ES2237009T3 - Sonda de medicion para la deteccion de concentraciones instantaneas de varios componentes gaseosos de un gas. - Google Patents

Sonda de medicion para la deteccion de concentraciones instantaneas de varios componentes gaseosos de un gas.

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Abstract

Sonda de medición para la detección de concentraciones instantáneas de varios componentes gaseosos de un gas, caracterizada porque está disponible una primera zona en la que se registra la concentración instantánea de oxígeno, porque está disponible una segunda zona en la que se determina la concentración instantánea de NH3 y presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NH3 con O2 y porque está disponible una tercera zona en la que se determina la concentración instantánea de NO y que presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NO y NH3 con O2.

Description

Sonda de medición para la detección de concentraciones instantáneas de varios componentes gaseosos de un gas.
La invención se refiere a una sonda de medición para la detección de concentraciones instantáneas de varios componentes gaseosos de un gas, especialmente para la medición de gas de escape, y de gases de escape de combustión procedentes de instalaciones de combustión para combustibles fósiles o biológicos o residuos o de máquinas de combustión interna. Por ejemplo, los motores diesel de coches contienen sustancias nocivas que representan una contaminación medio ambiental. En especial, se encuentran en el centro del interés público como sustancias tóxicas y peligrosas para el medio ambiente los óxidos nitrogenados (óxidos de nitrógeno) y deben eliminarse de la manera más completa posible de los gases de escape de combustión para evitar una contaminación medio ambiental. Ejemplos de tales óxidos de nitrógeno son NO, NO_{2}, NO_{3}, N_{2}O_{3}, N_{2}O_{4} y N_{2}O_{5}. Éstos se conocen de la literatura de los libros de texto, sin embargo tienen una importancia especial NO y NO_{2}.
Según la fuente bibliográfica Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Robert Bosch GmbH, 1991, pág. 513, un gas de escape diesel puede presentar las siguientes composiciones:
NO_{x} 50-2500 ppm,
KW 50-500 ppm C_{1}
CO 100-2000 ppm
Hollín 20-200 mg/m^{3}
H_{2}O (vapor) 2-11% en volumen
O_{2} 2-18% en volumen,
CO_{2} 0-16% en volumen,
N_{2} resto
KW significa hidrocarburos, el H_{2}O se encuentra en forma de vapor, las concentraciones se refieren a los volúmenes. En este sentido, la temperatura es de 100-750ºC, se acepta que la presión no facilitadaes de aproximadamente 1 a 1,05 bar. Adicionalmente puede estar presente SO_{2}.
Los óxidos de nitrógeno NO_{x} se reducen con frecuencia con amoniaco o sustancias que ceden amoniaco como urea, carbonato de amonio, hidrogenocarbonato de amonio, cianato de amonio y otras. En este sentido, la urea puede alimentarse, por ejemplo, en una solución acuosa al 30%, de NH_{3} como gas. En este sentido, la reducción transcurre según las siguientes ecuaciones de reacción:
4 NO + 4 NH_{3} + O_{2} \rightarrow 4 N_{2} + 6 H_{2}O
NO + NO_{2} + 2 NH_{3} \rightarrow 2 N_{2} + 3 H_{2}O
2 NO_{2} + 4 NH_{3} + O_{2} \rightarrow 3 N_{2} + 6 H_{2}O
Para transformar de la manera más completa los óxidos de nitrógeno, se añade de manera conveniente una proporción equimolar o superior de amoniaco. Los pesos moleculares son para NH_{3} = 17, para NO_{2} 46, para NO_{3} 62 y para (N_{2}O_{5})/2 54. Para una transformación estequiométrica, se necesita una proporción en peso aproximadamente triple o una única proporción de volumen de amoniaco, referido a NO_{x}. Si en el caso de la reacción anteriormente facilitada con 2000 ppm de NO_{x} como promedio se acepta un exceso del 3% de amoniaco, entonces 60 ppm de amoniaco permanecen en el gas de escape. Si éstas no deben superarse, entonces la medición debe poder detectar de manera todavía segura 60 ppm con una seguridad de 10 ppm. La medición debe funcionar de manera todavía segura para temperaturas de gas de escape de 100 a 750ºC. Además, no debe alterarse con hollín o polvos de las sales de amonio y el sensor no debe afectarse por la corrosión mediante, por ejemplo, óxidos de
azufre.
