Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài :“Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong” Giới hạn nghiên cứu của đề tài: - Máy đo dùng chủ yếu

`

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÂN TÍCH

KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Sinh viên thực hiện: VĂN QUỐC

Đà Nẵng – Năm 2019

`

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

Nhóm sinh viên thực hiện

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương sau:

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Tổng quan ô nhiễm môi trường hiện nay, tác hại của thành phần khí phát thải đến môi trường và sức khỏe con người Tổng quan máy phân tích khí thải

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức Một số yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí xả Các tiêu chuẩn về khí thải động cơ đốt trong Lượng khí thải theo lý thuyết, cơ sở kĩ thuật đo lường, lý thuyết tín hiệu và cảm biến

Chương 3: CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Thiết kế chế tạo các bộ phận cần thiết cho máy phân tích khí thải động cơ đốt trong

Chương 4: CHUẨN MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI VÀ ĐO THỰC NGHIỆM

Chuẩn máy phân tích khí, đo thực nhiệm và đánh giá khả năng sai số của thiết bị

So sánh và đánh giá kết quả

` ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Văn Quốc Số thẻ sinh viên: 103150070

Lớp: 15C4A Khoa: Cơ khí giao thông Ngành: Kĩ thuật cơ khí

1 Tên đề tài đồ án:

Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

- Hỗn hợp khí thải động cơ xe Honda WAVE RSX 110cc có chứa các chất CO2,

CO, HC, NOx, O2, N2

- Đề tài chỉ tập trung phân tích nồng độ các chất CO2, CO, HC

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Chuẩn khí CO2 trong máy phân tích khí thải và đo thực nghiệm

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

- Bản vẽ kết cấu các cảm biến (1A3)

- Bản vẽ mạch điện module các cảm biến (1A3)

- Bản vẽ sơ đồ thuật toán (1A3)

- Bản vẽ mạch điện tử trong máy phân tích khí thải (1A3)

- Bản vẽ sơ đồ bố trí máy phân tích khí thải (1A3)

- Bản vẽ sơ đồ bố trí đo thực nghiệm (1A3)

- Bản vẽ đồ thị biểu diễn nồng độ phát thải theo độ mở bướm ga (1A3)

- Bản vẽ mô phỏng biến thiên môi chất công tác trong các quá trình của động cơ (1A3)

- Bản vẽ đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên các chất (1A3)

6 Họ và tên người hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga

ThS Võ Anh Vũ

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/09/20119

8 Ngày hoàn thành đồ án: 18/12/2019

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

i

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự phái triển của loài người, con người luôn tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết

bị sản phẩm nhằm thoả mãn các nhu cầu của mình Sự đi lại là một trong những nhu cầu thiết yếu đó Chính vì vậy, động cơ ô tô đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này Cùng với sự phái triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật động cơ, ô tô càng ngày càng hoàn thiện

Tuy nhiên ngoài những mặt tích cực còn có mặt tiêu cực đó là sự ô nhiễm do động cơ sinh ra Sự ô nhiễm đó càng ngày càng nghiêm trọng ảnh hưởng tới môi trường sống của con người Chính vì vậy, các nhà khoa học cùng với các nhà sản suất ngày nay đang nghiêm cứu, áp dụng các phương pháp mới để tăng hiệu quả, hiệu suất của động

cơ cùng với việc giảm sự ô nhiễm do động cơ gây ra

Một trong những phương hướng giải quyết vấn nạn này là kiểm soát các loại động cơ ô tô đang hoạt động, kiểm soát các loại động cơ ô tô nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo thân thiện với môi trường Như vậy cần có một hệ thống thiết bị đánh giá

đo lường tình trạng khí thải của động cơ, đặc biệt cần có một lớp cán bộ kỹ sư đủ trình

độ, khả năng sử dụng thiết bị quản lý theo dõi tình trạng chung của các loại xe và phân tích xử lý các vấn đề liên quan Nhưng hiện nay trên thị trường chỉ có các loại máy phân tích khí thải của các hảng sản xuất từ Hàn Quốc, Mỹ, Đức và những thiết bị này có giá thành rất cao Vậy nên cần có một thiết bị đáp ứng các nhu cầu trên và đảm bảo được tính kinh tế cho sản phẩm

Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài :“Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong”

Giới hạn nghiên cứu của đề tài:

