深耕氣體傳感器，助推發(fā)動機排放檢測設(shè)備全面國產(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)注的焦點問題，為了緩解機動車排放帶來的大氣污染，近年來，世界各國都在爭相發(fā)展新能源汽車。雖然新能源汽車得到了長足的發(fā)展，但是現(xiàn)階段以汽油、柴油為燃料的內(nèi)燃機的應(yīng)用仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。怎樣有效地控制汽車污染，仍然是全球關(guān)注且亟待解決的問題。

環(huán)保政策不斷完善，發(fā)動機排放檢測日趨嚴(yán)格

環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是控制機動車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)各項環(huán)保法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺。目前，世界各國制定的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)主要分為歐洲排放法規(guī)、美國排放法規(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)濟委員會（ECE）的汽車廢氣排放法規(guī)和歐盟（EU）的汽車廢氣排放指令共同加以實現(xiàn)的；美國的汽車排放法規(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年代末期開始實施，2005年開始實施新的車輛排放標(biāo)準(zhǔn)，排放限值相較之前嚴(yán)格很多[1]。

我國環(huán)境保護(hù)部及國家質(zhì)檢總局制定、發(fā)布、實施了一系列控制機動車排放污染的環(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日起開始實施GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）》[2]和GB 3847—2018《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）》[3]；2019年7月1日起實施GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（“國六”標(biāo)準(zhǔn)）[4]；2020年7月1日起實施GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（“國六”標(biāo)準(zhǔn)）[5]；并將于2022年底全面實施HJ 1014—2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術(shù)要求》[6]，以防治非道路柴油移動機械排氣污染物對環(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)的實施，為中國排放檢測領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)帶來了更大的機遇和挑戰(zhàn)。

國內(nèi)排放檢測現(xiàn)狀，進(jìn)口儀器設(shè)備壟斷市場

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

在汽車排放檢測控制領(lǐng)域中，根據(jù)應(yīng)用可以分為3類：（A）發(fā)動機、汽車排放研究和型式認(rèn)證用排放檢測設(shè)備，簡稱定容采樣系統(tǒng)（CVS）或直采排放分析系統(tǒng)以及便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）；（B）發(fā)動機燃燒和污染物檢測控制用傳感器，主要是高溫型的O2、NOx以及 SOOT 傳感器；（C）檢測和維修后市場I/M站用排放檢測設(shè)備。除C類排放檢測設(shè)備近年來通過采用進(jìn)口和國產(chǎn)化的尾氣平臺結(jié)合測功機等基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化以外，A類排放檢測設(shè)備以及B類大批量、高價格的排放檢測控制用傳感器（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)證的高端汽車排放檢測設(shè)備不同于一般的分析儀器，它包括了紅外氣體檢測、化學(xué)發(fā)光或者紫外氣體檢測、加熱型FID甚至在線色譜氣體檢測、重量法或者光學(xué)法顆粒物數(shù)量PN和質(zhì)量PM 檢測、CVS排氣流量檢測或者高濕瞬態(tài)尾氣流量檢測等核心模塊。目前，國內(nèi)分析儀器行業(yè)很少有企業(yè)同時具備氣體分析領(lǐng)域的多種傳感器技術(shù)平臺以及發(fā)動機排放檢測的專業(yè)知識，因此，實現(xiàn)這種既需要高技術(shù)，又需要高度集成的高端汽車排放檢測設(shè)備具有較高的難度。

發(fā)動機燃燒和污染物檢測控制用O2及NOx傳感器是汽油車及柴油車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、HTCC芯片的制作以及封裝工藝、傳感器的軟件測控等對企業(yè)的技術(shù)研發(fā)能力要求非常高。目前，國內(nèi)市場多由國外廠商壟斷，國內(nèi)企業(yè)用戶采購成本高昂。

發(fā)動機實驗室排放檢測系統(tǒng)：實現(xiàn)排氣污染物循環(huán)試驗

針對現(xiàn)狀，各大國產(chǎn)儀器公司也在全力以赴，用實際行動推動發(fā)動機排放測試設(shè)備全產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化進(jìn)程。四方光電針對國產(chǎn)發(fā)動機排放檢測設(shè)備現(xiàn)狀及相應(yīng)的市場需求，自主完成實驗室排放檢測系統(tǒng)和道路測試用便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）的研發(fā)和生產(chǎn)，形成了從發(fā)動機實驗室排放檢測系統(tǒng)、便攜式排放檢測設(shè)備、I/M站檢測設(shè)備，到終端用戶汽車發(fā)動機尾氣后處理系統(tǒng)用O2及NOx傳感器的發(fā)動機排放檢測的完整解決方案。