En el caso de mediciones falsas se corre el peligro de tener en los gases de escape uno de los contaminantes medio ambientales, amoniaco u óxido de nitrógeno, en gran exceso. Ambos son indeseables para el medio ambiente. Se intenta llevar la concentración de los óxidos de nitrógeno por debajo del valor legalmente permitido y en este sentido, no añadir ningún amoniaco excesivo.
En el documento DE-A-3 721 572 se mide la concentración de NO_{x} en los gases de escape de un motor para la reducción catalítica selectiva de óxidos nitrogenados (NO_{x}) y en función de la concentración de NO_{x} determinada, se añade NH_{3} a un catalizador con la finalidad de la reacción. En este sentido, la regulación de la cantidad de NH_{3} tiene lugar para al menos el 75% por medio de los datos de carga del motor, la parte restante se regula en función de la concentración de NO_{x} medida en los gases de escape. Se espera de esto mejorar las regulaciones hasta el momento lentas de la alimentación de NH_{3} por medio de una medición de la concentración de NO_{x} después del catalizador para un modo de funcionamiento no estacionario, en el que la potencia y el número de revoluciones del motor y con ella la concentración de NO_{x} en la emisión bruta del motor varían rápidamente. Este tiempo de reacción se fija en aproximadamente 1 minuto, durante el cual, en el caso de variación de la cantidad de gas de escape y de la composición de gas de escape, la adición de amoniaco permanece todavía constante, porque la sonda de medición lenta todavía no ha detectado la variación.
A partir del documento EP-B-0 447 537 se conoce además que para el funcionamiento de un catalizador de oxidación la proporción de NH_{3} debe ser lo más pequeña posible para mantener el efecto catalítico para la destrucción de dioxinas.
En la revista especializada "Sensors and Actuators", B4, 1991, página 530, se fija un tiempo de respuesta de 30 s. En este caso se trata del sistema de NH_{3} SOLIDOX que se encuentra en el mercado. También aquí el tiempo de medición es demasiado largo para regular de manera suficiente un modo de funcionamiento no estacionario.
A partir del documento US-A-2.310.472 se conoce el análisis de gases de escape de coche de modo que éstos se queman catalíticamente y el aumento de la temperatura se mide como el aumento de la resistencia del catalizador de combustión. Esto tiene lugar por medio de un puente de Wheatstone. Como catalizador sirve un hilo de platino envuelto con óxido de cerio o un filamento de material catalítico como platino. La adición de amoniaco para la reducción catalítica de NO_{x} del gas de escape de coche no se menciona.
A partir del documento US-A-2.583.930 se conoce el análisis de gases o vapores combustibles de modo que se queman catalíticamente. Como catalizador se propone un hilo de platino o un hilo de platino/rodio, cuya variación de resistencia se mide, de modo que de nuevo se utiliza un puente de Wheatstone. La ventaja especial aquí es que se evita una deriva.
En el documento EP-A-0 591 240 se da a conocer un sensor para la medición de amoniaco. El sensor es sensible a un componente del gas debido a una fina capa de platino o paladio que se aplica sobre una superficie de óxido. Se cataliza por ejemplo, una reacción de combustión y la primera señal es la resistencia eléctrica de un semiconductor. Mediante al menos dos juegos de electrodos que se disponen en diferentes distancias sobre el semiconductor, se reconoce un empeoramiento de la función.
A partir del documento US-A-3.586.486 se conoce el análisis de un gas de escape de coche en el que se utiliza como catalizador para la combustión platino como película de negro de platino con un espesor de 0,0508 mm (0,002 pulgadas). La resistencia del elemento de resistencia catalítico depende de la temperatura, la medición tiene lugar con un puente de Wheatstone.
El documento US-A-4.197.089 comprueba que el sensor anteriormente descrito no trabaja de manera satisfactoria y propone como sensor una película de WO_{3}. Esta se sensibiliza para NH_{3} mediante una pequeña cantidad de un catalizador de platino. El catalizador de platino se encuentra debajo de la película de WO_{3} como capa fina. La variación de resistencia se mide mediante un puente de Wheatstone, de modo que la resistencia de la película de WO_{3} disminuye mediante el medio de reducción H_{2}S o NH_{3}.
A partir del documento DE-A-4 117 143 se sabe cómo analizar la proporción de NH_{3} en gases de escape de coche procedentes de motores diesel de automóviles. NH_{3} se oxida catalíticamente, el aumento de la temperatura del gas producido por el calor de reacción se toma como medida para la concentración de NH_{3}. El catalizador se coloca en el interior del canal en panal de abejas, alternativamente también puede tomarse una corriente de gas parcial. Además, se da a conocer una dosificación estequiométrica de NH_{3} para un funcionamiento de plena carga constante, pero por lo demás la adición superior a la estequiométrica cronometrada es objeto de este documento.
