Un sensor de óxido de nitrógeno o sensor de NO x suele ser un dispositivo de alta temperatura construido para detectar óxidos de nitrógeno en entornos de combustión como un automóvil , el tubo de escape de un camión o una chimenea .
El término NOx representa varias formas de óxidos de nitrógeno como NO ( óxido nítrico ), NO2 ( dióxido de nitrógeno ) y N2O ( óxido nitroso , también conocido como gas de la risa). En un motor de gasolina , el NO es la forma más común de NO x con alrededor del 93%, mientras que el NO 2 ronda el 5% y el resto es N 2 O. Existen otras formas de NO x como el N 2 O 4 (el dímero de NO 2 ), que sólo existe a temperaturas más bajas, y N 2 O 5 , por ejemplo. [1]
Mientras tanto, para los motores diésel, la situación de las emisiones es diferente. Debido a sus temperaturas de combustión mucho más altas (resultantes de sus altas relaciones de compresión de cilindros, así como de turbocompresor o sobrealimentador), los motores diésel producen emisiones de NO x mucho más altas que los motores de gasolina de encendido por chispa. La reciente disponibilidad de la reducción catalítica selectiva (SCR) permite que los motores diésel debidamente equipados emitan valores similares de NO x en el tubo de escape en comparación con un motor de gasolina típico con un catalizador de 3 vías . El SCR cambia los dañinos óxidos de nitrógeno añadiendo la solución AdBlue que reduce la contaminación ambiental y protege el sistema de escape. Además, el catalizador de oxidación diésel aumenta significativamente la fracción de NO 2 en " NO x " al oxidar más del 50% de NO utilizando el exceso de oxígeno en los gases de escape diésel .
El impulso para desarrollar un sensor de NOx surge de factores ambientales. Los gases NOx pueden causar diversos problemas como smog y lluvia ácida . Muchos gobiernos de todo el mundo han aprobado leyes para limitar sus emisiones (junto con otros gases de combustión como SOx (óxidos de azufre ), CO ( monóxido de carbono ) y CO2 ( dióxido de carbono ) e hidrocarburos ). Las empresas se han dado cuenta de que una forma de minimizar las emisiones de NO x es detectarlas primero y luego emplear algún tipo de circuito de retroalimentación en el proceso de combustión, permitiendo así minimizar la producción de NO x mediante, por ejemplo, la optimización de la combustión o la regeneración de NO x . trampas. Por lo tanto, en muchas aplicaciones con sistemas de tratamiento de gases de escape, se utiliza un sensor de NOx aguas arriba del sistema de tratamiento de gases de escape (aguas arriba) y un segundo sensor aguas abajo del sistema de tratamiento de gases de escape. El sensor aguas arriba se utiliza para el circuito de retroalimentación antes mencionado. Mientras tanto, el sensor aguas abajo se utiliza principalmente para confirmar que no se han superado los límites de emisiones legislados.
Debido a la alta temperatura del ambiente de combustión, sólo ciertos tipos de material pueden operar in situ . La mayoría de los sensores de NOx desarrollados se han fabricado a partir de óxidos metálicos de tipo cerámico , siendo el más común el circonio estabilizado con itria (YSZ), que se utiliza actualmente en el sensor de oxígeno que tiene décadas de antigüedad . El YSZ se compacta formando una cerámica densa y conduce iones de oxígeno (O 2 − ) a las altas temperaturas de un tubo de escape, como 400 °C o más. Para obtener una señal del sensor, se colocan sobre la superficie un par de electrodos de alta temperatura, como metales nobles ( platino , oro o paladio ) u otros óxidos metálicos, y se mide una señal eléctrica, como el cambio de voltaje o corriente, como una función de la concentración de NO x .
Los niveles de NO rondan entre 100 y 2000 ppm ( partes por millón ) y los de NO 2, entre 20 y 200 ppm en un rango de 1 a 10 % de O 2 . El sensor tiene que ser muy sensible para detectar estos niveles.
Los principales desafíos en el desarrollo de sensores son la selectividad, sensibilidad, estabilidad, reproducibilidad, tiempo de respuesta, límite de detección y costo. Además, debido al duro entorno de combustión, el alto caudal de gas puede enfriar el sensor, lo que altera la señal o puede deslaminar los electrodos con el tiempo y las partículas de hollín pueden degradar los materiales.
Uno de los principales desafíos que enfrentan estos sensores de gas es la humedad. El efecto relativo sobre la respuesta de la señal es muy subjetivo según el tipo de sensor. Los sensores electroquímicos son en su mayoría inmunes al efecto de la humedad, ya que las moléculas de agua ayudan a regular la concentración del electrolito, pero la exposición prolongada al gas seco puede reducir la concentración de disolvente del electrolito. Se ha observado una gran sensibilidad cruzada en los sensores de gas debido a la similitud en el mecanismo de intercambio de electrones entre los gases objetivo y las moléculas de agua. [2]