高端国产替代正当时 四方光电打响发动机排放检测设备“突围战”

环境污染一直是人们关注的焦点，近年来，世界各国都在竞相开发新能源汽车，以缓解机动车排放造成的空气污染。尽管新能源汽车取得了重大进展，但现阶段以汽油和柴油为燃料的内燃机的应用仍占主导地位。如何有效控制汽车污染仍然是全球关注和亟待解决的问题。为了保护环境，世界各地都出台了各种环境法规和标准。对于中国，环境保护部、国家质量监督检验检疫总局等相关部门也制定了发动机排放测试标准，确定了排放限值和测试方法，并对相关仪器技术提出了新的要求。有鉴于此，各大仪器制造商也纷纷进入设备开发领域，为行业发展贡献了自己的力量。特别是针对我国科学仪器的市场现状，一批国产仪器制造商正在不断突破，致力于提高仪器和核心关键部件的水平，实现高端国产替代。本文将以四方光电为例，分析我国发动机排放检测的相关法规、仪器设备和市场现状，分享国内仪器公司在仪器深化方面的工作和成果。严格的环境政策和越来越严格的发动机排放测试是通过环境法规和标准控制机动车排放和污染的主要手段。目前，世界各国制定的汽车排放标准主要分为三大体系：欧洲排放法规、美国排放法规和日本排放法规。欧洲标准由欧洲经济委员会（ECE）的《汽车排放条例》和欧盟（EU）的《车辆排放指令》共同实施；美国的汽车排放法规可分为联邦排放法规，即环境保护局（EPA）排放法规和加州空气资源局（CARB）排放法规，其他州可根据自身需要选择使用加州法规或联邦法规；日本法规的实施始于20世纪80年代末；2005年，日本开始实施新的汽车排放标准，排放限制比以前严格得多。环境保护部和国家质量监督检验检疫总局制定、发布并实施了一系列控制机动车排放污染的环境法规和标准，排放法规越来越严格。自2019年5月1日起，开始实施GB 18285-2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法和简单工况法）》和GB 3847-2018《柴油车污染物排放量限值及测试方法（自由加速法和负载减速法）》；自2019年7月1日起，实施GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》；自2020年7月1日起，执行GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》；

并于2022年底前全面实施HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》，以防治非道路柴油机动机械排放污染物对环境的污染，进一步改善环境空气质量。这些法规和标准的实施给我国排放检测领域的相关企业带来了更大的机遇和挑战。进口仪器设备垄断了市场，如果没有汽车排放检测系统，中小发动机企业就无法承担开发新的汽车产品和研究新的排放控制技术的负担。准确检测汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放的形成、控制技术和装置的重要前提。随着各国对汽车排放标准的日益严格，相关排放检测技术也在不断完善。在汽车排放检测和控制领域，根据应用可分为三类：（A）发动机、用于汽车排放研究和型式认证的排放检测设备，简称定容采样系统（CVS）或直接采样排放分析系统，以及便携式排放检测系统（PEMS）；（B） 用于发动机燃烧和污染物检测与控制的传感器，主要是高温O2、NOx和SOOT传感器；

（C） 测试和维护后的市场I/M站排放测试设备。除了近年来通过使用进口和国产排气平台结合测功机基本实现国产化的C类排放检测设备、A类排放检测设备和B类大型排放检测设备外，高价的排放检测和控制传感器（年需求量近1亿个O2传感器，NOx和SOOT传感器各近1000元）几乎都依赖进口。用于排放研究和认证的高端汽车排放检测设备不同于一般的分析仪器。它包括红外气体检测、化学发光或紫外线气体检测、加热FID甚至在线色谱气体检测、重量或光学颗粒数量PN和质量PM检测、CVS排气流量检测或高湿度瞬态排气流量检测等核心模块。目前，国内分析仪器行业拥有气体分析领域多传感器技术平台和发动机排放检测专业知识的公司非常少。因此，实现既需要高技术又需要高集成度的高端汽车排放检测设备具有很高的难度。用于发动机燃烧和污染物检测与控制的O2和NOx传感器是汽油和柴油车辆的燃烧控制和排气后处理系统的重要组成部分。高温陶瓷芯片原材料的极限温差测试、高温超导芯片的生产和封装工艺、传感器的软件测试和控制，对企业的技术研发能力要求很高。目前，国内市场大多由外国制造商垄断，国内企业用户的采购成本较高。针对目前的情况，国内各大仪表公司也在通过实际行动，全力推动发动机排放检测设备的全行业国产化。特别值得一提的是，科创板上市公司四方光电（股票代码688665），针对国内发动机排放检测设备的现状和相应的市场需求，独立完成了道路测试实验室排放检测系统和便携式排放检测系统（PEMS）的研发和生产。它已经形成了一系列发动机实验室排放检测系统、便携式排放检测设备和I/M站检测设备，在最终用户汽车发动机排气后处理系统中使用O2和NOx传感器进行发动机排放检测的完整解决方案。