En el documento DE-C-3 543 818 se describe cómo funciona sobre esta base una célula electroquímica de ZrO_{2} para la medición de la concentración de oxígeno en gases. Otro procedimiento también conocido para la medición de la concentración de oxígeno se conoce a partir de una ficha práctica de la empresa Dittrich Elektronik, Bahnhofstra\betae 67 en 76532 Baden-Baden, que está disponible en el mercado junto con la célula de medición de oxígeno.
A partir del documento WO 97/42495 se conoce una célula de cuerpos sólidos electroquímica que sirve para la medición de componentes de una mezcla gaseosa. El sensor comprende un electrodo semiconductor con dos superficies opuestas que comprenden un material semiconductor que experimenta una variación de una resistencia específica en contacto con el componente respectivo. Además, el sensor contiene un electrodo metálico con dos superficies opuestas y un electrolito que está en contacto con la segunda superficie del electrodo semiconductor y la segunda superficie del electrodo metálico. De esta forma ambas superficies primeras contactan la mezcla gaseosa.
La lentitud de los sensores siempre ha sido un problema ya que muy pocos datos de medición o un tiempo de medición demasiado largo complican la regulación del modo de funcionamiento no estacionario.
Se obtienen tiempos de reacción esencialmente más cortos con una sonda de medición con la que tiene lugar simultáneamente la detección de la concentración instantánea de oxígeno, amoniaco y óxido de nitrógeno en gases de escape de combustión. En este sentido, se prevén tres zonas distintas de las cuales en una de ellas se registra la concentración de oxígeno y en las otras dos zonas, preferiblemente basándose en el consumo de oxígeno en el caso de la reacción parcialmente selectiva de amoniaco u óxidos de nitrógeno y amoniaco con oxígeno, se determina la concentración de NH_{3} y NO. También mediante un aumento de la temperatura, que mediante unas concentraciones de amoniaco exotérmico o de amoniaco de importancia más especial. Así, la concentración de amoniaco contenida en los gases de escape de combustión de aproximadamente 60 ppm debe medirse continuamente con una exactitud de 10 ppm, para que basándose en el resultado de medición la dosificación del amoniaco tenga lugar de modo que no se produzca ninguna contaminación medio ambiental digna de mención.
Además de la medición de O_{2}, NH_{3} y NO puede ser ventajoso registrar la concentración de CO en una cuarta zona. Como catalizador se considera en este caso, por ejemplo, oro.
Es especialmente adecuada una sonda de medición cuya primera zona está configurada para el registro de la presión parcial de O_{2}, cuya segunda zona presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NH_{3} con O_{2} y cuya tercera zona presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NO y NH_{3} con O_{2}.
También mediante la medición del calor de combustión en un catalizador de reacción, que tiene como consecuencia por ejemplo un aumento de la resistencia eléctrica, puede establecerse una relación entre el aumento de la temperatura y la concentración de amoniaco. Debe asumirse que los catalizadores de reacción adecuados son conductores eléctricos cuya resistencia eléctrica aumenta, de manera que puede medirse bien, con temperatura creciente.
La disposición de las zonas sobre un soporte común tiene la ventaja de que para las tres zonas existen las mismas condiciones. Esto tiene especial importancia cuando el soporte se configura de manera que permita la conducción de oxígeno y que, junto con las zonas, delimite cámaras llenas de gas en las cuales se ajusta una presión de referencia de oxígeno. El uso de un soporte común produce en este caso la igualdad de las concentraciones de oxígeno. Las condiciones pueden variarse concretamente a lo largo de la corriente de gas. Esto se produce al principio del catalizador donde todavía ha tenido lugar poca reacción, el contenido en O_{2}, NH_{3} y NO es relativamente alto, mientras que los contenidos hacia el final del catalizador disminuyen considerablemente, lo que también se pretende.
Según la invención, pueden medirse de cerca los contenidos en los mismos puntos.
Para evitar una deposición de hollín en la sonda de medición y favorecer la disociación de la molécula de oxígeno, puede preverse un dispositivo de calefacción. De manera ventajosa, el dispositivo de calefacción se dimensiona de modo que en las zonas primera a tercera se alcanza una temperatura de 500-900ºC, preferiblemente 700ºC.
