對柴油機尿素品質傳感器技術路線分析,大學論文內容摘要：隨著環境問題的日益顯現，環保部門制定了嚴格的排放法規，市場監管和檢查也嚴格落實到位，尤其是到國六階段[1][2]，排放要求非常嚴苛，為此，柴油發動機均配備了SCR系統(SelectiveCatalyticReduction選擇性催化復原技術)，以減少尾氣中的NOX(氮氧化物)排放，華而不實SCR系統的添加劑就是車用尿素。車用尿素溶液為32.5%尿素和67.5%去離子水的高純溶液，其濃度對車輛使用影響重大，直接影響車輛動力性、燃油經濟性、排放合理性以及OBD監測要求，因而，需要對尿素濃度施行實時監測，檢測尿素濃度的傳感器就是尿素品質傳感器，下文中將對尿素品質傳感器作進一步分析。本文關鍵詞語：柴油機;車用尿素;尿素濃度;尿素品質傳感器;0引言隨著排放法規的日益加嚴，對于柴油發動機，除了對發動機機內排放進行嚴格控制外，即嚴格控制裸排水平，還需借助全新的機外后處理凈化技術，采用愈加先進的技術，對排放污染物進行控制和處理，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中具有明顯優勢，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，它主要是從工業尿素中進一步提純得到，去離子水的雜質含量也有嚴格的要求，當加熱至160C時，分解成氨氣〔NH3〕和水。在SCR系統中，尿素溶液的濃度非常重要，尿素濃度不合適將造成反響不充分，引起尾氣不達標，尿素溶液的結晶也是行業難題，并且結晶點也受尿素濃度的影響，經過相關人員的反復測試，發現尿素濃度在32.5%時，尿素結晶溫度最低，因而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、尾氣排放等起著關鍵性的作用。所有尿素箱中都要安裝尿素品質傳感器以實時監測尿素的品質情況，尿素品質傳感器的原理有：比熱容原理、聲學原理、光學原理，由于比熱容原理的尿素品質傳感器市場使用率極低，下面主要對聲學式和光學式品質傳感器進行分析和講明。1聲學原理技術道路聲學原理又能夠分為兩種，一種是類似于音叉密度計的原理，即元件的構造相當于兩齒的音叉，叉體因位于叉根的壓電晶體產生振動，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，叉體被穩定在固有頻率上，當介質流經叉體時，引起諧振頻率的變化，轉化為對溶液溶度的測量。[3]另一種是根據超聲波在不同介質中速度不同，通過測量聲波在一個固定距離內，聲波信號的發射與反射接收所用的時間，測量在液體中聲速，進而得到尿素溶液濃度，依此進行傳感器技術開發。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℃，超聲波在標準尿素溶液〔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，如此圖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，如此圖2所示。圖1不同溫度下的速度變化圖2不同尿素濃度下的速度變化利用超聲波探頭〔收發一體〕發出聲波脈沖到反射擋板，然后反射回探頭，通太多次循環計算平均飛行時間〔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，如此圖3所示。根據此理論設計的尿素濃度傳感器稱為超聲波式濃度傳感器。2光學原理技術道路光學原理，即利用光在不同介質界面傳播時，會產生折射現象，當尿素濃度改變時，折射率也會發生變化，通過建立車用尿素濃度和光折射率的關系，即根據光在不同尿素濃度下的折射率不同，進行傳感器技術開發。顯而易見，這種技術道路的尿素品質傳感器，其對光路的穩定性要求較高。圖5尿素品質傳感器原理圖圖3聲波傳輸測試當光源從光密介質射入到光疏介質時，會發生折射與反射。當入射角臨界角時，入射光線會發生全發射，如此圖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〔SnellsLaw〕的典型應用。根據斯涅爾定律理論，介質的折射率隨介質濃度的變化而變化，通過反射臨界角n2〔尿素〕與n1〔殼體〕之間的折射率關系，設計的尿素濃度傳感器稱為光電式濃度傳感器。3構造原理圖品質傳感器的主電路能夠辨別液位傳感器的輸出信號，并且最終通過CAN輸出尿素液位、尿素質量和尿素溫度信號，原理圖見圖5，發動機ECM接收到信號后，根據發動機和整車輸入的各種信號數據，進行綜合判定，以保證發動機和整車正常工作。華而不實，液位傳感器一般是電容式或者簧片開關式，可同時檢測尿素溶液的液位和溫度；品質傳感器一般式下潛式構造，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傳感器，再統一由品質傳感器把信息流〔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線發布到ECM。4超聲波式和光電式品質傳感器比照根據兩種傳感器的技術原理，超聲波式品質傳感器不受介質的濁度、色度、流態的干擾，響應快，測量精度高，但抗氣泡干擾能力差，極易受氣泡的影響；光電式品質傳感器抗氣泡干擾能力較超聲波式更優，但對光比擬敏感，需要遮光使用，并且對使用環境的清潔度要求高，由于尿素經過反復解凍后，容易出現絮狀漂流物，影響測量精度，同時，光電式傳感器的透明發光體，耐久使用后，容易出現泛黃、變色，使其透光率下降，導致測量結果出現異常。通過綜合評估超聲波式傳感器和光電式傳感器的優劣勢現在狀況，這兩種型式的傳感器在市場上都有特定的使用場景，導致其在市場上同時存在。5結論在實際使用經過中，因國內資源及技術成熟度考慮，超聲波式尿素品質傳感器占主流。車用尿素在加注經過中會產生大量氣泡，附著在品質傳感器探頭外表，影響傳感器對濃度的真實檢測，導致尿素誘導系統觸發，這也成為一項行業難題，以上兩種原理的品質傳感器都無法克制，并且車輛在顛簸路面行駛時，尿素在尿素箱中也會產生氣泡，為減輕氣泡影響，常見的方式方法是在探頭上加裝護套，護套能夠隔絕氣泡，考慮對尿素解凍的影響，探頭護套又不能做成全封閉式，所以，護套理論上不能完全消除氣泡影響，另一種方式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階段，還未市場化，因而，怎樣消除氣泡對品質傳感器的影響，將繼續困擾尿素品質傳感器研發者和使用者，假如哪家尿素品質傳感器供給商開發出消除氣泡影響的裝置，這家供給商將占領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發展。另外，尿素品質傳感器核心零部件還嚴重依靠國外技術和產品供給，面對SCR系統的廣泛使用，怎樣實現尿素濃度傳感器開發技術和批產的徹底國產化，將可大幅度降低傳感器的成本，并實現產品自主，解除這項卡脖子問題，具有深遠的現實意義。以下為參考文獻[1]環境保衛部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB18352.6-2021，輕型汽車污染物排放限值及測量方式方法〔中國第六階段〕[S].北京：中國環境科學出版社，2021.[2]生態環境部，國家市場監督管理總