对柴油机尿素品质传感器技术路线分析

　　摘要：随着环境问题的日益显现，环保部门制定了严格的排放法规，市场监管和检查也严格落实到位，尤其是到国六阶段[1][2]，排放要求非常严苛，为此，柴油发动机均配备了SCR系统(Selective Catalytic Reduction选择性催化还原技术)，以减少尾气中的NOX(氮氧化物)排放，其中SCR系统的添加剂就是车用尿素。车用尿素溶液为32.5%尿素和67.5%去离子水的高纯溶液，其浓度对车辆使用影响重大，直接影响车辆动力性、燃油经济性、排放合理性以及OBD监测要求，因此，需要对尿素浓度实施实时监测，检测尿素浓度的传感器就是尿素品质传感器，下文中将对尿素品质传感器作进一步分析。

　　关键词：柴油机; 车用尿素; 尿素浓度; 尿素品质传感器;

　　0 引言

　　随着排放法规的日益加严，对于柴油发动机，除了对发动机机内排放进行严格控制外，即严格控制裸排水平，还需借助全新的机外后处理净化技术，采用更加先进的技术，对排放污染物进行控制和处理，常见后处理有：NSC+SDPF+SCR、NSC+CDPF+SCR、DOC+SDPF+SCR、DOC+CDPF+SCR[3]，无一例外，SCR都是必备装置，SCR方案在柴油车尾气排放处理系统中具有明显优势，而车用尿素是SCR方案的必需添加剂，车用尿素是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，在不同地方的叫法不同，在中国及欧洲成为Ad Blue，在美国称为DEF，尿素溶液为含有32.5%尿素和67.5%去离子水的高纯透明溶液，具有淡淡的氨水气味，车用尿素晶体的纯度较高，它主要是从工业尿素中进一步提纯得到，去离子水的杂质含量也有严格的要求，当加热至160°C时，分解成氨气（NH3）和水。

　　在SCR系统中，尿素溶液的浓度非常重要，尿素浓度不适合将造成反应不充分，引起尾气不达标，尿素溶液的结晶也是行业难题，并且结晶点也受尿素浓度的影响，经过相关人员的反复测试，发现尿素浓度在32.5%时，尿素结晶温度最低，因此车用尿素浓度确定为32.5%。

　　车用尿素及尿素浓度对车辆的动力、油耗、尾气排放等起着关键性的作用。所有尿素箱中都要安装尿素品质传感器以实时监测尿素的品质情况，尿素品质传感器的原理有：比热容原理、声学原理、光学原理，由于比热容原理的尿素品质传感器市场使用率极低，以下主要对声学式和光学式品质传感器进行分析和说明。

　　1 声学原理技术路线

　　声学原理又可以分为两种，一种是类似于音叉密度计的原理，即元件的结构相当于两齿的音叉，叉体因位于叉根的压电晶体产生振动，振动的频率通过位于另一个叉指上的压电晶体而检测出来，通过移相和电路放大及处理，叉体被稳定在固有频率上，当介质流经叉体时，引起谐振频率的变化，转化为对溶液溶度的测量。[3]另一种是根据超声波在不同介质中速度不同，通过测量声波在一个固定距离内，声波信号的发射与反射接收所用的时间，测量在液体中声速，从而得到尿素溶液浓度，依此进行传感器技术开发。通过测量可知，超声波在空气中速度为340m/s@20℃（注：测试温度为20℃），超声波在纯水中的速度为1480m/s@20℃，超声波在标准尿素溶液（浓度为32.5%）中的速度为1620m/s@20℃。在不同温度下，超声波在水和尿素中的传输速度，如图1所示。在不同浓度的尿素溶液中，超声波的传输速度也不同，如图2所示。

　　图1 不同温度下的速度变化   

　　图2 不同尿素浓度下的速度变化  

　　利用超声波探头（收发一体）发出声波脉冲到反射挡板，然后反射回探头，通过多次循环计算平均飞行时间（TOF），在固定温度以及尿素浓度的测试条件下，TOF几乎式固定不变的，如图3所示。根据此理论设计的尿素浓度传感器称为超声波式浓度传感器。

