أكاسيد النيتروجين (يُطلق عليها مجتمعةً NOₓ، وبشكل أساسي NO وNO₂) هي نواتج ثانوية للاحتراق عالي الحرارة في محركات الاحتراق الداخلي. تُسهم هذه الغازات بشكل كبير في تكوّن الضباب الدخاني، والأمطار الحمضية، ومشاكل الجهاز التنفسي. ولمواجهة هذه المخاطر، تُطبّق الجهات التنظيمية حول العالم حدودًا صارمة لغاز NOₓ، مما يجعل الرصد الدقيق حجر الزاوية في أي استراتيجية حديثة للحد من الانبعاثات.

1. كيف تعمل أجهزة استشعار NOₓ: المبادئ الأساسية

في جوهرها، تقيس أجهزة استشعار NOₓ كيمياء غاز العادم باستخدام المبادئ الكهروكيميائية أو مبادئ الحالة الصلبة:

• أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية: تحتوي هذه الأجهزة على قطبين كهربائيين مغمورين في محلول إلكتروليتي. عندما تنتشر جزيئات NOₓ عبر غشاء انتقائي، تخضع لتفاعلات أكسدة واختزال عند القطبين، مما ينتج تيارًا يتناسب مع تركيز الغاز. حساسيتها العالية واستجابتها الخطية تجعلها خيارًا شائعًا لأنظمة الاختزال الانتقائي التحفيزي.
• أجهزة استشعار الحالة الصلبة: باستخدام مواد شبه موصلة من أكسيد معدني، تكتشف هذه المستشعرات غاز NOₓ من خلال رصد تغيرات المقاومة أثناء امتصاص الجزيئات وتفاعلها على سطح المستشعر. وقد عززت التطورات في علوم المواد (مثل السيريوم المشبع أو أكاسيد المعادن المختلطة) انتقائيتها ومرونتها في درجات الحرارة.

بغض النظر عن النوع، يجب أن تتحمل أجهزة استشعار NOₓ درجات حرارة العادم التي غالبًا ما تتجاوز 600 درجة مئوية، مما يتطلب هياكل قوية وعزل حراري وعناصر تسخين نشطة للحفاظ على ظروف التشغيل المثالية.

2. دور مستشعرات NOₓ في المعالجة اللاحقة لـ SCR

تعتمد أنظمة التخفيض التحفيزي الانتقائي (SCR) على قياسات دقيقة لـ NOₓ لتحسين جرعات اليوريا (AdBlue):

1. الاستشعار المسبق لـ SCR: يقع هذا المستشعر أعلى المحفز، ويوفر مستويات NOₓ في الوقت الفعلي لوحدة التحكم في المحرك (ECU).
2. التحكم في حقن اليوريا: تقوم وحدة التحكم الإلكترونية بحساب حجم اليوريا المطلوب استنادًا إلى إشارة NOₓ العلوية وخوارزميات الجرعات.
3. التحقق بعد SCR: يضمن مستشعر NOₓ الثاني الموجود في اتجاه مجرى النهر أن المحفز يقلل بشكل فعال من NOₓ إلى نيتروجين (N₂) وماء غير ضار، مع منع انزلاق الأمونيا.

إن حلقة التغذية الراجعة هذه ضرورية: فقلة اليوريا تؤدي إلى تجاوزات NOₓ، في حين أن كثرة اليوريا تؤدي إلى انبعاثات الأمونيا - وكلا السيناريوهين يعرضان الامتثال وأداء المحرك للخطر.

3. التأثير الصحي والبيئي والتنظيمي

من خلال دمج أجهزة استشعار NOₓ، يمكن للمصنعين تلبية اللوائح الصارمة مثل Euro 7 وEPA Tier 3 وChina 7. مراقبة NOₓ في الوقت الفعلي:

• حماية الصحة العامة: يقلل من الملوثات المسببة للضباب الدخاني المرتبطة بالربو وأمراض القلب والأوعية الدموية.
• يحافظ على النظم البيئية: يحد من الأمطار الحمضية التي تضر بالتربة والغابات وأنظمة المياه العذبة.
• يتجنب العقوبات: ضمان اجتياز المركبات لتشخيصات السيارة على متن السيارة (OBD) واختبارات الانبعاثات أثناء القيادة الحقيقية (RDE) دون عمليات استدعاء أو غرامات باهظة الثمن.

4. التطلع إلى المستقبل: ما وراء استشعار NOₓ التقليدي

وتشمل الاتجاهات الناشئة ما يلي:

• وحدات الغاز المتعددة المتكاملة: دمج أجهزة استشعار NOₓ وO₂ وNH₃ في غلاف واحد لتسهيل التركيب وتوفير التكاليف.
• التشخيص المدعوم بتقنية إنترنت الأشياء: يتيح الاتصال السحابي لمديري الأساطيل مراقبة أداء NOₓ عبر آلاف المركبات، وتحديد القيم المتطرفة في الوقت الفعلي.
• المواد المتقدمة: تبشر الأبحاث المتعلقة بأفلام الاستشعار النانوية منخفضة الطاقة بميزانيات حرارية أقل وأوقات استجابة أسرع.

تُعدّ مستشعرات NOₓ ركيزةً أساسيةً في ضوابط الانبعاثات الحديثة، إذ تجمع بين كيمياء الاحتراق وفعالية المعالجة اللاحقة. ومع تشديد اللوائح وتطور التكنولوجيا، ستواصل هذه المستشعرات تعزيز التنقل الأنظف والأكثر صحةً وامتثالاً للمعايير.