Un sensor de óxido de nitrógeno o sensor NOx es típicamente un dispositivo de alta temperatura construido para detectar óxidos de nitrógeno en entornos de combustión , como un automóvil , un tubo de escape de camión o una chimenea .
El término NO x representa varias formas de óxidos de nitrógeno como NO ( óxido nítrico ), NO 2 ( dióxido de nitrógeno ) y N 2 O ( óxido nitroso , también conocido como gas de la risa). En un motor de gasolina , el NO es la forma más común de NO x en alrededor del 93%, mientras que el NO 2 es alrededor del 5% y el resto es N 2 O. Hay otras formas de NO x como el N 2 O 4 (el dímero del NO 2 ), que solo existe a temperaturas más bajas, y el N 2 O 5 , por ejemplo. [1]
Mientras tanto, en el caso de los motores diésel, la situación de las emisiones es diferente. Debido a sus temperaturas de combustión mucho más altas (resultado de sus altas relaciones de compresión de los cilindros, así como de la turboalimentación o sobrealimentación), los motores diésel producen emisiones de NOx 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 equipados adecuadamente emitan valores similares de NOx en el tubo de escape en comparación con un motor de gasolina típico con un catalizador de 3 vías . La SCR cambia los óxidos de nitrógeno nocivos 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 NO2 en " NOx " 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 NO x surge de factores ambientales. Los gases NO x pueden causar varios problemas como el smog y la 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 CO 2 ( dióxido de carbono ) e hidrocarburos ). Las empresas se han dado cuenta de que una forma de minimizar las emisiones de NO x es primero detectarlas y luego emplear algún tipo de bucle de retroalimentación en el proceso de combustión, permitiendo así la minimización de la producción de NO x mediante, por ejemplo, la optimización de la combustión o la regeneración de trampas de NO x . 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 se utiliza aguas abajo del sistema de tratamiento de gases de escape. El sensor aguas arriba se utiliza para el bucle de retroalimentación mencionado anteriormente. Mientras tanto, el sensor aguas abajo se utiliza principalmente para confirmar que no se han excedido los límites de emisiones legislados.
Debido a la alta temperatura del entorno de combustión, solo ciertos tipos de materiales pueden operar in situ . La mayoría de los sensores de NO x desarrollados se han fabricado con óxidos metálicos de tipo cerámico , siendo el más común la zirconia estabilizada con itrio (YSZ), que actualmente se utiliza en el sensor de oxígeno de décadas de antigüedad . La YSZ se compacta en una cerámica densa y conduce iones de oxígeno (O 2− ) a las altas temperaturas de un tubo de escape, como 400 °C y más. Para obtener una señal del sensor, se colocan un par de electrodos de alta temperatura, como metales nobles ( platino , oro o paladio ) u otros óxidos metálicos sobre la superficie y se mide una señal eléctrica, como el cambio de voltaje o corriente, en función de la concentración de NO x .
Los niveles de NO rondan las 100–2000 ppm ( partes por millón ) y los de NO 2 las 20–200 ppm en un rango de 1–10 % de O 2 . El sensor debe ser muy sensible para detectar estos niveles.
Los principales desafíos en el desarrollo de sensores son la selectividad, la sensibilidad, la estabilidad, la reproducibilidad, el tiempo de respuesta, el límite de detección y el 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 en la respuesta de la señal es altamente subjetivo al 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 de electrolito, pero la exposición a largo plazo al gas seco puede reducir la concentración de solvente del electrolito. Se ha observado una alta cantidad de sensibilidad cruzada en sensores de gas debido a la similitud en el mecanismo de intercambio de electrones entre los gases objetivo y las moléculas de agua. [2]