Жану процесіндегі азот оксидтерін (NO, NO2, N2O) анықтайтын сенсорлар туралы ақпарат. Автокөлік, жүк көліктері мен өнеркәсіптік қондырғыларда қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Азот оксиді сенсоры немесе датчик – көбінесе автомобиль, жүк көлігінің түтін шығаратын құбыры немесе дымқұбыр сияқты жану орталарында азот оксидтерін анықтауға арналған жоғары температуралы құрылғы.
A nitrogen oxide sensor or sensor is typically a high temperature device built to detect nitrogen oxides in combustion environments such as an automobile, truck tailpipe or smokestack.
Шолу
Бұл термин азот оксидтерінің бірнеше түрін білдіреді, мысалы, NO (азот оксиді), NO2 (азот диоксиді) және N2O (азот оксиді, сондай-ақ күлдіретін газ деп те аталады). Бензиндік қозғалтқышта NO ең көп таралған түрі – шамамен 93%, NO2 шамамен 5% құрайды, ал қалғаны N2O. N2O4 (NO2 димері) сияқты басқа да түрлері бар, ол тек төмен температурада ғана және N2O5 сияқты түрлерде кездеседі. Ал дизельдік қозғалтқыштардағы жағдай өзгеше. Олардың өте жоғары жану температурасы (цилиндрлік қысымның жоғары коэффициенттерінен, сондай-ақ турбонаддув немесе супернаддувтан туындайды) дизельдік қозғалтқыштардың бастапқы шығарындыларын бензиндік қозғалтқыштарға қарағанда әлдеқайда жоғары етеді. Селективті каталитикалық тотығу (SCR) жүйесінің жақында қолжетімді болуы, дұрыс жабдықталған дизельдік қозғалтқыштарға үш компонентті катализаторы бар әдеттегі бензиндік қозғалтқыштармен салыстырғанда, құбырдан шығатын газдарда ұқсас көрсеткіштерді беруге мүмкіндік береді. SCR зиянды азот оксидтерін AdBlue ерітіндісін қосу арқылы өзгертеді, бұл қоршаған ортаның ластануын азайтады және шығару жүйесін қорғайды. Сонымен қатар, дизельдік тотықтыру катализаторы дизельдік газдардағы артық оттекті пайдаланып, 50%-дан астам NO тотықтыру арқылы NO2 үлесін едәуір арттырады. NOx сенсорын жасауға түрткіс қоршаған орта факторлары болып табылады. Бұл газдар тұман және қышқыл жаңбыр сияқты түрлі проблемаларды тудыруы мүмкін. Әлемдегі көптеген үкіметтер олардың шығарындыларын шектеуге бағытталған заңдар қабылдады (соның ішінде SOx (күкірт оксидтері), CO (көміртек оксиді) және CO2 (көміртек диоксиді) және көмірсутектер сияқты басқа да жану газдары). Компаниялар шығарындыларды азайтудың бір жолы – оларды анықтау, содан кейін жану процесінде кері байланыс циклын қолдану екенін түсінді, бұл жануды оңтайландыру немесе NOx тұзақтарын жаңарту сияқты шаралар арқылы олардың өндірілуын азайтуға мүмкіндік береді. Сондықтан, көптеген қақпақ газын тазарту жүйелерінде бір NOx сенсоры қақпақ газын тазарту жүйесінің алдында (upstream), ал екінші сенсор – жүйеден кейін (downstream) орналастырылады. Алдыңғы сенсор аталған кері байланыс циклы үшін қолданылады, ал артқы сенсор заңнамалық талаптарда белгіленген шығарындылар лимитінен асып кетпеуін растау үшін негізінен қолданылады.
The term represents several forms of nitrogen oxides such as NO (nitric oxide), NO2 (nitrogen dioxide) and N2O (nitrous oxide, also known as laughing gas). In a gasoline engine, NO is the most common form of at around 93%, while NO2 is around 5% and the rest is N2O. There are other forms of such as N2O4 (the dimer of NO2), which only exists at lower temperatures, and N2O5, for example. Meanwhile, for diesel engines, the emissions situation is different. Owing to their much higher combustion temperatures (resulting from their high cylinder compression ratios as well as turbocharging or supercharging), diesel engines produce much higher engine out emissions than spark ignition gasoline engines. The recent availability of Selective catalytic reduction (SCR) allows properly equipped diesel engines to emit similar values of at the tailpipe compared to a typical gasoline engine with a 3 way catalyst. The SCR changes the harmful nitrogen oxides by adding the solution AdBlue which reduces environmental pollution and protects the exhaust system. In addition, the diesel oxidation catalyst significantly increases the fraction of NO2 in "" by oxidizing over 50% of NO using the excess oxygen in the diesel exhaust gases. The drive to develop a sensor arises from environmental factors. gases can cause various problems such as smog and acid rain. Many governments around the world have passed laws to limit their emissions (along with other combustion gases such as SOx (oxides of sulfur), CO (carbon monoxide) and CO2 (carbon dioxide) and hydrocarbons). Companies have realized that one way of minimizing emissions is to first detect them and then to employ some sort of feedback loop in the combustion process, thereby enabling the minimization of production by, for example, combustion optimization or regeneration of traps. Therefore, in many applications with exhaust gas treatment systems, one NOx sensor is used upstream of the exhaust gas treatment system (upstream) and a second sensor is used downstream of the exhaust gas treatment system. The upstream sensor is used for the aforementioned feedback loop. Meanwhile, the downstream sensor is used mainly to confirm that the legislated emissions limits have not been exceeded.
