基于柴油發動機國六排放應用的氮氧化物傳感器碳顆粒堵塞問題研究

胡金東,類雪,田曉靜,薛振宇

[博世汽車系統(無錫)有限公司，江蘇無錫 214000]

0 引言

國家標準《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(簡稱國六排放法規)已于2021年7月1日起在全國范圍內全面實施。對比之前的國五排放法規，國六排放法規對氮氧化物和顆粒物的排放限值都有了大幅下降。為了滿足法規的排放要求，針對能夠滿足排放法規各種技術路線的優缺點，主流方案大都采用了柴油催化氧化器、顆粒物捕集器和選擇性催化還原器的路線來滿足排放法規的相關要求。眾所周知，氮氧化物(NO)是柴油發動機主要的排放污染物之一，為了降低氮氧化物的排放，選擇性催化還原器系統最早從國四排放階段就開始投入使用，尿素水溶液噴射后分解出氨氣(NH)，還原劑NH與尾氣中的NO發生反應，最終產物為氮氣(N)和水(HO)。為了實現尿素噴射量的精確控制以及最終尾排的監控，車用氮氧化物傳感器通常會被分別布置在柴油催化氧化器上游及選擇性催化還原器下游，以實現對NO排放的閉環控制。

柴油發動機由于本身燃燒特性的影響，局部區域有可能存在不完全燃燒，從而產生羥基酸和樹脂狀膠質(碳煙)，久而久之，碳煙附著在零部件的表面最終變為積碳。陸軍、金軍平等對柴油機積碳成因、預防以及清除的方法已經做了充分的研究。針對氮氧化物傳感器在實車上的應用，主流傳感器生產供應商都提出了相應的邊界條件，其中針對柴油催化氧化器上游的應用，為了避免傳感器被積碳堵塞，柴油發動機積碳相關的驗證也被列為產品放行的必要考量因素之一。然而由于發動機生產一致性的差異，以及發動機老化的影響，碳煙的原排還是給很多柴油催化氧化器上游安裝的氮氧化物傳感器造成了不良的影響，從終端客戶車輛上拆線的失效件來看，如果傳感器金屬保護套已經被積碳完全覆蓋，則會大大降低傳感器的響應速度，嚴重影響傳感器的正常工作。為了提高NO傳感器抗積碳的魯棒性，傳感器供應商一直在不斷優化傳感器金屬保護套的結構設計，改善傳感器內部的氣流環境。同時進行了相關的仿真模擬，以驗證不同保護套的抗積碳能力。

針對氮氧化物傳感器的積碳影響，文中采用了發動機臺架和實車路試驗證的方法，通過總長超過100 h的巴黎循環試驗，對比了兩家氮氧化物傳感器供應商產品的抗積碳魯棒性的差異。試驗過程中，每隔8 h，試驗人員會檢測傳感器的響應時間，并通過內窺鏡觀察金屬保護套表面的積碳情況。試驗結果表明供應商1的產品在抗積碳魯棒性方面優于供應商2的產品。同時，試驗者也驗證了不同安裝條件下傳感器的積碳情況差異，試驗表明柴油催化氧化器進口錐面安裝更易于造成傳感器探頭被積碳堵塞。

1 試驗部分

1.1 氮氧化物傳感器

目前市場上常用的車規級氮氧化物傳感器主要來自兩家國際化供應商。兩家產品的工作原理基本相同，都是基于能斯特原理進行測量。汽車尾氣通過傳感器金屬保護殼上的氣孔進入傳感器內部與氧化鋯陶瓷接觸，發生電化學反應，氮氧化物中的氧離子被泵出，通過測量泵電流的大小從而計算出氮氧化物的含量。

為了及時為整車系統提供尾氣中的氮氧化物含量，傳感器的響應時間作為評價傳感器表現的重要指標并被各大主機廠和整車廠所關注。以供應商1生產的產品為例，合格氮氧化物傳感器的氧信號在正常工作條件下其生命周期內的響應時間不得超過800 ms，氮氧化物信號響應時間不得超過1 800 ms。即將傳感器置于一定氣體成分配比(氧氣、氮氧化物、氮氣等)、一定氣體流速的環境中，突然改變氣體中的氧氣濃度或氮氧化物濃度，傳感器輸出信號達到90%目標濃度與達到10%目標濃度所需的時間之差，對于氧信號時間差值不得高于800 ms，對于氮氧信號時間差值不得高于1 800 ms。通常氧信號的響應時間和氮氧化物的響應時間有強正相關性，所以以氧信號作為研究傳感器響應時間變化的主要關注變量。