Como sonda de medición es adecuado especialmente una estructura con un soporte de un material en el que puede transportarse O_{2} en forma de iones. El soporte está unido por un lado con una capa de referencia de un material de referencia y presenta por el otro lado también una capa del material de referencia en la que están dispuestas cámaras, de modo que las cámaras están cubiertas mediante placas de un material en el que puede transportarse O_{2} en forma de iones, y en conjunto están cerradas de modo hermético al gas, estando dispuestos catalizadores de reacción sobre las placas. El material de referencia de la capa de referencia provoca con la acción de corriente el transporte de oxígeno en forma de iones a través del soporte a las cámaras y representa de esta manera una magnitud de referencia para la caída de presión parcial del oxígeno en la cámara con respecto a la corriente de gas que debe medirse. En las tres zonas se mide una presión parcial de O_{2}.
De manera ventajosa, la sonda de medición está dotada de medios para el registro de la tensión entre los catalizadores de reacción y la capa de referencia.
Para fijar las placas sobre el soporte es ventajoso un pegamento de vidrio. El pegamento de vidrio no permite la conducción de oxígeno, incluso en el caso de temperaturas de funcionamiento altas y hermetiza las cámaras.
Otro objeto de la presente invención es la utilización de la sonda de medición según la invención en un sistema de catalizadores en el cual se alimenta NH_{3} para la reducción de óxidos de nitrógeno en los gases de combustión, de modo que la sonda de medición está dispuesta al menos a la salida del catalizador y/o en el catalizador después del punto de alimentación de NH_{3}. De manera ventajosa, puede aplicarse una sonda de medición adicionalmente incluso directamente antes del catalizador y/o antes de un punto de alimentación de NH_{3}. A diferencia de los sistemas de catalizadores hasta ahora conocidos, mediante la medición de los óxidos de nitrógeno puntual, de reacción rápida en los gases de combustión, es posible una alimentación de NH_{3} con dosificación precisa, de modo que no se produzca ningún exceso de NH_{3} a partir del sistema de catalizadores.
Gracias a la sonda de medición según la invención, puede realizarse otro sistema de catalizadores que contiene adicionalmente después de un catalizador DeNO_{x} una pieza de catalizador que transforma dioxinas. Una condición previa para la transformación de dioxina en el catalizador es que la concentración de NH_{3} permanezca por debajo de un valor límite determinado.
De manera ventajosa, se regula la alimentación de NH_{3} debido a los resultados de medición de la sonda de medición según la invención.
En el dibujo se representa un ejemplo de realización de una sonda de medición según la invención. Muestran:
la figura 1 una sonda de medición en un corte transversal,
la figura 2 una sonda de medición según la figura 1 en una representación ampliada y
la figura 3 un sistema de catalizadores con la sonda de medición según la invención.
En la figura 1 se muestra una sonda de 3 sensores que es adecuada como sonda de medición para la detección de la concentración instantánea de oxígeno, NH_{3} y NO. Partiendo de una base 1 de soporte de un material conductor de oxígeno, en este caso dióxido de zirconio, ZrO_{2}, se dispone por un lado una capa 2 de material conductor eléctrico. La capa 2 superpuesta está dotada de entalladuras que forman cámaras 6, 7, 8 a través de las placas 3, 4, 5 de cubrimiento sujetas sobre la capa 2 y que forman las zonas primera, segunda y tercera de la sonda de medición.
Sobre las placas 3, 4, 5 de cubrimiento están dispuestas capas 9, 10, 11 que se componen de tres materiales distintos que actúan como catalizadores de reacción. Los catalizadores de reacción son al menos parcialmente selectivos, es decir, favorecen el transcurso de diferentes reacciones.
Sobre el otro lado de la base 1 de soporte está dispuesta otra capa 12 de un material conductor eléctrico, por ejemplo, del mismo material que la capa 2, de modo que en este caso de hacerse hincapié para que el oxígeno pueda penetrar en la base de soporte.
Por esta razón, este lado de la base 1 de soporte no está cubierto completamente por la capa 12, de hecho existen entalladuras 13. Finalmente está prevista una calefacción 14, representada por las resistencias de calefacción 14.1, 14.2, etc.
Para registrar la diferencia de tensión como base para la determinación de las concentraciones instantáneas están previstos conductores que se disponen entre las capas 9, 10, 11 y las capas 3, 4, 5. El conductor básico, GND, está dispuesto entre la capa 2 y la base 1 de soporte.
