胡金東,類雪,田曉靜,薛振宇

[博世汽車系統(tǒng)(無錫)有限公司，江蘇無錫 214000]

0 引言

國家標(biāo)準(zhǔn)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》(簡稱國六排放法規(guī))已于2021年7月1日起在全國范圍內(nèi)全面實(shí)施。對(duì)比之前的國五排放法規(guī)，國六排放法規(guī)對(duì)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(guī)的排放要求，針對(duì)能夠滿足排放法規(guī)各種技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)，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(guī)的相關(guān)要求。眾所周知，氮氧化物(NO)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)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(fā)生反應(yīng)，最終產(chǎn)物為氮?dú)?N)和水(HO)。為了實(shí)現(xiàn)尿素噴射量的精確控制以及最終尾排的監(jiān)控，車用氮氧化物傳感器通常會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)NO排放的閉環(huán)控制。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由于本身燃燒特性的影響，局部區(qū)域有可能存在不完全燃燒，從而產(chǎn)生羥基酸和樹脂狀膠質(zhì)(碳煙)，久而久之，碳煙附著在零部件的表面最終變?yōu)榉e碳。陸軍、金軍平等對(duì)柴油機(jī)積碳成因、預(yù)防以及清除的方法已經(jīng)做了充分的研究。針對(duì)氮氧化物傳感器在實(shí)車上的應(yīng)用，主流傳感器生產(chǎn)供應(yīng)商都提出了相應(yīng)的邊界條件，其中針對(duì)柴油催化氧化器上游的應(yīng)用，為了避免傳感器被積碳堵塞，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)積碳相關(guān)的驗(yàn)證也被列為產(chǎn)品放行的必要考量因素之一。然而由于發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)一致性的差異，以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)套已經(jīng)被積碳完全覆蓋，則會(huì)大大降低傳感器的響應(yīng)速度，嚴(yán)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(yīng)商一直在不斷優(yōu)化傳感器金屬保護(hù)套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善傳感器內(nèi)部的氣流環(huán)境。同時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的仿真模擬，以驗(yàn)證不同保護(hù)套的抗積碳能力。

針對(duì)氮氧化物傳感器的積碳影響，文中采用了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和實(shí)車路試驗(yàn)證的方法，通過總長超過100 h的巴黎循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比了兩家氮氧化物傳感器供應(yīng)商產(chǎn)品的抗積碳魯棒性的差異。試驗(yàn)過程中，每隔8 h，試驗(yàn)人員會(huì)檢測(cè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間，并通過內(nèi)窺鏡觀察金屬保護(hù)套表面的積碳情況。試驗(yàn)結(jié)果表明供應(yīng)商1的產(chǎn)品在抗積碳魯棒性方面優(yōu)于供應(yīng)商2的產(chǎn)品。同時(shí)，試驗(yàn)者也驗(yàn)證了不同安裝條件下傳感器的積碳情況差異，試驗(yàn)表明柴油催化氧化器進(jìn)口錐面安裝更易于造成傳感器探頭被積碳堵塞。

1 試驗(yàn)部分

1.1 氮氧化物傳感器

目前市場(chǎng)上常用的車規(guī)級(jí)氮氧化物傳感器主要來自兩家國際化供應(yīng)商。兩家產(chǎn)品的工作原理基本相同，都是基于能斯特原理進(jìn)行測(cè)量。汽車尾氣通過傳感器金屬保護(hù)殼上的氣孔進(jìn)入傳感器內(nèi)部與氧化鋯陶瓷接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氮氧化物中的氧離子被泵出，通過測(cè)量泵電流的大小從而計(jì)算出氮氧化物的含量。

