高端國產替代正當時 四方光電打響發動機排放檢測設備“突圍戰”

環境污染一直是人們關注的焦點，近年來，世界各國都在競相開發新能源汽車，以緩解機動車排放造成的空氣污染。盡管新能源汽車取得了重大進展，但現階段以汽油和柴油為燃料的內燃機的應用仍占主導地位。如何有效控制汽車污染仍然是全球關注和亟待解決的問題。為了保護環境，世界各地都出臺了各種環境法規和標準。對于中國，環境保護部、國家質量監督檢驗檢疫總局等相關部門也制定了發動機排放測試標準，確定了排放限值和測試方法，并對相關儀器技術提出了新的要求。有鑒于此，各大儀器制造商也紛紛進入設備開發領域，為行業發展貢獻了自己的力量。特別是針對我國科學儀器的市場現狀，一批國產儀器制造商正在不斷突破，致力于提高儀器和核心關鍵部件的水平，實現高端國產替代。本文將以四方光電為例，分析我國發動機排放檢測的相關法規、儀器設備和市場現狀，分享國內儀器公司在儀器深化方面的工作和成果。嚴格的環境政策和越來越嚴格的發動機排放測試是通過環境法規和標準控制機動車排放和污染的主要手段。目前，世界各國制定的汽車排放標準主要分為三大體系：歐洲排放法規、美國排放法規和日本排放法規。歐洲標準由歐洲經濟委員會（ECE）的《汽車排放條例》和歐盟（EU）的《車輛排放指令》共同實施；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）排放法規和加州空氣資源局（CARB）排放法規，其他州可根據自身需要選擇使用加州法規或聯邦法規；日本法規的實施始于20世紀80年代末；2005年，日本開始實施新的汽車排放標準，排放限制比以前嚴格得多。環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局制定、發布并實施了一系列控制機動車排放污染的環境法規和標準，排放法規越來越嚴格。自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（雙怠速法和簡單工況法）》和GB 3847-2018《柴油車污染物排放量限值及測試方法（自由加速法和負載減速法）》；自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）》；自2020年7月1日起，執行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）》；

并于2022年底前全面實施HJ 1014-2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》，以防治非道路柴油機動機械排放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給我國排放檢測領域的相關企業帶來了更大的機遇和挑戰。進口儀器設備壟斷了市場，如果沒有汽車排放檢測系統，中小發動機企業就無法承擔開發新的汽車產品和研究新的排放控制技術的負擔。準確檢測汽車有害排放物的含量是研究汽車有害排放的形成、控制技術和裝置的重要前提。隨著各國對汽車排放標準的日益嚴格，相關排放檢測技術也在不斷完善。在汽車排放檢測和控制領域，根據應用可分為三類：（A）發動機、用于汽車排放研究和型式認證的排放檢測設備，簡稱定容采樣系統（CVS）或直接采樣排放分析系統，以及便攜式排放檢測系統（PEMS）；（B） 用于發動機燃燒和污染物檢測與控制的傳感器，主要是高溫O2、NOx和SOOT傳感器；

（C） 測試和維護后的市場I/M站排放測試設備。除了近年來通過使用進口和國產排氣平臺結合測功機基本實現國產化的C類排放檢測設備、A類排放檢測設備和B類大型排放檢測設備外，高價的排放檢測和控制傳感器（年需求量近1億個O2傳感器，NOx和SOOT傳感器各近1000元）幾乎都依賴進口。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。它包括紅外氣體檢測、化學發光或紫外線氣體檢測、加熱FID甚至在線色譜氣體檢測、重量或光學顆粒數量PN和質量PM檢測、CVS排氣流量檢測或高濕度瞬態排氣流量檢測等核心模塊。目前，國內分析儀器行業擁有氣體分析領域多傳感器技術平臺和發動機排放檢測專業知識的公司非常少。因此，實現既需要高技術又需要高集成度的高端汽車排放檢測設備具有很高的難度。用于發動機燃燒和污染物檢測與控制的O2和NOx傳感器是汽油和柴油車輛的燃燒控制和排氣后處理系統的重要組成部分。高溫陶瓷芯片原材料的極限溫差測試、高溫超導芯片的生產和封裝工藝、傳感器的軟件測試和控制，對企業的技術研發能力要求很高。目前，國內市場大多由外國制造商壟斷，國內企業用戶的采購成本較高。針對目前的情況，國內各大儀表公司也在通過實際行動，全力推動發動機排放檢測設備的全行業國產化。特別值得一提的是，科創板上市公司四方光電（股票代碼688665），針對國內發動機排放檢測設備的現狀和相應的市場需求，獨立完成了道路測試實驗室排放檢測系統和便攜式排放檢測系統（PEMS）的研發和生產。它已經形成了一系列發動機實驗室排放檢測系統、便攜式排放檢測設備和I/M站檢測設備，在最終用戶汽車發動機排氣后處理系統中使用O2和NOx傳感器進行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：為了實現排氣污染物循環測試，根據國五、國六標準，新發動機應在測功臺上進行排氣污染物循環檢測。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的近似模擬，并完成排放氣體的采樣和檢測。檢測系統需要連續測量CO、CO2、NMHC（非甲烷總烴）、NOx和灰塵等氣體污染物的濃度以及排氣質量流量，并將其記錄在計算機系統中。它需要集成多種氣體傳感技術。基于核心氣體傳感技術平臺的綜合優勢，四方光電自主研發了發動機排氣全流量稀釋定容采樣系統（CVS），作為傳感器的高端增值應用。其穩定性良好，系統誤差小于2%。當與Gasboard-9801發動機直噴系統配合使用時，它可以滿足輕型汽油車GB 18352-2016、重型商用車GB 17691-2018和摩托車的排放規定。