通常傳感器的金屬保護套是多層的套管結構，表層的側面和端面以及內層的側面都留有一定數量的通氣孔。通氣孔直徑的大小直接影響傳感器的響應時間，大孔徑的通氣孔意味著氣體能夠更快地達到氧化鋯陶瓷體測量單元，在尾氣中氮氧化物成分快速變化時才能夠更快地被傳感器檢測出來。另外在所有的通氣孔都被完全封死的狀態下，將沒有尾氣能夠進入傳感器測量單元，這種情況下傳感器的響應時間會達到無限長。當然通氣孔也不是越大越好，由于氧化鋯陶瓷只有在780 ℃的工作溫度下才能正常測量，過快的氣體流速會迅速帶走傳感器陶瓷的熱量，使傳感器無法達到780 ℃的工作溫度，從而對測量產生不良影響。綜上所述，傳感器金屬套管的設計需要同時兼顧傳感器的動態響應和保溫能力，不同的產品供應商的設計存在著很大的差異。因此不同供應商的產品在抗積碳堵塞的性能上也存在著一定的差異。

1.2 巴黎循環試驗

為了驗證發動機和整車的各項性能，有關部門制定了各種測試循環，通過發動機在不同扭矩和轉速條件下來驗證發動機或整車的排放和油耗等參數，以確保車輛能夠滿足法規的相關要求。常用的測試循環都有相對長時間的全速全負荷工作過程，在此過程中，發動機的燃燒都比較充分，碳顆粒的原排相對較低，同時過高的尾氣排溫甚至有可能將已有的積碳燒掉，從而大大延長試驗時間。同時，此類循環的進氣量和排氣量都比較大，尾氣流速也比較快，過快的流速也不利于碳顆粒的積聚。因此為了在較短時間內完成不同傳感器保護套管結構對積碳的抵抗能力的比較驗證，需要選擇排溫相對較低、排氣流速偏低、碳顆粒原排相對較高的循環。綜合考慮各種因素，選擇了用于表征車輛在擁堵城市路況下行駛的巴黎循環作為測試循環。此測試循環執行一次的持續時間約為30 min，車速、尾氣流速以及排氣溫度的路譜如圖1所示。

圖1 巴黎循環路譜

1.3 臺架試驗安排

1.3.1 氮氧化物傳感器的安裝

除了傳感器自身探頭金屬套管的結構影響傳感器動態響應之外，尾氣的流場分布對其也有著重要的影響：在高流速環境中傳感器的響應時間會小于置于低流速環境中傳感器的響應時間。如果安裝位置存在渦流或死區，響應時間也會相應增大。文中主要討論不同廠家的傳感器金屬保護套管設計在實際應用中的抗積碳表現差異，所以試驗通過將不同供應商的傳感器布置在尾氣流場分布相同(至少是相近)的位置，以排除由于流場的差異而對試驗結果造成的影響。

氮氧化物在尾氣管中并不是完全均勻分布的，通常會聚積在管路的上部，供應商對傳感器的安裝位置和狀態都有明確的要求。試驗中選取不同供應商的傳感器各一支為一組，為了確保同一組傳感器的工作環境基本一致，將被測樣品放置于增壓器之后的直管上，在同一橫截面基于中線對稱安裝，傳感器與水平方向的夾角分別為15°、45°和60°。傳感器探頭軸向與尾氣流方向保持垂直。同時，為了驗證柴油催化氧化器入口錐面對于積碳的影響，試驗也在柴油催化氧化器入口錐面上對稱位置安裝了供應商1和供應商2的氮氧化物傳感器各一支。為了更好地觀察積碳的過程，每一組傳感器安裝位置下游5 cm處布置有觀測孔，測試循環過程中用堵頭塞住，試驗者定期會用內窺鏡觀察傳感器探頭表面的積碳情況。發動機臺架安裝布置示意如圖2所示。