為了及時(shí)為整車系統(tǒng)提供尾氣中的氮氧化物含量，傳感器的響應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)傳感器表現(xiàn)的重要指標(biāo)并被各大主機(jī)廠和整車廠所關(guān)注。以供應(yīng)商1生產(chǎn)的產(chǎn)品為例，合格氮氧化物傳感器的氧信號(hào)在正常工作條件下其生命周期內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間不得超過800 ms，氮氧化物信號(hào)響應(yīng)時(shí)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?dú)獾?、一定氣體流速的環(huán)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(hào)達(dá)到90%目標(biāo)濃度與達(dá)到10%目標(biāo)濃度所需的時(shí)間之差，對(duì)于氧信號(hào)時(shí)間差值不得高于800 ms，對(duì)于氮氧信號(hào)時(shí)間差值不得高于1 800 ms。通常氧信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間和氮氧化物的響應(yīng)時(shí)間有強(qiáng)正相關(guān)性，所以以氧信號(hào)作為研究傳感器響應(yīng)時(shí)間變化的主要關(guān)注變量。

通常傳感器的金屬保護(hù)套是多層的套管結(jié)構(gòu)，表層的側(cè)面和端面以及內(nèi)層的側(cè)面都留有一定數(shù)量的通氣孔。通氣孔直徑的大小直接影響傳感器的響應(yīng)時(shí)間，大孔徑的通氣孔意味著氣體能夠更快地達(dá)到氧化鋯陶瓷體測(cè)量單元，在尾氣中氮氧化物成分快速變化時(shí)才能夠更快地被傳感器檢測(cè)出來。另外在所有的通氣孔都被完全封死的狀態(tài)下，將沒有尾氣能夠進(jìn)入傳感器測(cè)量單元，這種情況下傳感器的響應(yīng)時(shí)間會(huì)達(dá)到無限長。當(dāng)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(cè)量，過快的氣體流速會(huì)迅速帶走傳感器陶瓷的熱量，使傳感器無法達(dá)到780 ℃的工作溫度，從而對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不良影響。綜上所述，傳感器金屬套管的設(shè)計(jì)需要同時(shí)兼顧傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和保溫能力，不同的產(chǎn)品供應(yīng)商的設(shè)計(jì)存在著很大的差異。因此不同供應(yīng)商的產(chǎn)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(huán)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的各項(xiàng)性能，有關(guān)部門制定了各種測(cè)試循環(huán)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)在不同扭矩和轉(zhuǎn)速條件下來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)或整車的排放和油耗等參數(shù)，以確保車輛能夠滿足法規(guī)的相關(guān)要求。常用的測(cè)試循環(huán)都有相對(duì)長時(shí)間的全速全負(fù)荷工作過程，在此過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒都比較充分，碳顆粒的原排相對(duì)較低，同時(shí)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(yàn)時(shí)間。同時(shí)，此類循環(huán)的進(jìn)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(shí)間內(nèi)完成不同傳感器保護(hù)套管結(jié)構(gòu)對(duì)積碳的抵抗能力的比較驗(yàn)證，需要選擇排溫相對(duì)較低、排氣流速偏低、碳顆粒原排相對(duì)較高的循環(huán)。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(huán)作為測(cè)試循環(huán)。此測(cè)試循環(huán)執(zhí)行一次的持續(xù)時(shí)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(huán)路譜

1.3 臺(tái)架試驗(yàn)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(jié)構(gòu)影響傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)之外，尾氣的流場(chǎng)分布對(duì)其也有著重要的影響：在高流速環(huán)境中傳感器的響應(yīng)時(shí)間會(huì)小于置于低流速環(huán)境中傳感器的響應(yīng)時(shí)間。如果安裝位置存在渦流或死區(qū)，響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增大。文中主要討論不同廠家的傳感器金屬保護(hù)套管設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的抗積碳表現(xiàn)差異，所以試驗(yàn)通過將不同供應(yīng)商的傳感器布置在尾氣流場(chǎng)分布相同(至少是相近)的位置，以排除由于流場(chǎng)的差異而對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(huì)聚積在管路的上部，供應(yīng)商對(duì)傳感器的安裝位置和狀態(tài)都有明確的要求。試驗(yàn)中選取不同供應(yīng)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(huán)境基本一致，將被測(cè)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(duì)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(shí)，為了驗(yàn)證柴油催化氧化器入口錐面對(duì)于積碳的影響，試驗(yàn)也在柴油催化氧化器入口錐面上對(duì)稱位置安裝了供應(yīng)商1和供應(yīng)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(cè)孔，測(cè)試循環(huán)過程中用堵頭塞住，試驗(yàn)者定期會(huì)用內(nèi)窺鏡觀察傳感器探頭表面的積碳情況。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架安裝布置示意如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架安裝布置示意