　　2 光学原理技术路线

　　光学原理，即利用光在不同介质界面传播时，会产生折射现象，当尿素浓度改变时，折射率也会发生变化，通过建立车用尿素浓度和光折射率的关系，即根据光在不同尿素浓度下的折射率不同，进行传感器技术开发。显而易见，这种技术路线的尿素品质传感器，其对光路的稳定性要求较高。

　　图5 尿素品质传感器原理图   

　　图3 声波传输测试   

　　当光源从光密介质射入到光疏介质时，会发生折射与反射。当入射角≥临界角时，入射光线会发生全发射，如图4所示，此临界角的大小由尿素浓度决定，这就是“斯涅尔定律（Snell’s Law）”的典型应用。

　　根据“斯涅尔定律”理论，介质的折射率随介质浓度的变化而变化，通过反射临界角n2（尿素）与n1（壳体）之间的折射率关系，设计的尿素浓度传感器称为光电式浓度传感器。

　　3 结构原理图

　　品质传感器的主电路能够识别液位传感器的输出信号，并且最终通过CAN输出尿素液位、尿素质量和尿素温度信号，原理图见图5，发动机ECM接收到信号后，根据发动机和整车输入的各种信号数据，进行综合判断，以保证发动机和整车正常工作。

　　其中，液位传感器一般是电容式或者簧片开关式，可同时检测尿素溶液的液位和温度；品质传感器一般式下潜式结构，可同时检测尿素浓度和温度，并且液位传感器测试的液位和温度信息，通过硬线传输至品质传感器，再统一由品质传感器把信息流（液位+浓度+温度+诊断），通过CAN线输出给主电路板，再通过整车CAN线发布到ECM。

　　4 超声波式和光电式品质传感器对比

　　根据两种传感器的技术原理，超声波式品质传感器不受介质的浊度、色度、流态的干扰，响应快，测量精度高，但抗气泡干扰能力差，极易受气泡的影响；光电式品质传感器抗气泡干扰能力较超声波式更优，但对光比较敏感，需要遮光使用，并且对使用环境的清洁度要求高，因为尿素经过反复解冻后，容易出现“絮状”漂流物，影响测量精度，同时，光电式传感器的透明发光体，耐久使用后，容易出现泛黄、变色，使其透光率下降，导致测量结果出现异常。

　　通过综合评估超声波式传感器和光电式传感器的优劣势现状，这两种型式的传感器在市场上都有特定的使用场景，导致其在市场上同时存在。

　　5 结论

　　在实际使用过程中，因国内资源及技术成熟度考虑，超声波式尿素品质传感器占主流。车用尿素在加注过程中会产生大量气泡，附着在品质传感器探头表面，影响传感器对浓度的真实检测，导致尿素诱导系统触发，这也成为一项行业难题，以上两种原理的品质传感器都无法克服，并且车辆在颠簸路面行驶时，尿素在尿素箱中也会产生气泡，为减轻气泡影响，常见的方法是在探头上加装护套，护套可以隔绝气泡，考虑对尿素解冻的影响，探头护套又不能做成全封闭式，所以，护套理论上不能完全消除气泡影响，另一种方法是在尿素加注枪上使用气泡消除装置，使注入到尿素箱中的气泡量尽可能低，这种装置正处于研发阶段，还未市场化，因此，如何消除气泡对品质传感器的影响，将继续困扰尿素品质传感器研发者和使用者，如果哪家尿素品质传感器供应商开发出消除气泡影响的装置，这家供应商将占领全球尿素传感器市场，并将极大推动尿素浓度传感器的技术发展。

　　另外，尿素品质传感器核心零部件还严重依赖国外技术和产品供应，面对SCR系统的广泛使用，如何实现尿素浓度传感器开发技术和批产的彻底国产化，将可大幅度降低传感器的成本，并实现产品自主，解除这项“卡脖子”问题，具有深远的现实意义。

　　参考文献

　　[1] 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局. GB18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2016.

　　[2] 生态环境部，国家市场监督管理总局. GB17691-2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国标准出版社，2018.

　　[3]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

　　[4]李江兵，赵挺，樊华春.轻型柴油机国六后处理技术路线探讨[J].内燃机与配件，2020(21):38-39.