圖2 發動機臺架安裝布置示意

1.3.2 氮氧化物傳感器響應時間測量

試驗過程中，為了避免拆裝傳感器時發生磕碰導致破壞已形成的積碳表面，傳感器響應時間會通過試驗過程中實時測量得到的氧信號進行估算。在測試時，將發動機在1 200 r/min工況下由正常工作轉為倒拖，此時由于沒有燃油噴射，所以尾氣的成分為純空氣。尾氣中氧氣的濃度大約從10%迅速提升到21%。在此過程中，傳感器的信號表現如圖3所示。

圖3 氮氧傳感器氧濃度t測量示意

通過記錄氧濃度上升至10%以及90%的時間，計算出時間差，該時間差即傳感器氧濃度信號的響應時間。此計算方法受發動機狀態影響，每次進入倒拖的過程無法做到完全一樣，所以同一支傳感器的響應時間多次計算的結果也會出現一定的波動。

1.3.3 試驗設備

試驗所用到的設備如下：

最新型氮氧化物傳感器(供應商1)：5支(4支用于臺架測試，1支用于整車測試)。

最新型氮氧化物傳感器(供應商2)：5支(4支用于臺架測試，1支用于整車測試)。

發動機：新晨 ZD25 2.5 L發動機。

整車：上汽 SMCV SV91 AT。

數據記錄設備:ETAS 581；CAN CASE VN1610。

分析軟件：INCA 7.2；MDA 8.3；CAN Analyzer 12.0。

1.3.4 測試流程

發動機臺架測試流程如圖4所示。

圖4 發動機臺架試驗流程

2 試驗結果與討論

2.1 氮氧化物傳感器初始狀態響應時間

傳感器初始狀態下在氣體臺架上的響應時間測量結果見表1。

表1 氮氧傳感器被測樣品初始響應時間(氣體臺架)測量結果 單位：ms

注：表示此部件并非全新的部件，所以響應時間略高于其他全新產品。

由于不同供應商在傳感器金屬保護套管的結構設計上存在差異，初始狀態下供應商1的氮氧化物傳感器在響應時間表象上要優于供應商2的部件。但是此次試驗的主要目的是驗證在同等安裝條件和碳顆粒原排的環境下,不同廠家的氮氧化物傳感器的抵抗積碳的能力。主要比較的參數是一定循環次數試驗過后傳感器的響應時間的增量，增量越大證明傳感器的響應時間發生了更為嚴重的惡化。然后結合傳感器金屬保護管上進出氣孔的狀態的內窺鏡觀察結果，就能夠對不同結構的保護套管抗積碳能力差異進行定性和定量的比較。

由第1節可知，傳感器的響應時間也受安裝位置的氣體流場分布的影響。安裝到發動機臺架上后，由于受臺架管路的影響，傳感器的響應時間有所增加。安裝在發動機臺架的8個樣件初始響應時間測量結果見表2。

表2 氮氧化物傳感器被測樣品初始響應時間(發動機臺架)測量結果 單位：ms

2.2 發動機臺架測試

如圖5所示，發動機臺架試驗開始的20個循環過程中，安裝在直管上的每支被測樣品的響應時間隨著試驗循環測試有所波動，但是總體變化不大。20次循環后，響應時間增幅最大的樣件C3為113 ms，而增幅最小的樣件是B4，響應時間反而減小了62 ms。其余被測樣件的響應時間也有增有減。因此對于直管安裝的傳感器，預設的巴黎循環試驗的碳顆粒原排對試驗驗證并無明顯影響。20次循環后各個傳感器金屬保護套管上的進出氣孔的情況如圖6所示，每個被測樣品的金屬保護套管表面粘上了少許黑色的積碳，但是進出氣孔的基本沒有被積碳影響，孔徑未發生明顯變化。

圖5 直管安裝的被測樣品前20次循環過程中響應時間變化

圖6 直管安裝的被測樣品前20次循環后金屬保護套管表面積碳情況

B2和C2兩支傳感器安裝在柴油催化氧化器入口的錐面上，由于錐面的截面積4倍于直管段截面積，通過質量守恒可得，錐面處的氣體平均流速僅為直管中氣體流速的1/4，因此裝在錐面的傳感器的響應時間略高于直管安裝的傳感器。響應時間的變化如圖7所示，C2樣件增幅較大，為1 950 ms。金屬套管表面的積碳情況如圖8(a)所示，進出氣孔已經被積碳堵塞;而B2樣件金屬套管上的進出氣孔還清晰可辨如圖8(b)所示，其響應時間反而減少了70 ms。

