Design and experimental study of an air curtain arrangement for protection from soot loading of a solid state nox sensor permanently installed in the exhaust gas duct of a diesel engine

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στο σχεδιασμό και την πειραματική μελέτη μιας διάταξης κουρτίνας αέρα που θα προστατεύει έναν αμπερομετρικό αισθητήρα NOx, αρχικά σχεδιασμένα για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, από επικαθίσεις αιθάλης. Ο αισθητήρας θα προστατεύεται μέσω της ροής πεπιεσμένου αέρα όταν δεν καταγράφει μετρήσεις ώστε να είναι μόνιμα εγκατεστημένος στον αγωγό καυσαερίων του κινητήρα. Δοκιμάστηκαν δύο τύποι αυτής της διάταξης που αποτελούνταν από ένα ομοίωμα αισθητήρα και ένα ακροφύσιο αέρα , για διαφορετικές τιμές της πίεσης του αέρα. Ο ρυθμός επικάθισης της αιθάλης αξιολογήθηκε μέσω τεχνικών επεξεργασίας των εικόνων των αισθητήρων, προκειμένου να καθοριστεί η πλέον αποτελεσματική διάταξη. Στη συνέχεια δοκιμάστηκε η τελική διάταξη που αποτελείται από τον πραγματικό αισθητήρα NOx και το επιλεγμένο ακροφύσιο αέρα. Οι μετρήσεις του αισθητήρων συγκρίθηκαν με ταυτόχρονες μετρήσεις από αναλυτή τύπου χημικής φωταύγειας, που πιστοποιείται από το Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό. Επιπλέον, οι μετρήσεις NOx από τον αισθητήρα καταγράφηκαν με τη συσκευή κουρτίνας αέρα σε λειτουργία, προκειμένου να διερευνηθούν οι επιπτώσεις της λειτουργίας της διάταξης στην ακρίβεια των μετρήσεων του αισθητήρα.

This thesis refers to the design and experimental study of an air curtain arrangement that would protect an amperometric NOX sensor, initially designed for automotive applications, from excessive soot loading. The sensor is purposed to be permanently installed in the engine exhaust duct and it would be protected by the air curtain flow when it does not record measurements. Two types of this arrangement which consisted of a dummy sensor and an air nozzle were tested, for different values of air pressure. The amount of soot deposition was evaluated through processing techniques of dummy sensors’ images, in order to define the most effective arrangement. The final structure which consists of the actual NOX sensor and the selected air nozzle was tested. The sensor readings were compared to simultaneous measurements of a CLD type analyzer, specified by IMO. Moreover, NOX measurements by the sensor were recorded with the air curtain device switched on, in order to investigate the impact of the arrangement’s operation on the sensor’s output.