Además se prevé una fuente 16 de corriente que posibilita un flujo de corriente entre la superficie de la base 1 de soporte cubierta con la capa 12 a las cámaras 6, 7, 8 hacia adentro o afuera. Como consecuencia del flujo de corriente, en las cámaras 6, 7, 8 se ajustan presiones parciales de oxígeno que pueden cambiar en el tiempo, que sin embargo son iguales entre sí en las cámaras 6, 7, 8.
La fuente 16 de corriente se hace funcionar de modo que en la zona en la que se mide oxígeno, entre la capa 9 y el conductor 2 básico se alcanza de manera alternativa un valor límite de tensión superior e inferior de una tensión U_{1}. Para determinar la presión parcial de O_{2} en la corriente de gas, se busca la diferencia de tiempo entre el alcance de los valores límite. Esta diferencia de tiempo depende de la concentración de O_{2} en el gas de escape. La presión parcial de O_{2} en la cámara 6 es en sí insignificante. El tiempo de reacción de la sonda de medición se determina mediante este intervalo de tiempo y depende de la diferencia de presión parcial de O_{2} en la cámara 6 y en la corriente de gas. Esta diferencia es de aproximadamente 10-50 mbar para un tiempo de reacción de 30-40 milisegundos.
En la figura 2 se representa una ampliación de la primera zona de la sonda de medición de la figura 1. Por medio de esta ampliación, se explica el modo de funcionamiento de las zonas individuales dependiendo del material del recubrimiento 9 que actúa como catalizador de reacción. Partiendo de una concentración de oxígeno determinada en la cámara 6, designada como presión parcial p_{1}, se ajusta la diferencia de tensión U_{1} para una presión parcial de oxígeno p_{0}diferente como medida para la concentración que domina en la corriente de gas para una presión ambiental de P_{0}.
La diferencia de tensión U_{1} se registra de manera continua o en intervalos regulares por medio de un captador de valores de medición no representado. Como no fluye ninguna corriente, no tiene lugar ningún transporte de materia a través de la placa 3 de por ejemplo dióxido de zirconio.
La presión parcial de oxígeno p_{1} en la cámara 6 se modifica en el interior de valores límite previamente indicados de una tensión de bombeo U_{p} a través de la capa 12 como conductor de bombeo, lo que tiene lugar a través de la base de soporte de dióxido de zirconio mediante la aplicación de un transporte de materia de iones de oxígeno producido por la acción de la corriente. En este sentido, en el conductor de bombeo tiene lugar una disociación de moléculas de O_{2} en iones O^{-} mediante el uso de un material correspondiente como catalizador, preferiblemente Pt, según la siguiente ecuación:
O_{2} + 2 e^{-} \ \Delta \ 2 \ O^{-}
A través de la base 1 de soporte, se abastece la cámara 6 con iones de oxígeno, de modo que los iones de oxígeno ceden de nuevo su electrón al alcanzar la superficie límite entre la cámara y la base 1 de soporte y penetran en la cámara 6 como moléculas de oxígeno.
Por el hecho de que todas las cámaras 6, 7, 8 presentan la misma concentración de oxígeno, es decir, la misma presión parcial de oxígeno, pueden entonces medirse diferentes tensiones U_{1}, U_{2}, U_{3} (representadas en la figura 1) para las zonas individuales, cuando los recubrimientos 9, 10, 11 conducen a diferentes concentraciones de oxígeno. Esto se consigue porque el recubrimiento 9, 10, 11 se compone de diferentes catalizadores de reacción. En el ejemplo de realización, el catalizador de reacción para medir el contenido en oxígeno es platino, que provoca la disociación de moléculas de O_{2} en iones de oxígeno al suministrar electrones. Para medir la concentración de NH_{3} se utiliza como catalizador de reacción plata (Ag). Para medir la concentración de NO se utiliza como catalizador de reacción wolframio (W).
Por tanto, en los tres catalizadores de reacción distintos en las zonas primera a tercera, tienen lugar reacciones diferentes, al menos parcialmente selectivas de NO y de NH_{3} con O_{2}. Junto con el contenido en oxígeno medido en este punto, puede indicarse la concentración instantánea de NO o NH_{3} debido al consumo de oxígeno al transcurrir las reacciones de transformación según las ecuaciones estequiométricas.
A partir de la diferencia de tensión U_{1}-U_{2}o U_{1}-U_{3}puede indicarse el consumo de O_{2} debido a las ecuaciones de reacción y con ello determinarse la concentración de NO y NH_{3} en la corriente de gas. La presión parcial de O_{2} absoluta en la corriente de gas de escape carece de importancia para esto.
