摘要：在柴油机排放检测和控制中柴油机排气颗粒物的检测是至关重要的。本文简述了柴油机排气颗粒物的危害性，分析了当前柴油机排气颗粒物传感器的研究情况，以车载颗粒物测试技术为重点，阐述了颗粒物传感器的原理及设计研究颗粒物传感器的应用研究，并对当前柴油机排气颗粒物传感器的研究问题进行总结。

关键词：柴油机；排气颗粒物；传感器

一、柴油机排气颗粒物传感器研究概述

柴油机排气颗粒物是柴油机有害排放物之一，是指在空气吸收后除水以外低于51℃不能沉积在聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸上的物质，想要进一步研究汽车尾气污染物中颗粒物的形成以及控制技术就要正确测量柴油机排气颗粒物的浓度，尺寸和形状。柴油机排气颗粒物中包括碳烟，硫酸盐以及与硫酸盐结合的水和其他杂质，在柴油机排气颗粒物中，碳烟以碳元素为主，柴油机工作过程中高温缺氧条件下，燃料会通过裂解脱氢产生碳烟，太阳能够吸附和凝聚多种有机物，是一种可溶有机成分，在一定温度下能够溶解于有机溶剂中，并且可以挥发。柴油机排气颗粒物会严重危害人体健康，破坏生态环境，各个国家对于柴油机排气颗粒物的测量标准逐渐严格，我国近年来也提高了柴油机排气颗粒物的排放控制要求，并增加了一定的污染控制性指标，同时也要求柴油机排气颗粒物测试技术更加精确，从而满足新形势的需求，当前颗粒物测试技术主要包括台架测试和车载测试两种方法。台架测试在实验室环境下进行，能够提供更为精确的结果，但由于测试环境与汽车在实际行驶过程中的工况存在差异，因此难以避免与汽车在实际行驶过程中颗粒物排放值之间的差距。车载测试方法包括车载仪器测试和颗粒物传感器测试两种方式，其中车载仪器测试通常采用专门的仪器设备对汽车排放的颗粒物进行检测和分析，而颗粒物传感器测试则通过传感器对汽车排放的颗粒物进行实时监测和分析。车载测试方法在实时性和准确性方面具有优势，能够更好地适应汽车行驶过程中的复杂工况，为汽车排放控制提供更为准确的数据支持。

二、车载颗粒物测试技术

车载颗粒物测试技术近年来是柴油机排气颗粒物传感器研究的主要方向，我国对于车载颗粒物测试技术的研究处于起步阶段，目前有综合性的车载排放测试系统，对颗粒物排放进行实时测量，这一系统包括主控计算机数据线，颗粒物稀释系统，气态污染物取样管，排气流量，颗粒物取样管和电子低压冲击器，其中电子低压冲击器的测试原理具有一定的限制。但是由于电子低压冲击器自身测试时存在一定的条件限制，并且测试结果会受排气温度以及其他因素的影响，对于稀释比和采样环境条件控制较为困难，研制成本和使用成本也比较高。所以当前车载测试会选择颗粒物传感器作为主要研究方向，当前在排放法规日严格的背景下，需要采用实时性和易操作性更加突出的便携式排放测试系统，传统的光学盐度计测量法由于安装较为困难，重复性较低，已经逐渐被淘汰，电子低压充电器引起自身条件的限制，难以满足测试要求，同时由于减少柴油机颗粒物以及故障检测对于柴油机的使用有着至关重要的意义，所以选择颗粒物传感器可以有效解决这些问题。

（一）颗粒物传感器的原理及设计研究

在颗粒物传感器的原理研究中当前重点研究两种原理，第一是基于颗粒物电特性的测量。第二是基于无限能的测量。我国主要针对柴油机排气颗粒物的电特性和热用特性为主进行研究，但这研究当前还处于理论阶段。

