柴油機尿素品質(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)境問題的日益顯現(xiàn)，環(huán)保部門制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)，市場監(jiān)管和檢查也嚴(yán)格落實到位，尤其是到國六階段[1] [2]，排放要求非常嚴(yán)苛，為此，柴油發(fā)動機均配備了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)的添加劑就是車用尿素。車用尿素溶液為32.5%尿素和67.5%去離子水的高純?nèi)芤?，其濃度對車輛使用影響重大，直接影響車輛動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放合理性以及OBD監(jiān)測要求，因此，需要對尿素濃度實施實時監(jiān)測，檢測尿素濃度的傳感器就是尿素品質(zhì)傳感器，下文中將對尿素品質(zhì)傳感器作進(jìn)一步分析。

關(guān)鍵詞：柴油機;車用尿素;尿素濃度;尿素品質(zhì)傳感器

中圖分類號：TV7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0051-02

0? 引言

隨著排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，對于柴油發(fā)動機，除了對發(fā)動機機內(nèi)排放進(jìn)行嚴(yán)格控制外，即嚴(yán)格控制裸排水平，還需借助全新的機外后處理凈化技術(shù)，采用更加先進(jìn)的技術(shù)，對排放污染物進(jìn)行控制和處理，常見后處理有：NSC+SDPF+SCR、NSC+CDPF+SCR、DOC+SDPF+SCR、DOC+CDPF+SCR[3]，無一例外，SCR都是必備裝置，SCR方案在柴油車尾氣排放處理系統(tǒng)中具有明顯優(yōu)勢，而車用尿素是SCR方案的必需添加劑，車用尿素是由碳、氮、氧和氫組成的有機化合物，在不同地方的叫法不同，在中國及歐洲成為AdBlue，在美國稱為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，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)晶點也受尿素濃度的影響，經(jīng)過相關(guān)人員的反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)尿素濃度在32.5%時，尿素結(jié)晶溫度最低，因此車用尿素濃度確定為32.5%。

車用尿素及尿素濃度對車輛的動力、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)傳感器以實時監(jiān)測尿素的品質(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)傳感器市場使用率極低，以下主要對聲學(xué)式和光學(xué)式品質(zhì)傳感器進(jìn)行分析和說明。

1? 聲學(xué)原理技術(shù)路線

聲學(xué)原理又可以分為兩種，一種是類似于音叉密度計的原理，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，振動的頻率通過位于另一個叉指上的壓電晶體而檢測出來，通過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，引起諧振頻率的變化，轉(zhuǎn)化為對溶液溶度的測量。[3]另一種是根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中速度不同，通過測量聲波在一個固定距離內(nèi)，聲波信號的發(fā)射與反射接收所用的時間，測量在液體中聲速，從而得到尿素溶液濃度，依此進(jìn)行傳感器技術(shù)開發(fā)。通過測量可知，超聲波在空氣中速度為340m/s@20℃（注：測試溫度為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，通過多次循環(huán)計算平均飛行時間（TOF），在固定溫度以及尿素濃度的測試條件下，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，會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，當(dāng)尿素濃度改變時，折射率也會發(fā)生變化，通過建立車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)開發(fā)。顯而易見，這種技術(shù)路線的尿素品質(zhì)傳感器，其對光路的穩(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，會發(fā)生折射與反射。當(dāng)入射角≥臨界角時，入射光線會發(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，通過反射臨界角n2（尿素）與n1（殼體）之間的折射率關(guān)系，設(shè)計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別液位傳感器的輸出信號，并且最終通過CAN輸出尿素液位、尿素質(zhì)量和尿素溫度信號，原理圖見圖5，發(fā)動機ECM接收到信號后，根據(jù)發(fā)動機和整車輸入的各種信號數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合判斷，以保證發(fā)動機和整車正常工作。

其中，液位傳感器一般是電容式或者簧片開關(guān)式，可同時檢測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)，可同時檢測尿素濃度和溫度，并且液位傳感器測試的液位和溫度信息，通過硬線傳輸至品質(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CAN線輸出給主電路板，再通過整車CAN線發(fā)布到ECM。

4? 超聲波式和光電式品質(zhì)傳感器對比

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)，但對光比較敏感，需要遮光使用，并且對使用環(huán)境的清潔度要求高，因為尿素經(jīng)過反復(fù)解凍后，容易出現(xiàn)“絮狀”漂流物，影響測量精度，同時，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)致測量結(jié)果出現(xiàn)異常。

通過綜合評估超聲波式傳感器和光電式傳感器的優(yōu)劣勢現(xiàn)狀，這兩種型式的傳感器在市場上都有特定的使用場景，導(dǎo)致其在市場上同時存在。

5? 結(jié)論

在實際使用過程中，因國內(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。車用尿素在加注過程中會產(chǎn)生大量氣泡，附著在品質(zhì)傳感器探頭表面，影響傳感器對濃度的真實檢測，導(dǎo)致尿素誘導(dǎo)系統(tǒng)觸發(fā)，這也成為一項行業(yè)難題，以上兩種原理的品質(zhì)傳感器都無法克服，并且車輛在顛簸路面行駛時，尿素在尿素箱中也會產(chǎn)生氣泡，為減輕氣泡影響，常見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，還未市場化，因此，如何消除氣泡對品質(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，并將極大推動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)重依賴國外技術(shù)和產(chǎn)品供應(yīng)，面對SCR系統(tǒng)的廣泛使用，如何實現(xiàn)尿素濃度傳感器開發(fā)技術(shù)和批產(chǎn)的徹底國產(chǎn)化，將可大幅度降低傳感器的成本，并實現(xiàn)產(chǎn)品自主，解除這項“卡脖子”問題，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[2]生態(tài)環(huán)境部，國家市場監(jiān)督管理總局. GB17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[3]孫寶元，楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]李江兵，趙挺，樊華春.輕型柴油機國六后處理技術(shù)路線探討[J].內(nèi)燃機與配件，2020（21）：38-39.