Para la unión hermética al gas de las placas 3, 4, 5 con la capa 2 conductora se utiliza un pegamento 15 no conductor de oxígeno incluso a 700ºC, por medio del cual se presenta también la unión de las placas 3, 4, 5. En este caso es esencial que el pegamento 15 siga siendo no conductor de oxígeno incluso a las temperaturas de funcionamiento de la sonda de medición que se encuentran aproximadamente a 700ºC. Como pegamento 15 es adecuado un polvo de vidrio que tras la aplicación en forma de polvo sobre la base 1 de soporte y la colocación entre sí de las piezas estructurales individuales se fluidifica mediante calor y a continuación produce una unión hermética al solidificar. El pegamento 15 puede extenderse como capa sobre toda la superficie de la base 1 de soporte o sólo disponerse como refuerzo en la zona de las cámaras.
Con la calefacción eléctrica se calienta la sonda a temperaturas de 500-900ºC, preferiblemente 700ºC. Como la sonda es muy pequeña, esta alta temperatura prácticamente no se transmite a la temperatura del gas; aunque éste fuera el caso, no tendría ninguna repercusión sobre el procedimiento.
Como material para la capa 2 conductora y el conductor 12 de bombeo es adecuado platino. Para medir O_{2}, NH_{3} y NO se mide el tiempo para el transporte de O_{2} a través de la base de soporte a la cámara 3, 4, 5 hasta una presión parcial de O_{2} deseada que se corresponde con una tensión nominal determinada.
La sonda de 3 sensores se utiliza para la determinación del estado instantáneo del gas de escape en un sistema de catalizadores DeNO_{x} según la figura 3. El conocimiento del estado instantáneo sirve para regular la alimentación de amoniaco con la finalidad de minimizar las concentraciones o cantidades de NH_{3} y NO después de la salida del catalizador DeNO_{x}. Minimizar significa en este caso que la expulsión de NH_{3} y la expulsión de NO se encuentren por debajo del valor límite permitido o, como caso especial, NO se encuentre por debajo del valor límite permitido y la expulsión de NH_{3} sea de cero.
Para determinar el estado instantáneo del gas de escape del sistema de catalizadores bastan cuatro sondas como se dibuja en la figura 3. Al gas 32 de escape que sale de una máquina 31 de combustión interna se suministra NH_{3} mediante la alimentación de NH_{3} gaseoso o mediante suministro de sustancias que ceden amoniaco procedentes de un depósito 33 de almacenamiento. El gas de escape con el NH_{3} suministrado entra en un catalizador 34 en el cual reaccionan al menos parcialmente los óxidos de nitrógeno NO_{x} con el NH_{3}. Del catalizador 34 sale entonces la corriente 35 de gas purificada.
La sonda 36 después del catalizador 34 DeNO_{x} indica el estado final alcanzado. La sonda 37 en el catalizador 34, se prefiere la posición después del primer tercio de la longitud del catalizador, muestra todavía un valor claramente distinto de cero para NH_{3} y NO y da información sobre el efecto del catalizador en las condiciones dominantes del suministro de amoniaco, temperatura, antigüedad del catalizador, etc.
La sonda 38 directamente antes del catalizador 34 muestra la composición de la mezcla de gas de escape y amoniaco. La sonda 39 directamente después de la máquina 31 de combustión interna muestra la composición del gas 32 de escape. En este punto, el gas de escape todavía no contiene amoniaco. Si se indica amoniaco aquí mediante la sonda 39, entonces sólo puede tratarse de un componente en el gas de escape que simula NH_{3}, que debe llevarse entonces a la salida mediante las siguientes sondas.
Para alcanzar el objetivo pretendido son posibles las siguientes combinaciones de sondas:
a) 36, 37, 38, 39
b) 36, 37
c) 36, 38
d) 37, 38
e) 36
Adicionalmente a las señales de las sondas 36-39 también puede buscarse para la regulación el ajuste del motor, como número de revoluciones y carga, así como ajuste de la mezcla. Las mediciones y regulaciones ilustradas pueden utilizarse en todos los gases de escape de combustión, especialmente en los gases de escape de combustión de motores Otto y motores diesel para camiones y automóviles, para turbinas de gas, para centrales térmicas de carbón, para centrales térmicas de tratamiento de residuos, centrales termoeléctricas en bloques, instalaciones de combustión de residuos especiales o gases de escape de túneles. La invención es especialmente ventajosa para composiciones de gases de escape que cambian rápidamente, tal como aparecen en el caso de modo de conducción y de funcionamiento no estacionario.
