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日本开发出可用于汽车尾气检测的NOx传感器 |
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| http://cn.newmaker.com
7/10/2007 10:13:00 PM
佳工机电网
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日本产业技术综合研究所（简称产综研）开发出高灵敏度、快速测定的NOx传感器。可即时测量NOx浓度来控制发动机燃烧。还可降低柴油车等的NOx排放量并提高燃效。
此前的NOx传感器在发动机尾气等严酷环境下的耐久性和耐热性较低。作为解决办法，一部分研究人员开始开发采用陶瓷固态电解质（氧离子导体）的传感器，不过由于结构一直很复杂，必须组合多种电化学反应才能测定NOx浓度，所以本质上很难实现快速测定。因此可用于车载的NOx传感器始终没有能够实际应用。
产综研先进制造工艺研究部门——功能模块化研究小组的产综研特别研究员濱本 孝一等开发的NOx传感器，通过精密控制检测NOx的电极表面的纳米结构，实现了极高的NOx分子选择性能。通过改进电化学单元结构、直接检测NOx分子，检测速度比此前提高了约5倍，并且NOx分子的检测灵敏度提高了约2倍。
汽油发动机车型方面，稀薄燃烧（Lean Burn）发动机用NOx吸藏还原触媒已开始实际应用。稀薄燃烧时，使碱类物质吸收NOx，吸收量达到饱和时，使发动机发生Rich Spike（燃料过量供给），利用瞬时增加的燃料来还原并净化吸附的NOx。不过，目前的技术为：在发动机的使用范围内测绘尾气状态，通过模型演算来推算NOx的吸收量，并求出Rich Spide的开始时刻。由于该方法没有直接测定尾气中的NOx浓度，所以有必要验证是否在在任何条件下都能正常发挥作用。
另一方面，柴油发动机车型由于NOx和未燃碳是此消彼涨的关系，降低NOx的排放量，PM的排放量将增加，所以有必要使用NOx传感器将NOx的排放控制在规定值，以便把PM的排放量降低到最小。
由于这一原因，业界热切期待着开发出检测速度快、检测灵敏度和定量测量性能高的小型车载高性能NOx传感器。通过监测每时每刻的NOx排放量、仅提供最低限度的Rich Spide来节约燃料，实现效率更高的NOx排放控制并提高燃效。
此次的成果是将钪（Sc）稳定型氧化锆陶瓷作为电解质，控制检测电极的微细结构得到的，300℃以下的低温下仍能够对NO分子有很高的检测能力和很快的响应速度，能够应用于混合电位型传感器。
混合电位型传感器通过数种气体产生的电位差之和来测定气体浓度。特别是对于NOx的浓度变化，通过努力使得传感器的电位差能够发生显著变化。
实际制成的传感器为1cm×2.5mm×300nm左右的电化学单元。传感器采用脉冲激光沉积法（Pulsed Laser Deposition，PLD），在SiO2底板上形成氧化锆陶瓷等。在350℃下，对于用含5%氧气的氮气稀释的1000ppm NO气体进行检测时，该电化学单元能够产生约100mV的电压变化。对于很难检测的NO气体，也显示出了全球最高级别的检测特性。
此外，检测电极的微细结构调整到了最佳状态，90%的检测的响应速度都在5秒以下（根据测量条件的不同，已经确认实际的检测速度还要更快）。结构未实现最佳状态时的元件响应速度，在600℃以上的高温下，最快也需要1分钟以上。一般来说，由于混合电位型传感器的响应速度依赖于气体的吸附脱落能力，在气体吸附脱离速度较慢的低温下，传感器的响应速度就将变慢。因此，此前300℃低温下的混合电位型传感器的开发几乎没有取得什么进展。
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