圖：四方光電發動機的燃氣板-9801排放檢測系統

圖：四方光電發動機排放全流量稀釋定容采樣系統（CVS）Gasboard-9802PEMS便攜式排放檢測系統：被測車輛實際行駛過程中的污染物排放在國六標準之前，處于型式認證階段的新發動機或新車型主要基于實驗室數據驗證……

o驗證廢氣排放是否達標，但實驗室中發動機的運行狀態與實際道路行駛狀態有顯著差異，實驗室數據可能無法真實反映發動機的實際排放。為了解決上述問題，中國的重型汽車國六標準增加了發動機便攜式排放檢測系統（PEMS）測試，該測試涉及在實際道路駕駛車輛上安裝發動機便攜式排放監測系統，以測量車輛在實際駕駛過程中的污染物排放。國六標準要求所有需要型式檢驗的發動機和車輛都要經過上述測試，只有通過測試的新車才能生產、進口、銷售、投入使用或注冊。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，自2022年12月1日起，所有生產、進口和銷售的560KW（含560KW）非道路移動機械和已安裝的柴油發動機必須符合本標準。本標準是對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（中國第三階段和第四階段）》第四階段的補充。該標準的發布為國內非道路機械生產企業敲響了警鐘，國四產品的研制工作正式進入倒計時階段。與原始標準相比，最重要的方面之一是增加了車載方法檢查的限值和測試程序，并提供了車載便攜式排放檢測系統（PEMS）的相關技術要求。為應對中國對便攜式排放檢測系統（PEMS）的迫切需求，四方光電迅速組織研發技術團隊進行攻關，實現了便攜式排放探測系統（PEMS）的國產化。Gasboard-9805系列是四方光電基于其自主研發的核心氣體分析技術開發的便攜式排放檢測系統（PEMS），用于非道路和道路（輕型車和重型柴油車）。該產品可以測量CO、CO2、NO、NO2、THC排放的濃度，以及顆粒物、排氣流量、GPS數據、環境溫度和濕度、大氣壓力的測量，并具有測試過程指導和總排放量自動計算出口測試報告等功能。此外，該產品采用模塊化設計，便攜式電池支持6小時以上續航里程，滿足在用車排放檢測要求。

圖：四方光電便攜式排放檢測系統（PEMS）的Gasboard-9805車載O2/NOx傳感器：發動機燃燒和污染物檢測控制。燃料發動機運行會釋放NOx，這是硝酸鹽形成造成空氣污染的重要原因之一。近年來，氮氧化物已成為大氣污染控制的一個重點。SCR作為NOx和氮氧化物的主要控制技術，在我國VI型柴油機中得到了廣泛的應用。氮氧傳感器參與氨噴射系統的閉環控制，是發動機排放系統的核心傳感器。汽油車尾氣污染物的主流凈化方法是使用三元催化轉化器將CO、NOx和HC等有害氣體轉化為無害氣體和水。凈化效率取決于混合物濃度是否保持在理論空燃比附近。由于空燃比的變化，可能會導致排氣中氧氣濃度的相應變化。通過在排氣管中設置O2傳感器，O2傳感器可以檢測氧氣濃度，并向汽車的電子控制單元提供反饋信號。電子控制單元基于反饋信號及時調整燃料噴射量，使得混合物的空燃比保持在理論值附近。隨著“國六”標準的頒布和逐步實施，O2和NOx傳感器的安裝前和安裝后市場不斷擴大，僅安裝前市場的年需求就高達數百億元。但目前，主要市場份額被外國制造商占據，國內需求嚴重依賴進口。為了減少對外國制造商的依賴，國內企業必須自主開發用于發動機燃燒和污染物檢測和控制的O2、NOx和SOOT傳感器……

ol中。憑借多年在智能氣體傳感器領域的技術創新、精益生產和質量控制，四方光電基于自身的高溫共燒陶瓷（HTCC）和高溫傳感器封裝等技術平臺，實現了傳感器核心組件芯片的自主生產。它已經建立了傳感器的組件芯片、封裝和傳感器生產線，并實現了大規模生產。四方光電整合上下游供應鏈，自主生產核心關鍵零部件，為客戶提供發動機配套O2、NOx和顆粒物傳感器產品的優化解決方案，實現進口替代。

圖片：四方光電O2/NOx/SOOT傳感器四方光電的創業團隊來自華中科技大學。董鵬舉副總經理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，作為科創板上市公司，四方光電的發展戰略始終圍繞著服務國家重點行業和重要需求。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究和產業化力度。一方面，公司將繼續完善發動機實驗室定容采樣CVS和直接采樣系統、PEMS便攜式檢測系統、I/M站排放檢測設備的國產替代解決方案；另一方面，四方光電將為售后市場提供更高可靠性的O2、NOx和SOOT傳感器產品，打贏發動機排放檢測設備的“突圍戰”。

標簽：世紀大發

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