La sonda de medición se coloca en un tubo para protegerla de la contaminación, que por el lado del gas está protegido frente a la penetración de partículas sólidas de manera conocida por medio de una placa de metal sinterizado. Como la sonda de medición se calienta a una temperatura superior al punto de deposición de hollín, en la sonda de medición no se forma ningún condensado. Debido a la alta temperatura de la sonda, se queman residuos restantes eventuales, de modo que se garantiza una seguridad de funcionamiento.
La sonda de 3 sensores se compone de tres células de dióxido de zirconio (células de ZrO_{2}) que pueden transportar como electrolito sólido oxígeno en forma de iones de una manera conocida a temperatura elevada de 500-900ºC.
El sensor de amoniaco en la sonda de 3 sensores funciona de la siguiente manera: sobre la placa 4 de dióxido de zirconio se aplica una capa fina de un material catalítico, en el que reacciona amoniaco con oxígeno a 500-900ºC. Este catalizador de reacción es por ejemplo plata. La reacción en esta zona tiene lugar según la siguiente ecuación:
4 NH_{3} + 3 O_{2} \rightarrow 2 N_{2} + 6 H_{2}O \ (con \ Ag)
A partir de la concentración de oxígeno así reducida, medida en comparación con el sensor de oxígeno directamente adyacente, resulta la concentración de amoniaco subyacente.
El sensor en el interior de las sondas de 3 sensores para óxido de nitrógeno contiene sobre la placa 5 de dióxido de zirconio una capa fina de una material que actúa catalíticamente, por ejemplo, wolframio, en el que tiene lugar la reacción de óxido de nitrógeno con amoniaco y oxígeno. Esto se produce según la siguiente ecuación de reacción:
4 NO + 4 NH_{3} + O_{2} \rightarrow 4 N_{2} + 6 H_{2}O \ (con \ catalizador)
El consumo de oxígeno en este catalizador de reacción, por ejemplo, wolframio (W) con respecto al resultado de medición del sensor de oxígeno directamente adyacente, es una medida para la concentración de óxido de nitrógeno subyacente.
No es necesario que ambas reacciones mencionadas transcurran de manera selectiva ni al 100% en los catalizadores de reacción de los que aquí puede mencionarse por ejemplo, Ag y W. Cada una de las reacciones debe transcurrir sólo hasta una proporción claramente mayor. En el catalizador de reacción de NH_{3}, plata, también puede tener lugar parcialmente la otra reacción, concretamente la de NO, NH_{3} y O_{2}. Además, la oxidación de NH_{3} asignada aquí también puede tener lugar a algo menos del 100%. Asimismo, la reacción de NO, NH_{3} y O_{2} también transcurre sólo principalmente en el wolframio. Mediante calibrado, pueden asignarse los consumos de oxígeno, medidos como déficit con respecto al resultado de medición del sensor de oxígeno, a las concentraciones de NH_{3} y NO.
Los catalizadores de reacción para el sensor de NH_{3} pueden ser: Ag, Pd, Pt, Ru, Ir, In, Ni, TiO_{2}, para el sensor de NO W, V205. Los catalizadores de reacción mencionados se aplican en una capa fina sobre el dióxido de zirconio. En el transcurso de la reacción pueden presentarse en forma transformada, por ejemplo como óxido o con oxígeno adsorbido.
Mediante la unión de los tres sensores para dar una sonda de 3 sensores de pequeñas dimensiones con medidas de aproximadamente 1x1x1 cm se miden al mismo tiempo en el mismo punto las concentraciones de gas de oxígeno, NH_{3} y NO. En el caso de que en un sistema de catalizadores se dispongan varias sondas, se entiende el transcurso de las concentraciones y el transcurso de las reacciones de los componentes del gas de escape O_{2}, NH_{3} y NO a lo largo de la corriente de gas de escape de la salida del motor hasta el extremo del catalizador. La velocidad de medición es tanto mayor cuando menor es el volumen de las cámaras 3, 4, 5 y se encuentra en el intervalo de milisegundos a centésimas de segundo. De esta manera también puede medirse la variación temporal de los componentes del gas de escape incluso en el caso de funcionamiento extremadamente no estacionario. De esta manera, la regulación del suministro de amoniaco puede tener lugar directamente. Debido a la unión de los tres sensores sobre una única sonda de medición se abren nuevas posibilidades, que no parecían posibles según el estado de la técnica hasta la fecha.