- Máy đo dùng chủ yếu để đo giá trị tương đối của các chất ô nhiễm, nói cách khác chỉ so sánh mức độ phát thải của chúng trong những trường hợp vận hành khác nhau của động cơ

- Nghiên cứu chuẩn máy đo dựa vào kết quả cho bởi máy đo chuyên dụng, không

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

ii

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với bất kỳ đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định

Sinh viên thực hiện

Văn Quốc

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

iii

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu i

Cam đoan ii

Mục lục iii

Danh sách các hình vẽ v

Danh sách các bảng……….………vi

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay 2

1.2 Tác hại của thành phần khí phát thải đến môi trường và sức khỏe con người 3 1.2.1 Đối với sức khỏe con người 3

1.2.2 Đối với môi trường 5

1.3 Tổng quan máy phân tích khí thải 7

1.3.1 Giới thiệu chung 7

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy phân tích khí thải 7

1.3.3 Phân loại máy phân tích khí thải 10

1.4 Kết luận 15

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 Cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức 16

2.1.1 Cơ chế hình thành COx 16

2.1.2 Sự hình thành hydrocarbure (HC) 18

2.1.3 Sự hình thành NOx 22

2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí xả 24

2.2.1 Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển động cơ 24

2.2.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng 24

2.2.3 Ảnh hưởng từ trạng thái vận hành động cơ 26

2.3 Các tiêu chuẩn về khí thải động cơ đốt trong 26

2.3.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu 26

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

iv

2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác 30

2.3.3 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam 32

2.3.4 Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam 35

2.4 Lượng khí thải theo lý thuyết 35

2.4.1 Phản ứng cháy nhiên liệu hydrocarbon 35

2.4.2 Mô phỏng phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy 110cc 36

2.5 Cơ sở kỹ thuật đo lường 40

2.5.1 Khái niệm về kỹ thuật đo lường và đặc trưng 40

2.5.2 Cơ sở kĩ thuật đo lường 41

2.6 Lý thuyết tín hiệu và cảm biến 44

2.6.1 Lý thuyết tín hiệu 44

2.6.2 Lý thuyết cảm biến 45

2.7 Phân tích và chọn cảm biến CO 2 46

2.7.1 Cảm biến khí CO2 (MG811)………46

2.7.2 Sơ đồ thuật toán và chương trình viết cho cảm biến CO2 ………48

2.8 Kết luận 51

Chương 3: CHUẨN KHÍ CO2 TRONG MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI VÀ ĐO THỰC NGHIỆM 52

3.1 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải 52

3.2 Chuẩn máy phân tích khí theo thang tương đối 52

3.3 Chuẩn khí CO2 dựa kết quả máy đo chuẩn của Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng 55

3.3.1 Phương pháp chuẩn 55

3.3.2 Bố trí thực nghiệm 55

3.3.3 Xây dựng phương trình nồng độ phát thải cho máy đo chế tạo 56

3.3.4 Kết quả chuẩn máy đo theo máy phân tích khí thải của Trung tâm đăng kiểm xe Cơ giới Đà Nẵng 56

3.4 Đánh giá khả năng sai số của thiết bị đối với khí CO 2 57

3.5 So sánh và đánh giá kết quả 58

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

v

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phổ bức xạ từ mặt trời 5

Hình 1.2 Phổ bức xạ từ mặt đất 6

Hình 1.3 Hiệu ứng nhà kính 6

Hình 1.4 Máy phân tích khí 3 pipette 8

Hình 1.5 Máy phân tích khí 1 pipette 8

Hình 1.6 Hình minh họa của loại thiết bị phân tích bằng phương pháp này 9

Hình 1.7 Máy phân tích khí F5000 10

Hình 1.8 Thiết bị đo và phân tích khí thải Testo 350 11

Hình 1.9 Thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng CAP3200 Class 0 11

Hình 1.10 Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng - Opus 400 12

Hình 1.11 Máy đo nồng độ khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000(Hàn Quốc) 13

Hình 1.12 Bộ đo khói động cơ diesel AT605 14

Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO 16

Hình 2.2 So sánh nồng độ CO trên đường thải cho bởi mô hình và thực nghiệm 17

Hình 2.3 So sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp 17

Hình 2.4 So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm cho bởi mô hình và thực nghiệm 18

Hình 2.5 Biến thiên nồng độ các Hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu 19