圖7 錐面安裝的被測樣品前20次循環過程中響應時間變化

圖8 錐面安裝的被測樣品前20次循環后金屬保護套管表面積碳情況

在試驗前20個循環中，通過排放儀監控可知，被測循環的發動機原排產生的碳顆粒為3.5 g/kW。雖然此數值已遠高于法規要求的循環限值，但是要盡快使傳感器響應時間和進出氣孔發生肉眼可見的變化，碳顆粒的排放數值還需要進一步提升。因此，為了加快試驗的進程，試驗者通過對發動機標定參數的調整，進一步將發動機碳顆粒的原排劣化到8 g/kW。

原排劣化后又進行了10個循環后，安裝在直管上所有被測樣品的響應時間隨著循環次數增加的變化趨勢如圖9所示。所有樣品的響應時間增加速率大幅提升。10次循環后，增幅最大的C4樣品的響應時間已經達到4 550 ms，較其初始狀態已經增大了522%。而增幅最小的B2樣品也增加到1 308 ms，較其初始狀態也增大了114%。盡管響應時間都大大增加，但是供應商1的產品增幅區間為697～752 ms；而供應商2的產品增幅區間為1 638～3 821 ms。

圖9 直管安裝的被測樣品劣化原排后10次循環過程中響應時間變化

安裝在錐面兩支傳感器的響應時間變化如圖10所示，由于錐面的流場流速慢、渦流強，更不利于將碳顆粒吹散，所以在劣化原排后，錐面安裝的兩支傳感器的金屬保護套管迅速被積碳完全覆蓋，進出氣孔直徑也明顯縮小，響應時間大幅增長，如圖11所示。

圖10 錐面安裝的被測樣品劣化原排后10次循環過程中響應時間變化

圖11 錐面安裝的被測樣品劣化原排后10次循環后金屬保護套管表面積碳情況

最終劣化碳顆粒原排為8 g/kW的巴黎循環試驗在進行了36次后，通過內窺鏡觀察，安裝在柴油催化氧化器進口錐面上的C2樣品金屬保護套管表面的進出氣孔已經完全被黑色的積碳層所覆蓋，因此發動機臺架巴黎循環試驗全部終止。氮氧化物傳感器被測樣品測量結果最終響應時間見表3。由于進出氣孔已經完全被積碳堵塞，安裝在柴油催化氧化器進口錐面上的供應商2的C2氮氧化物傳感器的響應時間增幅在所有被測部件中最高，為6 785 ms。但同為錐面安裝的供應商1的氮氧化物傳感器響應時間增幅卻遠小于C2，其響應時間的增幅與其他在直管處安裝的供應商1的產品相比，增幅為1 874 ms，甚至還要低于在直管上安裝的供應商2的所有樣品的最終響應時間。

表3 氮氧化物傳感器被測樣品最終響應時間(發動機臺架)測量結果 單位：ms

試驗結束時，所有被測樣品金屬保護套管的表面積碳情況如圖12和圖13所示，從而進一步印證了上面的觀點。供應商一產品的進出氣孔依然清晰可辨，而供應商2產品上的進出氣孔大多已被積碳完全覆蓋。

圖12 B1～B4金屬保護套管表面積碳情況

圖13 C1～C4金屬保護套管表面積碳情況

2.3 整車實地路試

整車路試過程和方法與發動機臺架試驗類似。由于整車條件的限制，無法同時安裝兩支樣品用于測試。因此每次試驗僅安裝一支傳感器，車輛在測試道路上依照巴黎循環試驗的路譜總計跑72個循環，測試總里程約為550 km，此為一組試驗。一組試驗完成以后更換傳感器，按照同樣的流程再跑一組試驗作為對照。由于巴黎循環試驗積碳速度較快，所以試驗過程中顆粒物捕集器會在短時間內(較正常駕駛車況而言)達到滿載而啟動再生。顆粒物捕集器再生時排溫會達到500 ℃以上。此時的高溫會將傳感器金屬保護套管上附著的積碳層燒掉。為了避免試驗進程被拖長，實車顆粒物捕集器再生功能被手動關閉，而是在運行一段時間以后將顆粒物捕集器載體拆下，在烤箱中完成顆粒物捕集器的再生。同時為了避免污染環境，試驗者并沒有通過標定劣化發動機的原排。因此可以認為整車實地路試完全模擬了實際生活中擁堵路況的駕駛環境。整車試驗完成后傳感器探頭的積碳情況如圖14所示，由于碳顆粒的原排較低，所以金屬保護套管表面上附著的積碳層尚不足以覆蓋進出氣孔。