1.3.2 氮氧化物傳感器響應(yīng)時(shí)間測(cè)量

試驗(yàn)過程中，為了避免拆裝傳感器時(shí)發(fā)生磕碰導(dǎo)致破壞已形成的積碳表面，傳感器響應(yīng)時(shí)間會(huì)通過試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)測(cè)量得到的氧信號(hào)進(jìn)行估算。在測(cè)試時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200 r/min工況下由正常工作轉(zhuǎn)為倒拖，此時(shí)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(hào)表現(xiàn)如圖3所示。

圖3 氮氧傳感器氧濃度t測(cè)量示意

通過記錄氧濃度上升至10%以及90%的時(shí)間，計(jì)算出時(shí)間差，該時(shí)間差即傳感器氧濃度信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。此計(jì)算方法受發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)影響，每次進(jìn)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(yīng)時(shí)間多次計(jì)算的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用到的設(shè)備如下：

最新型氮氧化物傳感器(供應(yīng)商1)：5支(4支用于臺(tái)架測(cè)試，1支用于整車測(cè)試)。

最新型氮氧化物傳感器(供應(yīng)商2)：5支(4支用于臺(tái)架測(cè)試，1支用于整車測(cè)試)。

發(fā)動(dòng)機(jī)：新晨 ZD25 2.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)。

整車：上汽 SMCV SV91 AT。

數(shù)據(jù)記錄設(shè)備:ETAS 581；CAN CASE VN1610。

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

1.3.4 測(cè)試流程

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)流程

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氮氧化物傳感器初始狀態(tài)響應(yīng)時(shí)間

傳感器初始狀態(tài)下在氣體臺(tái)架上的響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 氮氧傳感器被測(cè)樣品初始響應(yīng)時(shí)間(氣體臺(tái)架)測(cè)量結(jié)果 單位：ms

注：表示此部件并非全新的部件，所以響應(yīng)時(shí)間略高于其他全新產(chǎn)品。

由于不同供應(yīng)商在傳感器金屬保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在差異，初始狀態(tài)下供應(yīng)商1的氮氧化物傳感器在響應(yīng)時(shí)間表象上要優(yōu)于供應(yīng)商2的部件。但是此次試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證在同等安裝條件和碳顆粒原排的環(huán)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(shù)是一定循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)過后傳感器的響應(yīng)時(shí)間的增量，增量越大證明傳感器的響應(yīng)時(shí)間發(fā)生了更為嚴(yán)重的惡化。然后結(jié)合傳感器金屬保護(hù)管上進(jìn)出氣孔的狀態(tài)的內(nèi)窺鏡觀察結(jié)果，就能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)的保護(hù)套管抗積碳能力差異進(jìn)行定性和定量的比較。

由第1節(jié)可知，傳感器的響應(yīng)時(shí)間也受安裝位置的氣體流場(chǎng)分布的影響。安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上后，由于受臺(tái)架管路的影響，傳感器的響應(yīng)時(shí)間有所增加。安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的8個(gè)樣件初始響應(yīng)時(shí)間測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 氮氧化物傳感器被測(cè)樣品初始響應(yīng)時(shí)間(發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架)測(cè)量結(jié)果 單位：ms