Hình 2.6 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy 19

Hình 2.7 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 20

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến sự 23

Hình 2.9 Mô phỏng phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy 110cc 38

Hình 2.10 Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên CO2 theo góc quay trục khuỷu 39

Hình 2.11 Ảnh hưởng tốc độ động cơ đến biến thiên CO2 theo góc quay trục khuỷu 40

Hình 2.12 Sơ đồ biến đổi đo thẳng 42

Hình 2.13 Sơ đồ đo kiểu so sánh 43

Hình 2.14 Cảm biến MG-811 46

Hình 2 15 Cấu trúc cảm biến MG811 47

Hình 2.16 Mạch điện module cảm biến MG811 48

Hình 2 17 Sơ đồ thuật toán 49

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

vi

Hình 3.1 4lít khí CO2 53Hình 3.2 4 lít khí CO2 và 16 lít không khí được hòa trộn đều 53Hình 3.3 Chuẩn nồng độ khí CO2 54Hình 3.4 Bố trí thực nghiệm trên xe Wave RSX tại Trung Tâm Đăng Kiểm Xe Cơ Giới

Đà Nẵng 55Hình 3.5 Mối quan hệ của điện áp và nồng độ khí CO2 56Hình 3.6 Đồ thị diễn biến nồng độ phát thải CO2 của xe gắn máy Ware RSX theo % bướm ga 57

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km 26

Bảng 2.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ 27

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel, g/kWh) 29

Bảng 2.4 Tiêu chuẩn liên bang về giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải 30

Bảng 2.5 Tiêu chuẩn khí thải cho xe con 30

Bảng 2.6 Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diezen 31

Bảng 2.7 Tiêu chuẩn khí thải ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL 31

Bảng 2.8 Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 31

Bảng 2.9 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả của các phương tiện vận tải 33

Bảng 2.10 Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 – 2001 33

Bảng 2.11 Quy định thành phần khí thải cho phép cho động cơ xăng 34

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải chế tạo 52

Bảng 3.2 Sai số tương đối và tuyệt đối của khí CO2 58

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

PPM Đơn vị đo mật độ thường dành cho các mật độ tương đối thấp

DC Dòng điện một chiều

Ф Tỉ lệ hỗn hợp

HSU Độ khói

CC Dung tích công tác của động cơ

fi Hệ số tương đương của động cơ

MG811 Cảm biến phát hiện khí CO2

Vcc Điện thế dương

GRD Chân tiếp đất

AOUT Tín hiệu đầu ra của chân analog

DOUT Tín hiệu đầu ra của chân digital

X Đại lượng cần đo

X0 Đơn vị đo

Ax Giá trị bằng số của đại lượng cần đo

CHỮ VIẾT TẮT:

LPG (Liquefied Petroleum Gas) Khí hóa lỏng

CNG (Compressed Natural Gas) Khí nén tự nhiên

RON (Research Octane Number) Chỉ số Octan

PWM (Pulse Width Modulation) là những chân có thể băm xung

ĐCT (Điểm chết trên) Điểm chết mà tại đó pit-tông ở xa tâm trục khuỷu nhất ĐCD (Điểm chết dưới) Điểm chết mà tại đó pit-tông ở gần tâm trục khuỷu nhất WHO (World Health Organization) Tổ chức y tế thế giới

MỞ ĐẦU

I MỤC ĐÍCH LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Để kiểm soát các loại động cơ ô tô đang hoạt động, kiểm soát các loại động cơ

ô tô nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo thân thiện với môi trường Như vậy cần có một

hệ thống thiết bị đánh giá đo lường tình trạng khí thải của động cơ

Xuất phát từ thực tế đó thì đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong góp phần tạo ra một thiết bị giá rẻ, và độ chính xác cao

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

- Tìm hiểu về các loại cảm biến, vi điều khiển Arduino và mối quan hệ của chúng

- Tính toán các sai số của thiết bị

III PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1 Phạm vi nghiên cứu

- Máy phân tích khí thải trên động cơ đốt trong

- Máy đo được các loại khí thải như HC, CO, CO2

- Tính toán, thiết kế vỏ, khung máy

2 Đối tượng nghiên cứu

Máy phân tích khí thải động cơ đốt trong

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Về lý thuyết

- Sử dụng các giáo trình, tài liệu nước ngoài, các bài báo, các trang web về vi điều khiển, cảm biến và các máy đo khí thải khác

