深耕氣體傳感器，助推發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)設(shè)備全面國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

四方光電股份有限公司

導(dǎo)讀：

環(huán)境污染一直都是大家關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，為了緩解機(jī)動(dòng)車(chē)排放帶來(lái)的大氣污染，近年來(lái)，世界各國(guó)都在爭(zhēng)相發(fā)展新能源汽車(chē)。雖然新能源汽車(chē)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是現(xiàn)階段以汽油、柴油為燃料的內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。怎樣有效地控制汽車(chē)污染，仍然是全球關(guān)注且亟待解決的問(wèn)題。

環(huán)保政策不斷完善，發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)日趨嚴(yán)格

環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是控制機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染的主要手段，為了給環(huán)境保駕護(hù)航，全球范圍內(nèi)各項(xiàng)環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)。目前，世界各國(guó)制定的汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)主要分為歐洲排放法規(guī)、美國(guó)排放法規(guī)和日本排放法規(guī)三大體系。歐洲標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）的汽車(chē)廢氣排放法規(guī)和歐盟（EU）的汽車(chē)廢氣排放指令共同加以實(shí)現(xiàn)的；美國(guó)的汽車(chē)排放法規(guī)可分為聯(lián)邦排放法規(guī)，即環(huán)境保護(hù)局（EPA）排放法規(guī)和加利福尼亞大氣資源局（CARB）排放法規(guī)，其他各州可根據(jù)自身需要，選擇使用加州法規(guī)或者使用聯(lián)邦法規(guī)；日本法規(guī)是在20世紀(jì)80年代末期開(kāi)始實(shí)施，2005年開(kāi)始實(shí)施新的車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)，排放限值相較之前嚴(yán)格很多[1]。

我國(guó)環(huán)境保護(hù)部及國(guó)家質(zhì)檢總局制定、發(fā)布、實(shí)施了一系列控制機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染的環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。2019年5月1日起開(kāi)始實(shí)施GB 18285—2018《汽油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）》[2]和GB 3847—2018《柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（自由加速法及加載減速法）》[3]；2019年7月1日起實(shí)施GB 17691—2018《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)）[4]；2020年7月1日起實(shí)施GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)）[5]；并將于2022年底全面實(shí)施HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》[6]，以防治非道路柴油移動(dòng)機(jī)械排氣污染物對(duì)環(huán)境的污染，進(jìn)一步改善環(huán)境空氣質(zhì)量。這些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為中國(guó)排放檢測(cè)領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)帶來(lái)了更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)排放檢測(cè)現(xiàn)狀，進(jìn)口儀器設(shè)備壟斷市場(chǎng)

汽車(chē)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和新的排放控制技術(shù)的研究都離不開(kāi)汽車(chē)排放檢測(cè)系統(tǒng)。正確檢測(cè)汽車(chē)有害排放物的含量是研究汽車(chē)有害排放物的形成及其控制技術(shù)和裝置的重要前提。隨著各國(guó)汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，相關(guān)排放檢測(cè)技術(shù)也在不斷完善。

在汽車(chē)排放檢測(cè)控制領(lǐng)域中，根據(jù)應(yīng)用可以分為3類(lèi)：（A）發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)排放研究和型式認(rèn)證用排放檢測(cè)設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)定容采樣系統(tǒng)（CVS）或直采排放分析系統(tǒng)以及便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）；（B）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和污染物檢測(cè)控制用傳感器，主要是高溫型的O2、NOx以及 SOOT 傳感器；（C）檢測(cè)和維修后市場(chǎng)I/M站用排放檢測(cè)設(shè)備。除C類(lèi)排放檢測(cè)設(shè)備近年來(lái)通過(guò)采用進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)化的尾氣平臺(tái)結(jié)合測(cè)功機(jī)等基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化以外，A類(lèi)排放檢測(cè)設(shè)備以及B類(lèi)大批量、高價(jià)格的排放檢測(cè)控制用傳感器（例如：O2傳感器年需求近億支、NOx以及SOOT傳感器每支價(jià)格接近1,000元）幾乎都依靠進(jìn)口。

