深耕气体传感器，助推发动机排放检测设备全面国产化进程

四方光电股份有限公司

导读：

环境污染一直都是大家关注的焦点问题，为了缓解机动车排放带来的大气污染，近年来，世界各国都在争相发展新能源汽车。虽然新能源汽车得到了长足的发展，但是现阶段以汽油、柴油为燃料的内燃机的应用仍然占据主导地位。怎样有效地控制汽车污染，仍然是全球关注且亟待解决的问题。

环保政策不断完善，发动机排放检测日趋严格

环保法规和标准是控制机动车排放污染的主要手段，为了给环境保驾护航，全球范围内各项环保法规和标准相继出台。目前，世界各国制定的汽车排放标准主要分为欧洲排放法规、美国排放法规和日本排放法规三大体系。欧洲标准是由欧洲经济委员会（ECE）的汽车废气排放法规和欧盟（EU）的汽车废气排放指令共同加以实现的；美国的汽车排放法规可分为联邦排放法规，即环境保护局（EPA）排放法规和加利福尼亚大气资源局（CARB）排放法规，其他各州可根据自身需要，选择使用加州法规或者使用联邦法规；日本法规是在20世纪80年代末期开始实施，2005年开始实施新的车辆排放标准，排放限值相较之前严格很多[1]。

我国环境保护部及国家质检总局制定、发布、实施了一系列控制机动车排放污染的环保法规和标准，排放法规日趋严格。2019年5月1日起开始实施GB 18285—2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》[2]和GB 3847—2018《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）》[3]；2019年7月1日起实施GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（“国六”标准）[4]；2020年7月1日起实施GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（“国六”标准）[5]；并将于2022年底全面实施HJ 1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》[6]，以防治非道路柴油移动机械排气污染物对环境的污染，进一步改善环境空气质量。这些法规和标准的实施，为中国排放检测领域的相关企业带来了更大的机遇和挑战。

国内排放检测现状，进口仪器设备垄断市场

汽车新产品的开发和新的排放控制技术的研究都离不开汽车排放检测系统。正确检测汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放物的形成及其控制技术和装置的重要前提。随着各国汽车排放标准的日趋严格，相关排放检测技术也在不断完善。

在汽车排放检测控制领域中，根据应用可以分为3类：（A）发动机、汽车排放研究和型式认证用排放检测设备，简称定容采样系统（CVS）或直采排放分析系统以及便携式排放检测系统（PEMS）；（B）发动机燃烧和污染物检测控制用传感器，主要是高温型的O2、NOx以及 SOOT 传感器；（C）检测和维修后市场I/M站用排放检测设备。除C类排放检测设备近年来通过采用进口和国产化的尾气平台结合测功机等基本实现了国产化以外，A类排放检测设备以及B类大批量、高价格的排放检测控制用传感器（例如：O2传感器年需求近亿支、NOx以及SOOT传感器每支价格接近1,000元）几乎都依靠进口。

用于排放研究和认证的高端汽车排放检测设备不同于一般的分析仪器，它包括了红外气体检测、化学发光或者紫外气体检测、加热型FID甚至在线色谱气体检测、重量法或者光学法颗粒物数量PN和质量PM 检测、CVS排气流量检测或者高湿瞬态尾气流量检测等核心模块。目前，国内分析仪器行业很少有企业同时具备气体分析领域的多种传感器技术平台以及发动机排放检测的专业知识，因此，实现这种既需要高技术，又需要高度集成的高端汽车排放检测设备具有较高的难度。

发动机燃烧和污染物检测控制用O2及NOx传感器是汽油车及柴油车的燃烧控制以及尾气后处理系统的重要部件，高温陶瓷芯片原材料的极限温差考验、HTCC芯片的制作以及封装工艺、传感器的软件测控等对企业的技术研发能力要求非常高。目前，国内市场多由国外厂商垄断，国内企业用户采购成本高昂。

发动机实验室排放检测系统：实现排气污染物循环试验

针对现状，各大国产仪器公司也在全力以赴，用实际行动推动发动机排放测试设备全产业国产化进程。四方光电针对国产发动机排放检测设备现状及相应的市场需求，自主完成实验室排放检测系统和道路测试用便携式排放检测系统（PEMS）的研发和生产，形成了从发动机实验室排放检测系统、便携式排放检测设备、I/M站检测设备，到终端用户汽车发动机尾气后处理系统用O2及NOx传感器的发动机排放检测的完整解决方案。