发动机实验室排放检测系统：为了实现排气污染物循环测试，根据国五、国六标准，新发动机应在测功台上进行排气污染物循环检测。发动机实验室排放检测系统可以按照法规和标准规定的流程，实现对发动机排气进入大气的近似模拟，并完成排放气体的采样和检测。检测系统需要连续测量CO、CO2、NMHC（非甲烷总烃）、NOx和灰尘等气体污染物的浓度以及排气质量流量，并将其记录在计算机系统中。它需要集成多种气体传感技术。基于核心气体传感技术平台的综合优势，四方光电自主研发了发动机排气全流量稀释定容采样系统（CVS），作为传感器的高端增值应用。其稳定性良好，系统误差小于2%。当与Gasboard-9801发动机直喷系统配合使用时，它可以满足轻型汽油车GB 18352-2016、重型商用车GB 17691-2018和摩托车的排放规定。

图：四方光电发动机的燃气板-9801排放检测系统

图：四方光电发动机排放全流量稀释定容采样系统（CVS）Gasboard-9802PEMS便携式排放检测系统：被测车辆实际行驶过程中的污染物排放在国六标准之前，处于型式认证阶段的新发动机或新车型主要基于实验室数据验证……

o验证废气排放是否达标，但实验室中发动机的运行状态与实际道路行驶状态有显著差异，实验室数据可能无法真实反映发动机的实际排放。为了解决上述问题，中国的重型汽车国六标准增加了发动机便携式排放检测系统（PEMS）测试，该测试涉及在实际道路驾驶车辆上安装发动机便携式排放监测系统，以测量车辆在实际驾驶过程中的污染物排放。国六标准要求所有需要型式检验的发动机和车辆都要经过上述测试，只有通过测试的新车才能生产、进口、销售、投入使用或注册。2020年12月28日发布的HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》要求，自2022年12月1日起，所有生产、进口和销售的560KW（含560KW）非道路移动机械和已安装的柴油发动机必须符合本标准。本标准是对2014年颁布的GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三阶段和第四阶段）》第四阶段的补充。该标准的发布为国内非道路机械生产企业敲响了警钟，国四产品的研制工作正式进入倒计时阶段。与原始标准相比，最重要的方面之一是增加了车载方法检查的限值和测试程序，并提供了车载便携式排放检测系统（PEMS）的相关技术要求。为应对中国对便携式排放检测系统（PEMS）的迫切需求，四方光电迅速组织研发技术团队进行攻关，实现了便携式排放探测系统（PEMS）的国产化。Gasboard-9805系列是四方光电基于其自主研发的核心气体分析技术开发的便携式排放检测系统（PEMS），用于非道路和道路（轻型车和重型柴油车）。该产品可以测量CO、CO2、NO、NO2、THC排放的浓度，以及颗粒物、排气流量、GPS数据、环境温度和湿度、大气压力的测量，并具有测试过程指导和总排放量自动计算出口测试报告等功能。此外，该产品采用模块化设计，便携式电池支持6小时以上续航里程，满足在用车排放检测要求。

图：四方光电便携式排放检测系统（PEMS）的Gasboard-9805车载O2/NOx传感器：发动机燃烧和污染物检测控制。燃料发动机运行会释放NOx，这是硝酸盐形成造成空气污染的重要原因之一。近年来，氮氧化物已成为大气污染控制的一个重点。SCR作为NOx和氮氧化物的主要控制技术，在我国VI型柴油机中得到了广泛的应用。氮氧传感器参与氨喷射系统的闭环控制，是发动机排放系统的核心传感器。汽油车尾气污染物的主流净化方法是使用三元催化转化器将CO、NOx和HC等有害气体转化为无害气体和水。净化效率取决于混合物浓度是否保持在理论空燃比附近。由于空燃比的变化，可能会导致排气中氧气浓度的相应变化。通过在排气管中设置O2传感器，O2传感器可以检测氧气浓度，并向汽车的电子控制单元提供反馈信号。电子控制单元基于反馈信号及时调整燃料喷射量，使得混合物的空燃比保持在理论值附近。随着“国六”标准的颁布和逐步实施，O2和NOx传感器的安装前和安装后市场不断扩大，仅安装前市场的年需求就高达数百亿元。但目前，主要市场份额被外国制造商占据，国内需求严重依赖进口。为了减少对外国制造商的依赖，国内企业必须自主开发用于发动机燃烧和污染物检测和控制的O2、NOx和SOOT传感器……

ol中。凭借多年在智能气体传感器领域的技术创新、精益生产和质量控制，四方光电基于自身的高温共烧陶瓷（HTCC）和高温传感器封装等技术平台，实现了传感器核心组件芯片的自主生产。它已经建立了传感器的组件芯片、封装和传感器生产线，并实现了大规模生产。四方光电整合上下游供应链，自主生产核心关键零部件，为客户提供发动机配套O2、NOx和颗粒物传感器产品的优化解决方案，实现进口替代。

图片：四方光电O2/NOx/SOOT传感器四方光电的创业团队来自华中科技大学。董鹏举副总经理毕业于华中科技大学内燃机专业，在汽车和发动机行业拥有丰富的工作经验。董鹏举告诉记者，作为科创板上市公司，四方光电的发展战略始终围绕着服务国家重点行业和重要需求。未来，四方光电将继续加大发动机排放检测设备和车用核心气体传感器的研究和产业化力度。一方面，公司将继续完善发动机实验室定容采样CVS和直接采样系统、PEMS便携式检测系统、I/M站排放检测设备的国产替代解决方案；另一方面，四方光电将为售后市场提供更高可靠性的O2、NOx和SOOT传感器产品，打赢发动机排放检测设备的“突围战”。

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