圖14 整車試驗完成后被測樣品金屬保護套管表面積碳情況

整車測試持續了10 d，被測樣品的響應時間變化如圖15所示。供應商1的產品響應時間從初始狀態的512 ms增加到578 ms，而供應商2的產品從684 ms增加到1 038 ms。從響應時間的增量來看，基于實車路試的結果，供應商1的產品的響應時間增量小于供應商2的產品的響應時間增量。

圖15 被測樣品10 d實車路試過程中響應時間變化

3 結果分析

從產品外觀幾何尺寸上看，供應商1的產品由頂部一個直徑為2 mm的出氣孔和側面圓周均勻分布的8個直徑為1.5 mm的進氣孔構成了最外層的進出氣系統;而供應商2的產品的金屬保護套管呈階梯狀，在最頂部分布著3個直徑為1 mm的出氣孔，在金屬保護套管的側壁以及第二級階梯的頂端分布著總計15個直徑為1 mm的進氣孔。從進氣孔的數量上看供應商2的產品似乎要優于供應商1。但是從氣體進出傳感器的過程來看，出氣孔對動態響應也起著同等重要的作用。供應商2雖然有3個出氣孔，但是因為布置比較分散，且單個孔的面積小，在積碳嚴重的情況下，3個出氣孔的出氣量不足以將積碳吹掉，因此很輕易地就被各個擊破。而供應商1的產品只有1個大出氣孔，出氣量充足，不利于碳顆粒的聚集。當然金屬保護套管內部復雜的結構對抗積碳性能也有影響。

現在很多整車由于后處理系統采用緊耦合布置，安裝位置受限，均傾向于將柴油催化氧化器上游的氮氧化物傳感器安裝在柴油催化氧化器的進口錐面上。但是錐面位置截面積大導致氣體流速遠低于直管，且更容易產生渦流，最終由于低流速和渦流兩個條件相疊加，使得碳顆粒的擴散條件大大惡化，最終導致了安裝在柴油催化氧化器進口錐面上的傳感器被積碳完全堵塞。目前市場上有部分車輛報柴油催化氧化器上游氮氧化物傳感器響應時間超限值的故障，其根本原因都在于此。文中的研究結果不僅限于柴油發動機的氮氧傳感器，對于汽油機的前氧傳感器的安裝也有一定的參考價值。因此，在考慮柴油機上游氮氧化物傳感器或汽油機前氧傳感器的安裝位置時，應該盡可能地避免直接將傳感器安裝于錐面處。如確實無法避免，可以考慮在錐面處增加沉槽，將傳感器探頭深入尾氣流場中心高流速無渦流的位置以避免碳顆粒的聚集；有條件的也可以采用大孔，甚至是環槽型設計的金屬保護套管，通過增大進出氣道面積的方法來提升抗積碳的能力。

4 結束語

(1)文中收集了氮氧化物傳感器主流供應商的最新產品，通過發動機臺架和整車試驗，測量并記錄了傳感器的動態響應時間的變化，同時輔以內窺鏡拍照的手段，以傳感器金屬保護套管上進出氣孔的狀態作為傳感器抗積碳能力比較的旁證，直接證明了供應商1的產品在抗積碳這一項能力上要優于供應商2的產品。

(2)國內其他氮氧化物傳感器供應商的產品金屬保護探頭外形與供應商2類似，其抗積碳魯棒性也可以參考文中的試驗結果進行評估。

(3)文中也通過同時在錐面和直管上安裝傳感器，對不同安裝位置對抗積碳效果的影響進行了對比。試驗結果顯示，錐面安裝更易于傳感器探頭金屬保護套管被積碳覆蓋，導致傳感器失效。因此，在布置傳感器時需要盡可能地避免錐面安裝的情況。