- Sử dụng excel để tính toán, xây dựng biểu đồ

- Sử dụng các phần phềm thiết kế Catia, CAD để thiết kế máy phân tích khí thải

2 Về thực nghiệm

- Sau khi chế tạo xong phần vỏ máy thì tiến hành lắp đặt các hệ thống khác lên

máy phân tích khi thải

- Sử dụng phần mềm Arduino để lập trình cho các cảm biến đo được chuẩn xác

- Chạy thử nghiệm sau khi lắp đặt

- Kiểm tra độ ổn định của hệ thống trong máy phân tích khí thải để tiến hành điều

chỉnh cho hợp lí

- Đo đạc các thông số và tiến hành điều chỉnh chương trình để máy hoạt động ổn

định

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay

Ngày 7/5/2014, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã ra báo cáo bày tỏ lo ngại trước thực trạng chất lượng không khí tại các thành phố trên toàn thế giới đang ngày càng xấu

đi, vượt quá mức độ cho phép về độ ô nhiễm và gây tác động xấu tới sức khỏe con người

Số liệu kiểm định chất lượng không khí của Tổ chức y tế thế giới (WHO) tại 1.600 thành phố thuộc 91 quốc gia và vùng lãnh thổ trên tất cả các châu lục cho thấy chỉ có 12% dân

số ở những nơi này được sống trong bầu không khí đạt các tiêu chuẩn quy định của WHO

Số còn lại phải sống ở những nơi có không khí ô nhiễm nặng nề, khiến họ thường xuyên mắc các bệnh về hô hấp và các trọng bệnh khác

Theo thống kê của WHO, chỉ tính riêng trong năm 2012, trên toàn thế giới có 3,7 triệu người dưới 60 tuổi vì mắc các bệnh do ô nhiễm không khí gây ra

So với những năm trước đây, chất lượng không khí tại tất cả các thành phố trên thế giới đều đang "xuống dốc" và đương nhiên, điều đó khiến cho số nạn nhân tiếp tục tăng lên Lý do được WHO đưa ra để lý giải cho tình trạng này là khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải ở đô thị ngày càng tăng.[7]

Ở Việt Nam, theo công bố của Cục Đăng kiểm Việt Nam kết quả về khảo sát nghiên cứu về môi trường đô thị thì hầu hết các loại khí độc hại như HC, CO, CO2, SO2, NOx trong môi trường không khí tại các đô thị Việt Nam đều vượt tiêu chuẩn cho phép

Ở những nơi mật độ giao thông cao, tình trạng ùn tắc giao thông thường xuyên thì mức độ ô nhiễm và các chất độc hại trên tăng gấp hơn hai lần so với tiêu chuẩn cho phép

Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm không khí chính là khí xả của động cơ bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn Trong đó, khí thải do đốt nhiên liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn nhất

Môi trường không khí bị ô nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con người đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế Trước thực trạng lượng xe cơ giới ngày một tăng

và trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí thì cách tốt nhất là phải kiểm soát được việc phát thải của các phương tiện cơ giới tham gia giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

1.2 Tác hại của thành phần khí phát thải đến môi trường và sức khỏe con người

Đối với môi trường: góp phần làm biến đổi khí hậu như thay đổi nhiệt độ khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính, băng tan ở vùng Bắc và Nam cực có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời, hủy hoại thảm thực vật trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại

1.2.1 Đối với sức khỏe con người

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với không khí chỉ sinh ra CO2,

H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như

do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.[1]

Một trong những thông số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số tương đương fi Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng

Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả Trong số các chất ô nhiễm chính trong khí thải động cơ trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe con người thì CO, HC và NOx

là các chất đáng quan tâm nhất

Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon Cacbon monoxit là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng quá lớn

CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong Nồng độ chỉ khoảng 0,1% cacbon monoxit trong không khí cũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí

CO có tính liên kết với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần

so với oxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu không thể chuyên chở oxy đến tế bào CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin của cơ tim.[8]

Hydrocarbon (HC): Hydrocarbon(HC) hiện diện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn do thiếu oxy hoặc do một số hiện tượng cháy không bình thường khác Hydrocarbon thơm (CnH2n-6) là nhóm hydrocarbon gây tác hại mạnh nhất đến sức khỏe con người Từ lâu người ta đã phát hiện được vai trò của hydrocacbon thơm đa vòng (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques -HAP) trong bệnh ung thư máu khi nồng

độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3 Hydrocarbon thơm còn có thể là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan

Oxit nitơ (NOx): là sản phẩm oxy hoá nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao trên 1100 0C Oxit nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng NO và NO2, trong đó NO chiếm tỷ lệ lớn nhất NO

là khí không màu, không mùi, không gây hại nhưng nó dễ biến đổi thành NO2 trong điều kiện tự nhiên NO2 là khí có màu nâu đỏ, mùi gắt, khứu giác có thể phát hiện khi nồng

độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hư hại các tế bào của cơ quan

hô hấp Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3 [1]

Ngoài các chất ô nhiễm gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người thì trong khí thải động cơ còn có CO2 là chất khí gây hiệu ứng nhà kính Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Hiệu ứng nhà kính đã và đang gây tác động mạnh mẽ đến biến đổi khí hậu Mực nước biển dâng là một trong những hậu quả do biến đổi khí hậu gây ra mà Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất

Vì vậy nghiên cứu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải ô nhiễm môi trường luôn là vấn đề thời sự trên thế giới Để đánh giá được mức độ phát thải của động

cơ đốt trong ngươi ta phải sử dụng các thiết bị phân tích khí Các thiết bị này có độ nhạy

và độ chính xác cao nên rất đắt tiền Do tiếp xúc với các chất ăn mòn nên thiết bị hỏng hóc nhanh chóng Điều này gây khó khăn đáng kể cho công tác nghiên cứu động cơ đốt trong

Trong thực tế áp dụng, rất nhiều trường hợp chúng ta chỉ cần biết một cách định tính sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm khi thay đổi chế độ vận hành hay thành phần nhiên liệu Trong những trường hợp đó, chúng ta không cần dùng đến các thiết bị chính xác đắc tiền mà chỉ cần thiết bị cho phép so sánh nồng độ tương đối các chất ô nhiễm Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung thiết kế, chế tạo máy so sánh nồng độ các chất

CO, HC và CO2

1.2.2 Đối với môi trường

➢ Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:

Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt lượng mà nó nhận được Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các hình 1.1 và hình 1.2 Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4-0,73μm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15μm)

Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất (hình 1.3) Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính

Hình 1.1 Phổ bức xạ từ mặt trời

Hình 1.2 Phổ bức xạ từ mặt đất

Hình 1.3 Hiệu ứng nhà kính Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người

ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi Khi

đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất:

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển

- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.[1]

➢ Ảnh hưởng đến sinh thái

Ô nhiễm môi trường có ảnh hưởng đến hệ sinh thái, nơi mà tất cả chúng ta đang sinh sống Khi đất bị ô nhiễm sẽ làm đất đai cằn cỗi, cây cối không thể phát triển được, ảnh hưởng đến rất nhiều các loài sinh vật Đất bị ô nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, không thích hợp cho cây trồng Điều này sẽ ảnh hưởng đến các cơ thể sống khác trong lưới thức ăn

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ

từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa.[1]

Bên cạnh đó, ô nhiễm không khí gây ra mưa axit, gây ra hiện tượng khói bụi che chắn làm giảm ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến sự quang hợp và phát triển của thực vật…Lưu huỳnh điôxít và các ôxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ pH của đất

Hiện tượng ô nhiễm môi trường cũng khiến các loài động vật có thể xâm lấn,cạnh tranh chiếm môi trường sống và làm nguy hại cho các loài địa phương, từ đó làm giảm

đa dạng sinh học Khí CO2 sinh ra từ các nhà máy và các phương tiện qua lại còn làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm Trái Đất ngày một nóng dần lên, các khu sinh thái sẵn có dần bị phá hủy.[9]

Với những chia sẻ trên, bài viết hi vọng đã đem đến những thông tin hữu ích, giúp bạn trả lời câu hỏi ô nhiễm môi trường gây ra những hậu quả gì và tác hại của hiện tượng này đến đời sống con người và sinh vật

1.3 Tổng quan máy phân tích khí thải

1.3.1 Giới thiệu chung

Máy đo khí thải động cơ là một thiết bị phát hiện sự hiện diện của các chất khí trong một khu vực Đây là loại thiết bị được sử dụng để phát hiện rò rỉ hay hàm lượng của một chất khí trong môi trường, khi phát hiện ra khí máy có thể tạo ra một âm thanh báo động cho các nhà khai thác trong khu vực nơi bị rò rỉ xảy ra, cho họ cơ hội để rời khỏi khu vực Loại máy dò khí này là rất quan trọng bởi vì có rất nhiều loại khí có thể gây hại cho cuộc sống con người và động vật