根據(jù)“國五”[7]、“國六”標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，新型發(fā)動機應(yīng)在測功機臺架上進(jìn)行排氣污染物的循環(huán)試驗。發(fā)動機實驗室排放檢測系統(tǒng)可以按照法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流程，實現(xiàn)對發(fā)動機排氣進(jìn)入大氣情況的近似模擬，并完成排放氣體取樣和檢測。該檢測系統(tǒng)需要連續(xù)測量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，并記錄到計算機系統(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)平臺的組合優(yōu)勢，自主研發(fā)發(fā)動機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)動機直采系統(tǒng)Gasboard-9801配套使用，可以滿足輕型汽油車排放法規(guī)GB 18352.6—2016[5]、重型商用車排放法規(guī)GB 17691—2018[4]以及摩托車相關(guān)排放的要求。

PEMS便攜式排放檢測系統(tǒng)：測量車輛實際行駛過程中污染物排放量

在“國六”標(biāo)準(zhǔn)以前，新型發(fā)動機或新車型在型式認(rèn)證階段主要是基于實驗室數(shù)據(jù)驗證尾氣排放是否達(dá)標(biāo)。但發(fā)動機在實驗室中的運行狀態(tài)與實際道路行駛狀態(tài)存在較大差異，實驗室數(shù)據(jù)可能并未真實反映發(fā)動機的實際排放情況。為解決上述問題，我國重型車“國六”標(biāo)準(zhǔn)均增加發(fā)動機便攜排放檢測系統(tǒng)（PEMS）測試，即將發(fā)動機便攜排放檢測系統(tǒng)安裝在實際道路行駛的整車上，測量得到車輛在實際行駛過程中的污染物排放量?！皣睒?biāo)準(zhǔn)要求所有需進(jìn)行型式檢驗的發(fā)動機及汽車進(jìn)行前述檢測，只有通過檢測的新車才能生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和投入使用或注冊登記。

2020年12月28日發(fā)布的HJ 1014—2020《非道路柴油移動機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)口和銷售的560 kW（含560 kW）的非道路移動機械及裝用的柴油機必須符合本標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是對2014年頒布的GB 20891—2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》（“國三”、“國四”標(biāo)準(zhǔn)）[8]第四階段內(nèi)容的補充。該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為國內(nèi)非道路機械主機廠設(shè)定了“鬧鐘”，“國四”產(chǎn)品正式步入倒計時階段。相較于原標(biāo)準(zhǔn)，其中很重要的一項是增加了車載法檢驗的限值及檢測規(guī)程，并對車載便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）的相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了規(guī)定。

針對國內(nèi)急需的便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）需求，四方光電快速組織研發(fā)技術(shù)團隊攻關(guān)，實現(xiàn)了便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS）的國產(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)專門開發(fā)的一款便攜式排放檢測系統(tǒng)（PEMS），用于非道路、道路（輕型車及重型柴油車），產(chǎn)品可實現(xiàn)CO、CO2、NO、NO2、THC排放物濃度測量，以及顆粒物、排氣流量、GPS數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度、大氣壓力的測量，并具備測試過程引導(dǎo)、自動計算排放總量、導(dǎo)出測試報告等功能。此外，產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計，便攜電池支持6小時以上續(xù)航，滿足在用車車載排放檢測要求。

車載O2/NOx傳感器：發(fā)動機燃燒和污染物檢測控制

燃油發(fā)動機運行會釋放NOx，這類氣體形成的硝酸鹽是造成空氣污染的重要原因之一。NOx近年來已成為大氣污染治理的重點關(guān)注對象。SCR作為NOx的主要控制技術(shù)，在“國六”柴油機上全面普及。氮氧傳感器參與噴氨系統(tǒng)的閉環(huán)控制，是發(fā)動機排放系統(tǒng)的核心傳感器。

針對汽油車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引起排氣中氧濃度相應(yīng)的變化，通過在排氣管中設(shè)置O2傳感器，可實現(xiàn)O2傳感器對氧濃度的檢測，并向汽車的電子控制單元反饋信號。電子控制單元根據(jù)反饋信號及時調(diào)整噴油量，使混合氣的空燃比保持在理論值附近。

隨著“國六”標(biāo)準(zhǔn)的頒布及逐漸實施，O2及NOx傳感器前裝及后裝市場持續(xù)擴容，僅前裝市場年需求量就達(dá)百億元規(guī)模。但目前主要市場份額由境外廠商占據(jù)，國內(nèi)需求嚴(yán)重依賴進(jìn)口。為降低對境外廠商的依賴程度，國內(nèi)企業(yè)必須自主研發(fā)發(fā)動機燃燒和污染物檢測控制用的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，已經(jīng)實現(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，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)。