基于颗粒物电特性的测量方法是在基础颗粒物传感器之上发展单电气火花放电碳烟传感器，并以此为基础继续开展研究，国内外各个相关学者的研究为传感器的设计提供了更多的理论基础。基于颗粒物电特性的测量方法是通过测量电火花电压值来推测颗粒物的浓度，电火花电压值会受到温度，压力，速度，湿度等各个因素的影响。目前比较常见的单电极火花放电碳烟传感器，结合了火花和电热塞，但这种传感器由于平接地电极面积比较大，容易导致颗粒物积附，需要很长时间才能完全燃烧，在燃烧时间内属于发动机暖机阶段，且没有测量信号，容易导致传感器信号不精确，通过对其结构进行改进，采用尖的接地电极，取消火花塞凸起，改变陶瓷外壳的形状，并对电热丝的布置进行调整，可有效减少热能消耗，提高信号的精确性。但这一实验当前仍处于初期阶段。此外还可以通过将火花塞的极端改成铂针火花塞减少接触面积，使热量聚集，从而提高信号稳定性，但由于传感器受环境温度的影响较大，颗粒物特性差别也会对最终结果造成影响。

双电极型静电颗粒物传感器，是指用于施加高压电流并串联电荷放大器上的二个电极，其中一电极是接地电极。带有自然电荷的粒子，将被传感器电极的电场加速按下废气中所含碳化合物的含量，对第二个电子的电荷分布产生了影响，电晕放电型颗粒物传感器是在电荷笼内放置一个电晕放电针，并与静电计相连接，本质与双电极传感器相同。基于无限能的技术路线是通过无线射频技术对颗粒物质量进行测量，这一技术目前无法测量过滤器下游的颗粒物质量。

（二）颗粒物传感器的应用研究

目前我国对于颗粒物传感器的应用研究较少，国外对原机颗粒物排放测试，颗粒物车载测试等研究比较普遍。美国一大学和公司将传感器用于柴油机颗粒物过滤器的故障诊断中，并将裸露在外的传感器的探头上接了一个接地电绝缘外壳来降低噪音影响，定远探针和信号放大器内部较长的电缆相连造成信息错误，在确定了二级放大回路后，可以对发动机的后处理控制系统等设备进行标定，并通过对颗粒物传感器技术在仿真的时候失效的发动机微粒滤清器模型上下游进行了测试，研究并分析其信号变化，当信号变化超出预先设置的上下游信号比门限值时就会发出警报。这一研究所产生的结论可以满足基础的柴油机排气颗粒物限值检测，但是由于传感器响应受较多因素的影响，所以想要得到颗粒物质量与颗粒物传感器型之间的标定方程和二者之间的相关性比较困难。

国外一公司还在柴油机颗粒物过滤器的上下游设置，无线发射端和无线接收端实现柴油机颗粒物过滤器中颗粒物质量的实施准确测量。瑞典大学通过高级柴油机颗粒物过滤器，颗粒物传感器对颗粒物浓度进行测量，通过测量无线电波被颗粒物衰减的程度分析颗粒物浓度或基于共振频率分析颗粒物浓度。第一种方法利用线性最小二乘法拟合无线电波被颗粒物衰减的程度与颗粒物浓度之间的相关性，测量不同频率的波的不同的正向增益来测量衰减程度。第二种方法需要将柴油机颗粒物过滤器看作比较好的导电金属谐振腔，分析其电性能的变化来估算出颗粒物质量和碳烟质量值。

总结

目前，针对柴油机车废气颗粒物的检测关键技术的研发应当是颗粒物传感器研究应用的重点方向，但是由于当前颗粒物长期研发中也面临着较多问题，首先，颗粒物传感器的模块建设时比较复杂，最主要是由于颗粒物的核电特征会受到颗粒物粒径大小和质量的限制，所以在尾气中产生的实际荷电特征无法准确反映质量浓度，因此在物理模型的构建时也就比较复杂。其次，油机运作过程中发动机会产生较大的振动信号，噪声导致颗粒物传感器的信号受到影响，所以处理比较困难，连续工作时传感器更是容易出现信号漂移的问题。最后传感器的标定和测试比较复杂，不同发动机中传感器的适应性有一定的局限，所以想要保证产品的实用性和稳定性就要进行大量的标定和试验，并且传感器输出结果和测量结果会受温度，流速，安装位置等多种因素影响。

参考文献：

[1]陈欢，李阳阳.我国车用柴油机超细颗粒物排放研究进展综述[J].汽车实用技术，2021（5）.

[2]资新运，张谷雨，庞海龙，等.柴油机颗粒物实时诊断传感器技术研究进展[J].传感器与微系统，2018（07）.

[3]邓军，黄映云，孙昭君.柴油机排气噪声的自适应有源控制[J].内燃机， 2000（3）.