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環境污染一直都是大家關注的焦點問題，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展新能源汽車。雖然新能源汽車都得到了長足的發展，但是現階段以汽油、柴油為燃料的內燃機的應用仍然占據主導地位。怎樣有效地控制汽車污染，仍然是全球關注且亟待解決的問題。
為了給環境保駕護航，全球范圍內各項環保法規和標準相繼出臺。對我國而言，環境保護部、國家質檢總局等相關部門也針對發動機排放檢測制定了標準，確定了排放限值和檢測方法，同時也對相關的儀器技術提出了新的需求。鑒于此，各大儀器廠商在設備開發方面也躬身入局，為行業發展貢獻自己的力量。特別是針對中國科學儀器的市場現狀，一批國產儀器廠商在不斷突破，致力于提升儀器和核心關鍵部件水平，實現高端國產替代。本文將分析我國發動機排放檢測相關法規及儀器設備、市場現狀，并以四方光電為例分享國產儀器公司在儀器深耕方面所開展的工作和成果。
環保政策嚴控，發動機排放檢測越發嚴格
環保法規和標準是控制機動車排放污染的主要手段。目前，世界各國制定的汽車排放標準主要分為歐洲排放法規、美國排放法規和日本排放法規三大體系。歐洲標準是由歐洲經濟委員會(ECE)的汽車廢氣排放法規和歐盟(EU)的汽車廢氣排放指令共同加以實現的；美國的汽車排放法規可分為聯邦排放法規即環境保護局(EPA)排放法規和加利福尼亞大氣資源局(CARB)排放法規，并且其他各州可根據自身需要，選擇使用加州法規或者使用聯邦法規；日本法規開始實施是在20世紀80年代末期；2005年，日本開始實施新的車輛排放標準，排放限值相較之前嚴格很多。
我國環境保護部、國家質檢總局制定、發布、實施了一系列控制機動車排放污染的環保法規和標準，排放法規日趨嚴格。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)》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)》；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)》；2020年7月1日起實施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)》；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要求》，以防治非道路柴油移動機械排氣污染物對環境的污染，進一步改善環境空氣質量。這些法規和標準的實施，對中國排放檢測領域的相關企業帶來了更大的機遇和挑戰。
進口儀器設備壟斷市場，中小型發動機企業不堪重負
汽車新產品的開發和新的排放控制技術的研究都離不開汽車排放檢測系統。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和裝置的重要前提。隨著各國汽車排放標準的日趨嚴格,相關排放檢測技術也不斷地完善。
在汽車排放檢測控制領域中，根據應用可以分為三類：(A)發動機、汽車排放研究和型式認證用排放檢測設備，簡稱定容采樣系統(CVS)或直采排放分析系統以及便攜式排放檢測系統(PEMS)；(B)發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站用排放檢測設備。除C類排放檢測設備近年來通過采用進口和國產化的尾氣平臺結合測功機等基本實現了國產化以外，A類排放檢測設備以及B類大批量、高價格的排放檢測控制傳感器(O2傳感器年需求近億只、NOx以及SOOT傳感器價格每只接近1000元)，幾乎都依靠進口。
用于排放研究和認證的高端汽車排放檢測設備不同于一般的分析儀器，它包括了紅外氣體檢測、化學發光或者紫外氣體檢測、加熱型FID甚至在線色譜氣體檢測、重量法或者光學法顆粒物數量PN和質量PM 檢測、CVS排氣流量檢測或者高濕瞬態尾氣流量檢測等核心模塊。目前，國內分析儀器行業很少有企業同時具備氣體分析領域的多種傳感器技術平臺以及發動機排放檢測的專業知識，因此實現這種既需要高技術，又需要高度集成的高端汽車排放檢測設備具有較高的難度。
發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的技術研發能力要求非常高。目前國內市場多由國外廠商壟斷，國內企業用戶采購成本高昂。
各個擊破，推動發動機排放檢測設備全產業國產化進程
針對現狀，各大國產儀器公司也在全力以赴，用實際行動推動發動機排放測試設備全產業國產化進程。特別值得一提的是，科創版上市公司四方光電(股票代碼688665)針對國產發動機排放檢測設備現狀及相應的市場需求，自主完成實驗室排放檢測系統和道路測試用便攜式排放檢測系統(PEMS)的研發和生產，形成了從發動機實驗室排放檢測系統、便攜式排放檢測設備、I/M站檢測設備，到終端用戶汽車發動機尾氣后處理系統用O2及NOx傳感器的發動機排放檢測的完整解決方案。
發動機實驗室排放檢測系統：實現排氣污染物循環試驗
