(yōu)，但對(duì)光比較敏感，需要遮光使用，并且對(duì)使用環(huán)境的清潔度要求高，因?yàn)槟蛩亟?jīng)過(guò)反復(fù)解凍后，容易出現(xiàn)“絮狀”漂流物，影響測(cè)量精度，同時(shí)，光電式傳感器的透明發(fā)光體，耐久使用后，容易出現(xiàn)泛黃、變色，使其透光率下降，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)異常。

通過(guò)綜合評(píng)估超聲波式傳感器和光電式傳感器的優(yōu)劣勢(shì)現(xiàn)狀，這兩種型式的傳感器在市場(chǎng)上都有特定的使用場(chǎng)景，導(dǎo)致其在市場(chǎng)上同時(shí)存在。

5? 結(jié)論

在實(shí)際使用過(guò)程中，因國(guó)內(nèi)資源及技術(shù)成熟度考慮，超聲波式尿素品質(zhì)傳感器占主流。車(chē)用尿素在加注過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，附著在品質(zhì)傳感器探頭表面，影響傳感器對(duì)濃度的真實(shí)檢測(cè)，導(dǎo)致尿素誘導(dǎo)系統(tǒng)觸發(fā)，這也成為一項(xiàng)行業(yè)難題，以上兩種原理的品質(zhì)傳感器都無(wú)法克服，并且車(chē)輛在顛簸路面行駛時(shí)，尿素在尿素箱中也會(huì)產(chǎn)生氣泡，為減輕氣泡影響，常見(jiàn)的方法是在探頭上加裝護(hù)套，護(hù)套可以隔絕氣泡，考慮對(duì)尿素解凍的影響，探頭護(hù)套又不能做成全封閉式，所以，護(hù)套理論上不能完全消除氣泡影響，另一種方法是在尿素加注槍上使用氣泡消除裝置，使注入到尿素箱中的氣泡量盡可能低，這種裝置正處于研發(fā)階段，還未市場(chǎng)化，因此，如何消除氣泡對(duì)品質(zhì)傳感器的影響，將繼續(xù)困擾尿素品質(zhì)傳感器研發(fā)者和使用者，如果哪家尿素品質(zhì)傳感器供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出消除氣泡影響的裝置，這家供應(yīng)商將占領(lǐng)全球尿素傳感器市場(chǎng)，并將極大推動(dòng)尿素濃度傳感器的技術(shù)發(fā)展。

另外，尿素品質(zhì)傳感器核心零部件還嚴(yán)重依賴國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品供應(yīng)，面對(duì)SCR系統(tǒng)的廣泛使用，如何實(shí)現(xiàn)尿素濃度傳感器開(kāi)發(fā)技術(shù)和批產(chǎn)的徹底國(guó)產(chǎn)化，將可大幅度降低傳感器的成本，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自主，解除這項(xiàng)“卡脖子”問(wèn)題，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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