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy phân tích khí thải

Từ những năm 30 của thế kỉ XX, người ta đã phân tích hỗn hợp khí nhờ sự khác biệt về tính dẫn nhiệt của các thành phần Phương pháp này đã nhận được rất nhiều sự chú ý Tuy nhiên, trong trường hợp các loại khí có độ dẫn nhiệt cao như hydro hoặc heli,

ngay cả với một lượng nhỏ, sẽ có sự khác biệt đáng kể về độ dẫn nhiệt tổng thể, hoặc độ dẫn so với không khí Nhiều ứng dụng của nguyên lý phân tích độ dẫn nhiệt đã được thực hiện và gần đây phương pháp này đã được đề xuất và chế tạo được thiết bị để phân tích khí thải từ động cơ ô tô( hình 1.4 và 1.5)

Hình 1.4 Máy phân tích khí 3 pipette

Hình 1.5 Máy phân tích khí 1 pipette

Trong thiết bị này, các công cụ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt do sự khác biệt giữa hydro và carbon dioxide, vì hydro tăng và carbon dioxide làm giảm độ dẫn nhiệt của hỗn hợp khí Giới hạn phạm vi của các thiết bị như vậy là xấp xỉ ở tỷ lệ nhiên liệu không khí là 17, tại đó giảm hàm lượng CO2, không có hydro và tăng hàm lượng không khí cho một sự khác biệt tối đa ở khí của một hỗn hợp lý thuyết hoàn hảo

Ngoài ra, người ta còn phân tích khí theo phương pháp phân tích đốt cháy: Về mặt phong phú của một hỗn hợp hoàn hảo về mặt lý thuyết, có một lượng đáng kể các khí dễ cháy Lượng khí như vậy (CO, H2, CH4) tăng lên khi hỗn hợp trở nên giàu hơn

và thực tế này đã được sử dụng làm cơ sở cho các công cụ đốt cháy phần còn lại cháy

và xác định nhiệt giải phóng Quá trình đốt cháy được thực hiện bằng cách thừa nhận không khí cùng với khí thải và sau đó đốt cháy chất xúc tác dễ cháy trên bề mặt của dây bạch kim nóng hoặc chất xúc tác khối Trong cả hai trường hợp, sự gia tăng nhiệt độ cho dấu hiệu định lượng Các công cụ như vậy đòi hỏi phải điều tiết lưu lượng nếu kết quả

là chỉ định Thành công được đánh dấu đã dẫn đến việc ứng dụng chung các công cụ này vào động cơ ô tô như một tính năng dịch vụ thông thường.[6]

Hình 1.6 Hình minh họa của loại thiết bị phân tích bằng phương pháp này

1.3.3 Phân loại máy phân tích khí thải

Ngày nay, với sự phát triển khoa học và kĩ thuật, nhiều loại máy đo khí thải động

cơ đốt trong đã được ra đời với nhiều phương pháp đo như phương pháp đo nồng độ chất khí theo điện áp, sử dụng các cảm biến để nhận biết nồng độ khí thải

Trên thị trường hiện nay có 2 loại máy phân tích khí thải:

1.3.3.1 Máy phân tích khí thải động cơ xăng

Máy phân tích khí F5000 dùng để đo và phân tích khí thải dạng cầm tay được thiết kế chuyên biệt để kiểm tra độ an toàn, sự hoạt động của động cơ để tuân thủ các tiêu chuẩn về khí thải của các phương tiện vận tải, xe cơ giới, xe nâng, ô tô, xe tải, xe buýt xe máy… và các phương tiên khác F5000 phù hợp để theo dõi khí thải từ các phương tiện chạy diesel, xăng, Propan, khí LGP và CNG.[10]

Máy phân tích khí thải động cơ xăng mexa 554J được hảng Banzai của Nhật sản xuất Máy có thể đo được các nồng độ các chất như CO, CO2, O2, HC

Máy đo khí thải Testo 350 có xuất xứ từ Đức được chấp nhận bởi các tổ chức TÜV (Đức), MCERTS (Anh), EPA (Mỹ) đo các thông số như nồng độ khí O2, CO, NO,