Қиын орта
Жану ортасының жоғары температурасына байланысты, тек белгілі бір материалдар ғана тікелей ортада жұмыс істей алады. Дамытылған сенсорлардың көп бөлігі керамикалық типтегі металл оксидтерінен жасалған, ең көп қолданылатыны – иттриймен тұрақтандырылған цирконий (YSZ), ол ондаған жылдардан бері қолданылып келе жатқан оттегі сенсорында пайдаланылады. YSZ тығыз керамикаға ығыстырылады және 400°C және одан жоғары температурадағы қаусырмадағы (tailpipe) сияқты жоғары температурада оттегі иондарын (O2−) өткізеді. Сенсордан сигнал алу үшін, платина, алтын немесе палладий сияқты асыл металдар немесе басқа металл оксидтерінен тұратын жоғары температуралы электродтар жұбы бетіне орналастырылады және концентрацияға байланысты кернеу немесе ток өзгерісі сияқты электр сигналы өлшенеді.
Due to the high temperature of the combustion environment, only certain types of material can operate in situ. The majority of sensors developed have been made out of ceramic type metal oxides, with the most common being yttria stabilized zirconia (YSZ), which is currently used in the decades old oxygen sensor. The YSZ is compacted into a dense ceramic and conducts oxygen ions (O2−) at the high temperatures of a tailpipe such at 400 °C and above. To get a signal from the sensor a pair of high temperature electrodes such as noble metals (platinum, gold, or palladium) or other metal oxides are placed onto the surface and an electrical signal such as the change in voltage or current is measured as a function of concentration.
Жоғары сезімталдығы мен беріктігі қажет
NO деңгейі шамамен 100–2000 ppm (миллионнан бір бөлік) және NO2 20–200 ppm шамасында 1–10% O2 аралығында. Сенсор осы деңгейлерді анықтау үшін өте сезімтал болуы керек. Сенсорды әзірлеудегі негізгі қиындықтар – таңдаулылық, сезімталдық, тұрақтылық, қайталанатындық, жауап беру уақыты, анықтау шегі және құны. Сонымен қатар, жанудың қатал ортасының салдарынан газдың жоғары ағыны сенсорды салқындатып, сигналды өзгерте алады немесе уақыт өте электродтардың қабыршақтануына себеп болады, ал күйе бөлшектері материалдарды тозуы мүмкін. Мұндай газ сенсорлары үшін маңызды мәселелердің бірі – ылғалдылық. Сигналға ылғалдың салыстырмалы әсері сенсор түріне байланысты өте әртүрлі болуы мүмкін. Электрохимиялық сенсорлар көбінесе ылғалдың әсеріне төзімді, себебі су молекулалары электролиттің концентрациясын реттеуге көмектеседі, бірақ ұзақ мерзімді құрғақ газға ұшырау электролиттің еріткіш концентрациясын төмендетуі мүмкін. Газ сенсорларында мақсатты газдар мен су молекулалары арасындағы электрон алмасу механизмінің ұқсастығына байланысты жоғары өзара сезімталдық байқалады.
The levels of NO are around 100–2000 ppm (parts per million) and NO2 20–200 ppm in a range of 1–10% O2. The sensor has to be very sensitive to pick up these levels. The main challenges in the sensor development are selectivity, sensitivity, stability, reproducibility, response time, limit of detection, and cost. In addition due to the harsh environment of combustion the high gas flow rate can cool the sensor which alters the signal or it can delaminate the electrodes over time and soot particles can degrade the materials. One of the major challenges faced by such gas sensors is humidity. The relative effect on signal response is highly subjective to the sensor type. Electrochemical sensors are mostly immune from humidity effect as water molecules help regulate the electrolyte concentration but long term exposure to dry gas can reduce the solvent concentration of the electrolyte. High amount of cross sensitivity has been observed in gas sensors due to similarity in electron exchange mechanism between target gases and water molecules.