根据“国五”[7]、“国六”标准[4-5]，新型发动机应在测功机台架上进行排气污染物的循环试验。发动机实验室排放检测系统可以按照法规和标准规定的流程，实现对发动机排气进入大气情况的近似模拟，并完成排放气体取样和检测。该检测系统需要连续测量CO、CO2、NMHC（非甲烷总烃）、NOx等气态污染物及粉尘的浓度和排气质量流量，并记录到计算机系统中，需要集成多种气体传感技术。

四方光电基于核心气体传感技术平台的组合优势，自主研发发动机排放全流稀释定容采样系统（CVS）作为传感器的高端增值应用，其稳定性好，系统误差小于2%。与发动机直采系统Gasboard-9801配套使用，可以满足轻型汽油车排放法规GB 18352.6—2016[5]、重型商用车排放法规GB 17691—2018[4]以及摩托车相关排放的要求。

PEMS便携式排放检测系统：测量车辆实际行驶过程中污染物排放量

在“国六”标准以前，新型发动机或新车型在型式认证阶段主要是基于实验室数据验证尾气排放是否达标。但发动机在实验室中的运行状态与实际道路行驶状态存在较大差异，实验室数据可能并未真实反映发动机的实际排放情况。为解决上述问题，我国重型车“国六”标准均增加发动机便携排放检测系统（PEMS）测试，即将发动机便携排放检测系统安装在实际道路行驶的整车上，测量得到车辆在实际行驶过程中的污染物排放量。“国六”标准要求所有需进行型式检验的发动机及汽车进行前述检测，只有通过检测的新车才能生产、进口、销售和投入使用或注册登记。

2020年12月28日发布的HJ 1014—2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》要求[6]，从2022年12月1日起，所有生产、进口和销售的560 kW（含560 kW）的非道路移动机械及装用的柴油机必须符合本标准。该标准是对2014年颁布的GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（“国三”、“国四”标准）[8]第四阶段内容的补充。该标准的发布为国内非道路机械主机厂设定了“闹钟”，“国四”产品正式步入倒计时阶段。相较于原标准，其中很重要的一项是增加了车载法检验的限值及检测规程，并对车载便携式排放检测系统（PEMS）的相关技术要求进行了规定。

针对国内急需的便携式排放检测系统（PEMS）需求，四方光电快速组织研发技术团队攻关，实现了便携式排放检测系统（PEMS）的国产化。Gasboard-9805系列是四方光电基于自主研发的核心气体分析技术专门开发的一款便携式排放检测系统（PEMS），用于非道路、道路（轻型车及重型柴油车），产品可实现CO、CO2、NO、NO2、THC排放物浓度测量，以及颗粒物、排气流量、GPS数据、环境温湿度、大气压力的测量，并具备测试过程引导、自动计算排放总量、导出测试报告等功能。此外，产品采用模块化设计，便携电池支持6小时以上续航，满足在用车车载排放检测要求。

车载O2/NOx传感器：发动机燃烧和污染物检测控制

燃油发动机运行会释放NOx，这类气体形成的硝酸盐是造成空气污染的重要原因之一。NOx近年来已成为大气污染治理的重点关注对象。SCR作为NOx的主要控制技术，在“国六”柴油机上全面普及。氮氧传感器参与喷氨系统的闭环控制，是发动机排放系统的核心传感器。

针对汽油车排气污染物的主流净化方法是使用三元催化器，将CO、NOx、HC等有害气体转化为无害气体和水，其净化效率的高低取决于混合气浓度是否保持在理论空燃比附近。由于空燃比的变化会引起排气中氧浓度相应的变化，通过在排气管中设置O2传感器，可实现O2传感器对氧浓度的检测，并向汽车的电子控制单元反馈信号。电子控制单元根据反馈信号及时调整喷油量，使混合气的空燃比保持在理论值附近。

随着“国六”标准的颁布及逐渐实施，O2及NOx传感器前装及后装市场持续扩容，仅前装市场年需求量就达百亿元规模。但目前主要市场份额由境外厂商占据，国内需求严重依赖进口。为降低对境外厂商的依赖程度，国内企业必须自主研发发动机燃烧和污染物检测控制用的O2、NOx以及SOOT传感器。

四方光电基于高温共烧陶瓷（HTCC）、高温传感器封装等自有技术平台，已经实现传感器所需核心元器件芯片的自制，建成传感器所需的元器件芯片、封装及传感器生产线，并实现批量生产。