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試

如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)開始的20個(gè)循環(huán)過程中，安裝在直管上的每支被測(cè)樣品的響應(yīng)時(shí)間隨著試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試有所波動(dòng)，但是總體變化不大。20次循環(huán)后，響應(yīng)時(shí)間增幅最大的樣件C3為113 ms，而增幅最小的樣件是B4，響應(yīng)時(shí)間反而減小了62 ms。其余被測(cè)樣件的響應(yīng)時(shí)間也有增有減。因此對(duì)于直管安裝的傳感器，預(yù)設(shè)的巴黎循環(huán)試驗(yàn)的碳顆粒原排對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證并無明顯影響。20次循環(huán)后各個(gè)傳感器金屬保護(hù)套管上的進(jìn)出氣孔的情況如圖6所示，每個(gè)被測(cè)樣品的金屬保護(hù)套管表面粘上了少許黑色的積碳，但是進(jìn)出氣孔的基本沒有被積碳影響，孔徑未發(fā)生明顯變化。

圖5 直管安裝的被測(cè)樣品前20次循環(huán)過程中響應(yīng)時(shí)間變化

圖6 直管安裝的被測(cè)樣品前20次循環(huán)后金屬保護(hù)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(zhì)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(yīng)時(shí)間略高于直管安裝的傳感器。響應(yīng)時(shí)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(jìn)出氣孔已經(jīng)被積碳堵塞;而B2樣件金屬套管上的進(jìn)出氣孔還清晰可辨如圖8(b)所示，其響應(yīng)時(shí)間反而減少了70 ms。

圖7 錐面安裝的被測(cè)樣品前20次循環(huán)過程中響應(yīng)時(shí)間變化

圖8 錐面安裝的被測(cè)樣品前20次循環(huán)后金屬保護(hù)套管表面積碳情況

在試驗(yàn)前20個(gè)循環(huán)中，通過排放儀監(jiān)控可知，被測(cè)循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)原排產(chǎn)生的碳顆粒為3.5 g/kW。雖然此數(shù)值已遠(yuǎn)高于法規(guī)要求的循環(huán)限值，但是要盡快使傳感器響應(yīng)時(shí)間和進(jìn)出氣孔發(fā)生肉眼可見的變化，碳顆粒的排放數(shù)值還需要進(jìn)一步提升。因此，為了加快試驗(yàn)的進(jìn)程，試驗(yàn)者通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)的調(diào)整，進(jìn)一步將發(fā)動(dòng)機(jī)碳顆粒的原排劣化到8 g/kW。

原排劣化后又進(jìn)行了10個(gè)循環(huán)后，安裝在直管上所有被測(cè)樣品的響應(yīng)時(shí)間隨著循環(huán)次數(shù)增加的變化趨勢(shì)如圖9所示。所有樣品的響應(yīng)時(shí)間增加速率大幅提升。10次循環(huán)后，增幅最大的C4樣品的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到4 550 ms，較其初始狀態(tài)已經(jīng)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(tài)也增大了114%。盡管響應(yīng)時(shí)間都大大增加，但是供應(yīng)商1的產(chǎn)品增幅區(qū)間為697～752 ms；而供應(yīng)商2的產(chǎn)品增幅區(qū)間為1 638～3 821 ms。

圖9 直管安裝的被測(cè)樣品劣化原排后10次循環(huán)過程中響應(yīng)時(shí)間變化

安裝在錐面兩支傳感器的響應(yīng)時(shí)間變化如圖10所示，由于錐面的流場(chǎng)流速慢、渦流強(qiáng)，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(hù)套管迅速被積碳完全覆蓋，進(jìn)出氣孔直徑也明顯縮小，響應(yīng)時(shí)間大幅增長，如圖11所示。

