日本產業技術綜合研究所(簡稱產綜研)開發出高靈敏度、快速測定的NOx傳感器。可即時測量NOx濃度來控制發動機燃燒。還可降低柴油車等的NOx排放量并提高燃效。
此前的NOx傳感器在發動機尾氣等嚴酷環境下的耐久性和耐熱性較低。作為解決辦法,一部分研究人員開始開發采用陶瓷固態電解質(氧離子導體)的傳感器,不過由于結構一直很復雜,必須組合多種電化學反應才能測定NOx濃度,所以本質上很難實現快速測定。因此可用于車載的NOx傳感器始終沒有能夠實際應用。
產綜研先進制造工藝研究部門——功能模塊化研究小組的產綜研特別研究員濱本孝一等開發的NOx傳感器,通過精密控制檢測NOx的電極表面的納米結構,實現了極高的NOx分子選擇性能。通過改進電化學單元結構、直接檢測NOx分子,檢測速度比此前提高了約5倍,并且NOx分子的檢測靈敏度提高了約2倍。
汽油發動機車型方面,稀薄燃燒(LeanBurn)發動機用NOx吸藏還原觸媒已開始實際應用。稀薄燃燒時,使堿類物質吸收NOx,吸收量達到飽和時,使發動機發生RichSpike(燃料過量供給),利用瞬時增加的燃料來還原并凈化吸附的NOx。不過,目前的技術為:在發動機的使用范圍內測繪尾氣狀態,通過模型演算來推算NOx的吸收量,并求出RichSpide的開始時刻。由于該方法沒有直接測定尾氣中的NOx濃度,所以有必要驗證是否在在任何條件下都能正常發揮作用。
另一方面,柴油發動機車型由于NOx和未燃碳是此消彼漲的關系,降低NOx的排放量,PM的排放量將增加,所以有必要使用NOx傳感器將NOx的排放控制在規定值,以便把PM的排放量降低到最小。
由于這一原因,業界熱切期待著開發出檢測速度快、檢測靈敏度和定量測量性能高的小型車載高性能NOx傳感器。通過監測每時每刻的NOx排放量、僅提供最低限度的RichSpide來節約燃料,實現效率更高的NOx排放控制并提高燃效。
此次的成果是將鈧(Sc)穩定型氧化鋯陶瓷作為電解質,控制檢測電極的微細結構得到的,300℃以下的低溫下仍能夠對NO分子有很高的檢測能力和很快的響應速度,能夠應用于混合電位型傳感器。混合電位型傳感器通過數種氣體產生的電位差之和來測定氣體濃度。特別是對于NOx的濃度變化,通過努力使得傳感器的電位差能夠發生顯著變化。
實際制成的傳感器為1cm×2.5mm×300nm左右的電化學單元。傳感器采用脈沖激光沉積法(PulsedLaserDeposition,PLD),在SiO2底板上形成氧化鋯陶瓷等。在350℃下,對于用含5%氧氣的氮氣稀釋的1000ppmNO氣體進行檢測時,該電化學單元能夠產生約100mV的電壓變化。對于很難檢測的NO氣體,也顯示出了全球最高級別的檢測特性。
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