用于排放研究和認(rèn)證的高端汽車(chē)排放檢測(cè)設(shè)備不同于一般的分析儀器，它包括了紅外氣體檢測(cè)、化學(xué)發(fā)光或者紫外氣體檢測(cè)、加熱型FID甚至在線(xiàn)色譜氣體檢測(cè)、重量法或者光學(xué)法顆粒物數(shù)量PN和質(zhì)量PM 檢測(cè)、CVS排氣流量檢測(cè)或者高濕瞬態(tài)尾氣流量檢測(cè)等核心模塊。目前，國(guó)內(nèi)分析儀器行業(yè)很少有企業(yè)同時(shí)具備氣體分析領(lǐng)域的多種傳感器技術(shù)平臺(tái)以及發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，因此，實(shí)現(xiàn)這種既需要高技術(shù)，又需要高度集成的高端汽車(chē)排放檢測(cè)設(shè)備具有較高的難度。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和污染物檢測(cè)控制用O2及NOx傳感器是汽油車(chē)及柴油車(chē)的燃燒控制以及尾氣后處理系統(tǒng)的重要部件，高溫陶瓷芯片原材料的極限溫差考驗(yàn)、HTCC芯片的制作以及封裝工藝、傳感器的軟件測(cè)控等對(duì)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)能力要求非常高。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)多由國(guó)外廠商壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)用戶(hù)采購(gòu)成本高昂。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室排放檢測(cè)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)排氣污染物循環(huán)試驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)狀，各大國(guó)產(chǎn)儀器公司也在全力以赴，用實(shí)際行動(dòng)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試設(shè)備全產(chǎn)業(yè)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。四方光電針對(duì)國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)狀及相應(yīng)的市場(chǎng)需求，自主完成實(shí)驗(yàn)室排放檢測(cè)系統(tǒng)和道路測(cè)試用便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）的研發(fā)和生產(chǎn)，形成了從發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室排放檢測(cè)系統(tǒng)、便攜式排放檢測(cè)設(shè)備、I/M站檢測(cè)設(shè)備，到終端用戶(hù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)用O2及NOx傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)的完整解決方案。

根據(jù)“國(guó)五”[7]、“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，新型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行排氣污染物的循環(huán)試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室排放檢測(cè)系統(tǒng)可以按照法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)入大氣情況的近似模擬，并完成排放氣體取樣和檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)需要連續(xù)測(cè)量CO、CO2、NMHC（非甲烷總烴）、NOx等氣態(tài)污染物及粉塵的濃度和排氣質(zhì)量流量，并記錄到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，需要集成多種氣體傳感技術(shù)。

四方光電基于核心氣體傳感技術(shù)平臺(tái)的組合優(yōu)勢(shì)，自主研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)排放全流稀釋定容采樣系統(tǒng)（CVS）作為傳感器的高端增值應(yīng)用，其穩(wěn)定性好，系統(tǒng)誤差小于2%。與發(fā)動(dòng)機(jī)直采系統(tǒng)Gasboard-9801配套使用，可以滿(mǎn)足輕型汽油車(chē)排放法規(guī)GB 18352.6—2016[5]、重型商用車(chē)排放法規(guī)GB 17691—2018[4]以及摩托車(chē)相關(guān)排放的要求。

PEMS便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)：測(cè)量車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中污染物排放量

在“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)以前，新型發(fā)動(dòng)機(jī)或新車(chē)型在型式認(rèn)證階段主要是基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證尾氣排放是否達(dá)標(biāo)。但發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際道路行駛狀態(tài)存在較大差異，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)可能并未真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際排放情況。為解決上述問(wèn)題，我國(guó)重型車(chē)“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)均增加發(fā)動(dòng)機(jī)便攜排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）測(cè)試，即將發(fā)動(dòng)機(jī)便攜排放檢測(cè)系統(tǒng)安裝在實(shí)際道路行駛的整車(chē)上，測(cè)量得到車(chē)輛在實(shí)際行駛過(guò)程中的污染物排放量。“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)要求所有需進(jìn)行型式檢驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車(chē)進(jìn)行前述檢測(cè)，只有通過(guò)檢測(cè)的新車(chē)才能生產(chǎn)、進(jìn)口、銷(xiāo)售和投入使用或注冊(cè)登記。