圖10 錐面安裝的被測(cè)樣品劣化原排后10次循環(huán)過程中響應(yīng)時(shí)間變化

圖11 錐面安裝的被測(cè)樣品劣化原排后10次循環(huán)后金屬保護(hù)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(huán)試驗(yàn)在進(jìn)行了36次后，通過內(nèi)窺鏡觀察，安裝在柴油催化氧化器進(jìn)口錐面上的C2樣品金屬保護(hù)套管表面的進(jìn)出氣孔已經(jīng)完全被黑色的積碳層所覆蓋，因此發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架巴黎循環(huán)試驗(yàn)全部終止。氮氧化物傳感器被測(cè)樣品測(cè)量結(jié)果最終響應(yīng)時(shí)間見表3。由于進(jìn)出氣孔已經(jīng)完全被積碳堵塞，安裝在柴油催化氧化器進(jìn)口錐面上的供應(yīng)商2的C2氮氧化物傳感器的響應(yīng)時(shí)間增幅在所有被測(cè)部件中最高，為6 785 ms。但同為錐面安裝的供應(yīng)商1的氮氧化物傳感器響應(yīng)時(shí)間增幅卻遠(yuǎn)小于C2，其響應(yīng)時(shí)間的增幅與其他在直管處安裝的供應(yīng)商1的產(chǎn)品相比，增幅為1 874 ms，甚至還要低于在直管上安裝的供應(yīng)商2的所有樣品的最終響應(yīng)時(shí)間。

表3 氮氧化物傳感器被測(cè)樣品最終響應(yīng)時(shí)間(發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架)測(cè)量結(jié)果 單位：ms

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有被測(cè)樣品金屬保護(hù)套管的表面積碳情況如圖12和圖13所示，從而進(jìn)一步印證了上面的觀點(diǎn)。供應(yīng)商一產(chǎn)品的進(jìn)出氣孔依然清晰可辨，而供應(yīng)商2產(chǎn)品上的進(jìn)出氣孔大多已被積碳完全覆蓋。

圖12 B1～B4金屬保護(hù)套管表面積碳情況

圖13 C1～C4金屬保護(hù)套管表面積碳情況

2.3 整車實(shí)地路試

整車路試過程和方法與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)類似。由于整車條件的限制，無法同時(shí)安裝兩支樣品用于測(cè)試。因此每次試驗(yàn)僅安裝一支傳感器，車輛在測(cè)試道路上依照巴黎循環(huán)試驗(yàn)的路譜總計(jì)跑72個(gè)循環(huán)，測(cè)試總里程約為550 km，此為一組試驗(yàn)。一組試驗(yàn)完成以后更換傳感器，按照同樣的流程再跑一組試驗(yàn)作為對(duì)照。由于巴黎循環(huán)試驗(yàn)積碳速度較快，所以試驗(yàn)過程中顆粒物捕集器會(huì)在短時(shí)間內(nèi)(較正常駕駛車況而言)達(dá)到滿載而啟動(dòng)再生。顆粒物捕集器再生時(shí)排溫會(huì)達(dá)到500 ℃以上。此時(shí)的高溫會(huì)將傳感器金屬保護(hù)套管上附著的積碳層燒掉。為了避免試驗(yàn)進(jìn)程被拖長，實(shí)車顆粒物捕集器再生功能被手動(dòng)關(guān)閉，而是在運(yùn)行一段時(shí)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(shí)為了避免污染環(huán)境，試驗(yàn)者并沒有通過標(biāo)定劣化發(fā)動(dòng)機(jī)的原排。因此可以認(rèn)為整車實(shí)地路試完全模擬了實(shí)際生活中擁堵路況的駕駛環(huán)境。整車試驗(yàn)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(hù)套管表面上附著的積碳層尚不足以覆蓋進(jìn)出氣孔。

圖14 整車試驗(yàn)完成后被測(cè)樣品金屬保護(hù)套管表面積碳情況

整車測(cè)試持續(xù)了10 d，被測(cè)樣品的響應(yīng)時(shí)間變化如圖15所示。供應(yīng)商1的產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間從初始狀態(tài)的512 ms增加到578 ms，而供應(yīng)商2的產(chǎn)品從684 ms增加到1 038 ms。從響應(yīng)時(shí)間的增量來看，基于實(shí)車路試的結(jié)果，供應(yīng)商1的產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間增量小于供應(yīng)商2的產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間增量。