根據國五、國六標準，新型發動機應在測功機臺架上進行排氣污染物的循環試驗。發動機實驗室排放檢測系統可以按照法規和標準規定的流程，實現對發動機排氣進入大氣情況的近似模擬，并完成排放氣體取樣和檢測。該檢測系統需要連續測量CO、CO2、NMHC(非甲烷總烴)、NOx等氣態污染物及粉塵的濃度和排氣質量流量，并記錄到計算機系統中，需要集成多種氣體傳感技術。
四方光電基于核心氣體傳感技術平臺的組合優勢，自主研發發動機排放全流稀釋定容采樣系統(CVS)作為傳感器的高端增值應用，其穩定性好，系統誤差小于2%。與發動機直采系統Gasboard-9801配套使用，可以滿足輕型汽油車排放法規GB 18352-2016、重型商用車排放法規GB 17691-2018以及摩托車相關排放的要求。
圖：四方光電發動機排放檢測系統Gasboard-9801
圖：四方光電發動機排放全流稀釋定容采樣系統(CVS) Gasboard-9802
PEMS便攜式排放檢測系統：測量車輛實際行駛過程中污染物排放量
在國六標準以前，新型發動機或新車型在型式認證階段，主要是基于實驗室數據驗證尾氣排放是否達標，但發動機在實驗室中的運行狀態與實際道路行駛狀態存在較大差異，實驗室數據可能并未真實反映發動機的實際排放情況。為解決上述問題，我國重型車國六標準均增加發動機便攜排放檢測系統(PEMS)測試，即將發動機便攜排放檢測系統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。國六標準要求所有需進行型式檢驗的發動機及汽車進行前述檢測，且只有通過檢測的新車才能生產、進口、銷售和投入使用或注冊登記。
2020年12月28日發布的HJ 1014-2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》要求，從2022年12月1日起，所有生產、進口和銷售的560KW(含560KW)的非道路移動機械及裝用的柴油機，必須符合本標準。該標準是對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)》第四階段內容的補充。該標準的發布，為國內非道路機械主機廠設定了鬧鐘，國四產品的準備正式步入倒計時階段。相較于原標準，其中很重要的一項是增加了車載法檢驗的限值及檢測規程，并對車載便攜式排放檢測系統(PEMS)的相關技術要求進行了規定。
針對國內急需的便攜式排放檢測系統(PEMS)需求，四方光電快速組織研發技術團隊攻關，實現了便攜式排放檢測系統(PEMS)的國產化。Gasboard-9805系列是四方光電基于自主研發的核心氣體分析技術專門開發的一款便攜式排放檢測系統(PEMS)，用于非道路、道路(輕型車及重型柴油車)，產品可實現CO、CO2、NO、NO2、THC排放物濃度測量，以及顆粒物、排氣流量、GPS數據、環境溫濕度、大氣壓力的測量，并具備測試過程引導、自動計算排放總量、導出測試報告等功能。此外，產品采用模塊化設計，便攜電池支持6小時以上續航，滿足在用車車載排放檢測要求。
圖：四方光電便攜式排放檢測系統(PEMS)Gasboard-9805
車載O2/NOx傳感器：發動機燃燒和污染物檢測控制
燃油發動機運行會釋放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注對象。SCR作為NOx氮氧化物的主要控制技術，在國六柴油機上全面普及。氮氧傳感器參與噴氨系統的閉環控制，是發動機排放系統的核心傳感器。
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的變化，通過在排氣管中設置O2傳感器，可實現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。電子控制單元根據反饋信號及時調整噴油量，使得混合氣的空燃比保持在理論值附近。
隨著“國六”標準的頒布及逐漸實施，O2及NOx傳感器前裝及后裝市場持續擴容，僅前裝市場年需求量就達百億元規模。但目前主要市場份額由境外廠商占據，國內需求嚴重依賴進口。現在為降低對境外廠商的依賴程度，國內企業必須自主研發發動機燃燒和污染物檢測控制用的O2、NOx以及SOOT傳感器。
四方光電憑借多年在智能氣體傳感器領域的技術創新、精益生產、質量管控等硬實力，基于高溫共燒陶瓷(HTCC)、高溫傳感器封裝等自有技術平臺，已經實現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、封裝及傳感器生產線，并實現批量生產。四方光電通過上下游供應鏈整合，核心關鍵零部件自主生產，為客戶提供最優化的發動機配套O2、NOx及顆粒物傳感器產品解決方案，實現進口替代。
圖：四方光電O2/NOx/SOOT傳感器
四方光電的創業團隊來自于華中科技大學。副總經理董鵬舉畢業于華中科技大學內燃機專業，在汽車和發動機行業擁有豐富的工作經驗。董鵬舉告訴記者，作為科創版上市公司，四方光電的發展戰略一直圍繞服務國家重點行業以及重要需求。未來，四方光電將繼續加大發動機排放檢測設備和車用核心氣體傳感器的研發及產業化力度。一方面，公司將繼續完善發動機實驗室定容采樣CVS和直采系統、PEMS便攜檢測系統、以及I/M站排放檢測設備的國產化替代方案；另一方面，四方光電將為售后市場提供更高可靠性能的O2、NOx和SOOT傳感器產品，打贏發動機排放檢測設備“突圍戰”。