2020年12月28日發(fā)布的HJ 1014—2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》要求[6]，從2022年12月1日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口和銷(xiāo)售的560 kW（含560 kW）的非道路移動(dòng)機(jī)械及裝用的柴油機(jī)必須符合本標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)2014年頒布的GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第三、四階段）》（“國(guó)三”、“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)）[8]第四階段內(nèi)容的補(bǔ)充。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為國(guó)內(nèi)非道路機(jī)械主機(jī)廠設(shè)定了“鬧鐘”，“國(guó)四”產(chǎn)品正式步入倒計(jì)時(shí)階段。相較于原標(biāo)準(zhǔn)，其中很重要的一項(xiàng)是增加了車(chē)載法檢驗(yàn)的限值及檢測(cè)規(guī)程，并對(duì)車(chē)載便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）的相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定。

針對(duì)國(guó)內(nèi)急需的便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）需求，四方光電快速組織研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS）的國(guó)產(chǎn)化。Gasboard-9805系列是四方光電基于自主研發(fā)的核心氣體分析技術(shù)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一款便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)（PEMS），用于非道路、道路（輕型車(chē)及重型柴油車(chē)），產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)CO、CO2、NO、NO2、THC排放物濃度測(cè)量，以及顆粒物、排氣流量、GPS數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度、大氣壓力的測(cè)量，并具備測(cè)試過(guò)程引導(dǎo)、自動(dòng)計(jì)算排放總量、導(dǎo)出測(cè)試報(bào)告等功能。此外，產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，便攜電池支持6小時(shí)以上續(xù)航，滿(mǎn)足在用車(chē)車(chē)載排放檢測(cè)要求。

車(chē)載O2/NOx傳感器：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和污染物檢測(cè)控制

燃油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行會(huì)釋放NOx，這類(lèi)氣體形成的硝酸鹽是造成空氣污染的重要原因之一。NOx近年來(lái)已成為大氣污染治理的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。SCR作為NOx的主要控制技術(shù)，在“國(guó)六”柴油機(jī)上全面普及。氮氧傳感器參與噴氨系統(tǒng)的閉環(huán)控制，是發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)的核心傳感器。

針對(duì)汽油車(chē)排氣污染物的主流凈化方法是使用三元催化器，將CO、NOx、HC等有害氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體和水，其凈化效率的高低取決于混合氣濃度是否保持在理論空燃比附近。由于空燃比的變化會(huì)引起排氣中氧濃度相應(yīng)的變化，通過(guò)在排氣管中設(shè)置O2傳感器，可實(shí)現(xiàn)O2傳感器對(duì)氧濃度的檢測(cè)，并向汽車(chē)的電子控制單元反饋信號(hào)。電子控制單元根據(jù)反饋信號(hào)及時(shí)調(diào)整噴油量，使混合氣的空燃比保持在理論值附近。

隨著“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)的頒布及逐漸實(shí)施，O2及NOx傳感器前裝及后裝市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)容，僅前裝市場(chǎng)年需求量就達(dá)百億元規(guī)模。但目前主要市場(chǎng)份額由境外廠商占據(jù)，國(guó)內(nèi)需求嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。為降低對(duì)境外廠商的依賴(lài)程度，國(guó)內(nèi)企業(yè)必須自主研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和污染物檢測(cè)控制用的O2、NOx以及SOOT傳感器。

四方光電基于高溫共燒陶瓷（HTCC）、高溫傳感器封裝等自有技術(shù)平臺(tái)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)傳感器所需核心元器件芯片的自制，建成傳感器所需的元器件芯片、封裝及傳感器生產(chǎn)線(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。