Датчики оксидов азота в системах контроля выбросов
Nitrogen oxide sensor
Датчики оксидов азота (NOx) для авто и промышленности: обнаружение NO, NO2, N2O в выхлопных газах. Различия в выбросах бензиновых и дизельных двигателей.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Датчик оксидов азота или NOx-датчик — это обычно высокотемпературное устройство, предназначенное для обнаружения оксидов азота в средах сгорания, таких как выхлопная система автомобиля или грузовика, либо дымовая труба.
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.
Обзор
Термин представляет собой несколько форм оксидов азота, таких как NO (оксид азота), NO2 (диоксид азота) и N2O (оксид азота, также известный как закись азота). В бензиновом двигателе наиболее распространенной формой является NO, составляющая около 93%, в то время как NO2 составляет около 5%, а остальное - N2O. Существуют и другие формы, такие как N2O4 (димер NO2), который существует только при более низких температурах, и N2O5, например. Между тем, для дизельных двигателей ситуация с выбросами отличается. Из-за их гораздо более высоких температур сгорания (в результате высоких степеней сжатия цилиндров, а также турбонаддува или механического наддува), дизельные двигатели производят значительно более высокие выбросы NOx, чем бензиновые двигатели с искровым зажиганием. Недавняя доступность селективного каталитического восстановления (SCR) позволяет правильно оборудованным дизельным двигателям демонстрировать сопоставимые уровни NOx на выходе, как и типичный бензиновый двигатель с трехкомпонентным катализатором. SCR преобразует вредные оксиды азота путем добавления раствора AdBlue, что снижает загрязнение окружающей среды и защищает выхлопную систему. Кроме того, дизельный окислительный катализатор значительно увеличивает долю NO2 в выбросах NOx, окисляя более 50% NO за счет избыточного кислорода в выхлопных газах дизельного топлива. Необходимость разработки датчика NOx обусловлена экологическими факторами. Газы NOx могут вызывать различные проблемы, такие как смог и кислотные дожди. Многие правительства по всему миру приняли законы, ограничивающие их выбросы (наряду с другими продуктами сгорания, такими как SOx (оксиды серы), CO (оксид углерода) и CO2 (углекислый газ) и углеводороды). Компании осознали, что один из способов минимизации выбросов NOx – это сначала их обнаружить, а затем использовать обратную связь в процессе сгорания, тем самым обеспечивая минимизацию образования NOx, например, за счет оптимизации сгорания или регенерации сажевых фильтров. Поэтому во многих системах очистки выхлопных газов используется один датчик NOx перед системой очистки выхлопных газов (по потоку), а второй – после системы очистки выхлопных газов (против потока). Датчик, установленный перед системой, используется для вышеупомянутой обратной связи, а датчик, установленный после системы, в основном служит для подтверждения того, что установленные нормативные пределы выбросов не превышены.
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.
Сложные условия
Из-за высокой температуры среды сгорания только определенные типы материалов могут функционировать непосредственно в ней. Большинство разработанных датчиков изготавливаются из керамических оксидов металлов, наиболее распространенным из которых является цирконий, стабилизированный иттрием (YSZ), который уже десятилетиями используется в кислородных датчиках. YSZ прессуется в плотную керамику и проводит ионы кислорода (O2−) при высоких температурах, например, в выхлопной трубе при 400 °C и выше. Для получения сигнала от датчика на его поверхность наносятся пара высокотемпературных электродов, таких как благородные металлы (платина, золото или палладий) или другие оксиды металлов, и измеряется электрический сигнал – изменение напряжения или тока – в зависимости от концентрации.
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.
Требуется высокая чувствительность и долговечность
Уровни NO находятся в пределах 100–2000 ppm (частей на миллион), а NO2 – 20–200 ppm при содержании O2 от 1 до 10%. Датчик должен быть очень чувствительным для регистрации этих уровней. Основными задачами при разработке датчика являются селективность, чувствительность, стабильность, воспроизводимость, время отклика, предел обнаружения и стоимость. Кроме того, из-за агрессивной среды сгорания высокая скорость потока газа может охлаждать датчик, что искажает сигнал, или со временем приводить к расслоению электродов, а частицы сажи – к деградации материалов. Влажность является одной из основных проблем для таких газовых датчиков. Степень влияния на отклик сигнала сильно зависит от типа датчика. Электрохимические датчики в основном нечувствительны к влажности, поскольку молекулы воды помогают регулировать концентрацию электролита, однако длительное воздействие сухого газа может снизить концентрацию растворителя в электролите. Высокая перекрестная чувствительность в газовых датчиках обусловлена схожим механизмом обмена электронами между целевыми газами и молекулами воды.
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.