圖15 被測(cè)樣品10 d實(shí)車路試過程中響應(yīng)時(shí)間變化

3 結(jié)果分析

從產(chǎn)品外觀幾何尺寸上看，供應(yīng)商1的產(chǎn)品由頂部一個(gè)直徑為2 mm的出氣孔和側(cè)面圓周均勻分布的8個(gè)直徑為1.5 mm的進(jìn)氣孔構(gòu)成了最外層的進(jìn)出氣系統(tǒng);而供應(yīng)商2的產(chǎn)品的金屬保護(hù)套管呈階梯狀，在最頂部分布著3個(gè)直徑為1 mm的出氣孔，在金屬保護(hù)套管的側(cè)壁以及第二級(jí)階梯的頂端分布著總計(jì)15個(gè)直徑為1 mm的進(jìn)氣孔。從進(jìn)氣孔的數(shù)量上看供應(yīng)商2的產(chǎn)品似乎要優(yōu)于供應(yīng)商1。但是從氣體進(jìn)出傳感器的過程來看，出氣孔對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)也起著同等重要的作用。供應(yīng)商2雖然有3個(gè)出氣孔，但是因?yàn)椴贾帽容^分散，且單個(gè)孔的面積小，在積碳嚴(yán)重的情況下，3個(gè)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(gè)擊破。而供應(yīng)商1的產(chǎn)品只有1個(gè)大出氣孔，出氣量充足，不利于碳顆粒的聚集。當(dāng)然金屬保護(hù)套管內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對(duì)抗積碳性能也有影響。

現(xiàn)在很多整車由于后處理系統(tǒng)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(jìn)口錐面上。但是錐面位置截面積大導(dǎo)致氣體流速遠(yuǎn)低于直管，且更容易產(chǎn)生渦流，最終由于低流速和渦流兩個(gè)條件相疊加，使得碳顆粒的擴(kuò)散條件大大惡化，最終導(dǎo)致了安裝在柴油催化氧化器進(jìn)口錐面上的傳感器被積碳完全堵塞。目前市場(chǎng)上有部分車輛報(bào)柴油催化氧化器上游氮氧化物傳感器響應(yīng)時(shí)間超限值的故障，其根本原因都在于此。文中的研究結(jié)果不僅限于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧傳感器，對(duì)于汽油機(jī)的前氧傳感器的安裝也有一定的參考價(jià)值。因此，在考慮柴油機(jī)上游氮氧化物傳感器或汽油機(jī)前氧傳感器的安裝位置時(shí)，應(yīng)該盡可能地避免直接將傳感器安裝于錐面處。如確實(shí)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(chǎng)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(huán)槽型設(shè)計(jì)的金屬保護(hù)套管，通過增大進(jìn)出氣道面積的方法來提升抗積碳的能力。

4 結(jié)束語

(1)文中收集了氮氧化物傳感器主流供應(yīng)商的最新產(chǎn)品，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車試驗(yàn)，測(cè)量并記錄了傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的變化，同時(shí)輔以內(nèi)窺鏡拍照的手段，以傳感器金屬保護(hù)套管上進(jìn)出氣孔的狀態(tài)作為傳感器抗積碳能力比較的旁證，直接證明了供應(yīng)商1的產(chǎn)品在抗積碳這一項(xiàng)能力上要優(yōu)于供應(yīng)商2的產(chǎn)品。

(2)國內(nèi)其他氮氧化物傳感器供應(yīng)商的產(chǎn)品金屬保護(hù)探頭外形與供應(yīng)商2類似，其抗積碳魯棒性也可以參考文中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

(3)文中也通過同時(shí)在錐面和直管上安裝傳感器，對(duì)不同安裝位置對(duì)抗積碳效果的影響進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果顯示，錐面安裝更易于傳感器探頭金屬保護(hù)套管被積碳覆蓋，導(dǎo)致傳感器失效。因此，在布置傳感器時(shí)需要盡可能地避免錐面安裝的情況。