Con la sonda de medición según la invención pueden solucionarse los siguientes problemas:
Como la velocidad de medición debido a la pequeñez es muy grande, las señales pueden generarse y utilizarse en el intervalo de milisegundos a centésimas de segundo. Se registran enseguida rápidas variaciones en el caso del modo de funcionamiento no estacionario.
\newpage
Como los tres componentes gaseosos O_{2}, NH_{3} y NO se miden simultáneamente y prácticamente en el mismo lugar, se conocen simultáneamente los reactivos más importantes del gas de escape.
Como la magnitud de referencia O_{2} siempre se mide en el mismo lugar que NH_{3} y NO, también en el caso de variación rápida de la concentración de O_{2} en el gas de escape no aparece ningún dato falso.
Como la sonda de medición es pequeña y compacta, puede utilizarse en diversos puntos de la ruta del gas de escape entre la salida del gas de escape procedente de la máquina de combustión y la salida del gas de escape purificado después del catalizador. De esta manera, puede registrarse también la variación del gas de escape a los largo de la ruta del gas de escape. Cuatro puntos de medición serían ventajosos.
Las 12 señales totales en el caso de cuatro puntos de medición, en cada caso 4 para O_{2}, NH_{3} y NO, pueden utilizarse mediante lógica Fuzzy para la regulación del suministro de NH_{3} y con ello para minimizar la cantidad de NH_{3} y NO en la salida.
Para mejorar la precisión de medición de todo el sistema, antes de la alimentación de NH_{3} la sonda 39 de medición puede tener lugar para el reconocimiento de señal de NH_{3} simulada, por ejemplo, mediante hidrocarburos y considerarse en los siguientes sensores. La sonda necesaria para ello podría designarse como sonda de comparación.

Claims (12)

1. Sonda de medición para la detección de concentraciones instantáneas de varios componentes gaseosos de un gas, caracterizada porque está disponible una primera zona en la que se registra la concentración instantánea de oxígeno, porque está disponible una segunda zona en la que se determina la concentración instantánea de NH_{3} y presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NH_{3} con O_{2} y porque está disponible una tercera zona en la que se determina la concentración instantánea de NO y que presenta un catalizador de reacción al menos para la reacción parcialmente selectiva de NO y NH_{3} con O_{2}.
2. Sonda de medición según la reivindicación 1, caracterizada porque está disponible una cuarta zona para la determinación de la concentración instantánea de CO.
3. Sonda de medición según la reivindicación 1, caracterizada porque la primera zona está configurada para el registro de la presión parcial de O_{2}.
4. Sonda de medición según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las zonas están dispuestas sobre una base (1) de soporte común.
5. Sonda de medición según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque se prevé un dispositivo (14) de calefacción.
6. Sonda de medición según la reivindicación 5, caracterizada porque el dispositivo (14) de calefacción está dimensionado de modo que se alcanza una temperatura de 500 a 900ºC.
7. Sonda de medición según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque se une una capa (12) de referencia de un material de referencia con el soporte (1), de modo que el soporte (1) se compone de un material en el que puede transportarse O_{2} en forma de iones, porque en el otro lado del soporte (1) está dispuesta una capa (2) del material de referencia con cámaras (6, 7, 8), porque las cámaras (6, 7, 8) están cubiertas por placas (3, 4, 5) de un material en el que el O_{2} puede transportarse en forma de iones y cerradas de manera hermética al gas y porque sobre las placas (3, 4, 5) se disponen los catalizadores (9, 10, 11) de reacción.
8. Sonda de medición según la reivindicación 7, caracterizada porque se prevén medios para el registro temporal de la tensión entre los catalizadores (9, 10, 11) de reacción y la capa de referencia.
9. Sonda de medición según una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizada porque entre las placas (3, 4, 5) y el soporte (1) está dispuesto un pegamento (15) de vidrio.
10. Sistema de catalizadores para la reducción de óxidos de nitrógeno en gases de combustión mediante reacción con NH_{3}, caracterizado porque la sonda (36, 37) de medición según una de las reivindicaciones 1 a 9 está dispuesta al menos a la salida del catalizador y/o en el catalizador después del punto de alimentación de NH_{3}.
11. Sistema de catalizadores según la reivindicación 10, caracterizado porque la sonda (38, 39) de medición se aplica adicionalmente directamente antes del catalizador y/o antes de un punto de alimentación de NH_{3}.
12. Procedimiento para minimizar la expulsión de NH_{3} y NO procedentes de un sistema de catalizadores según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque se utilizan los resultados de medición de las sondas de medición para regular la alimentación de NH_{3}.
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