NO2, NOx, SO2, CO2, H2S, CxHy, nhiệt độ, vận tốc lưu lượng khí thải, áp suất, …

Hình 1.8 Thiết bị đo và phân tích khí thải Testo 350

Hình 1.9 Thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng CAP3200 Class 0

Đặc tính thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng:

• Đáp ứng tiêu chuẩn OIML R99 Class 0, ISO 3930

• Màn hình hiển thị LCD lớn với 5 phím, có khả năng hiển thị các các thành phần khí xả O2, CO2, CO, HC, tính toán và hiển thị chỉ số lambda, hiển thị nhiệt độ dầu động cơ, tốc độ vòng quay động cơ

• Có cảm biến đo tốc độ vòng quay động cơ kiểu cảm ứng (kẹp bugi)

• Có cảm biến đo tốc độ vòng quay động cơ lấy tín hiệu xung nạp điện trên ắc quy, chuyền vào máy chính bằng bluetooth

• Thời gian làm nóng: < 5 phút với 20oC

• Nguồn điện: 90 - 260 VAC, 50/60 Hz [11]

Hình 1.10 Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng - Opus 400 Máy phân tích khí xả động cơ xăng OPUS 400 là dòng sản phẩm nâng cấp từ máy Opus 40 với nhiều tính năng nhiều hơn đặc biệt có thời gian khởi động ngắn hơn nhiều so với Opus 40 và được trang bị hệ thống bảo vệ hư hại do nước (Aqua Sense) OPUS 400 được chế tạo đạt tiêu chuẩn chất lượng cao sẽ là sự lựa chọn hàng đầu cho các trung tâm đăng kiểm và thử nghiệm xe cơ giới, các phòng thí nghiệm về động cơ, các dây truyền kiểm tra xe trong các nhà máy lắp ráp ô tô, xe máy, các gara và các trung tâm dịch vụ

Các loại khí có thể đo và dải đo:

• Đo nồng độ khí CO với giải đo 0 – 15 vol.%

• Đo nồng độ HC với giải đo 0 – 15000 ppm

• Đo nồng độ CO2 với giải đo 0 – 20 vol.%

• Đo nồng độ O2 với giải đo 0 -25 vol.%

• Đo hệ số lambda với giải đo 0.6-1.7

• Đo hệ số AFR với giải đo 0-35

• Đo nồng độ NOx với giải đo 0-5000 vol.ppm

• Đo tốc độ động cơ (2 kỳ hoặc 4 kỳ) với giải đo 0-9999 vòng/phút

• Đo nhiệt độ dầu với giải đo 0-1600C [12]

1.3.3.2 Máy phân tích khí thải động cơ diesel

Máy đo khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000 là sản phẩm có chức năng đo khí diesel hoàn toàn tự động và giúp kỹ thuật viên đưa ra đánh giá chính xác về nồng độ khí thải của từng dòng xe, động cơ Sản phẩm được KINGTECH nhập khẩu và phân phối trên toàn quốc và đặc biệt sản phẩm này sẽ luôn có mức chiết khấu tốt nhất dành cho những khách hàng thân thiết [14]

Hình 1.11 Máy đo nồng độ khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000(Hàn Quốc)

Các loại khí có thể đo và dải đo:

+ CO, HC, CO2: Phân tích hồng ngoại phân tán (NDIR)

+ O2, NOx: Phân cực điện hóa

• CO: Dải đo:0.00 ~ 9.99%

Độ chính xác: 0.01%

Thông số đo:

• Dải đo khói: 0 – 99,9%

• Độ phân dải: 0.1

• Dải đo hệ số K: 0 – 99,9 Km-1

• Độ phân dải phép đo hệ số K: 0,01

• Dải đo nhiệt độ: 0 – 1500oC

• Độ phân dải phép đo nhiệt độ: 10oC

• Dải đo tốc độ: 0 – 9990 vòng /phút

• Nhiệt độ làm việc: 0 – 400oC

• Buồng đo được điều chỉnh ở nhiệt độ: 90 – 950oC

• Thời gian sấy: Tối đa 2 phút

• Nguồn cấp: Bộ chuyển đổi 230AC/12VDC [14]

1.4 Kết luận

Không riêng gì ở Việt Nam mà ngay cả các nước trên thế giới việc kiểm soát và nâng tiêu chuẩn khí thải động cơ đốt trong là vấn đề rất cần thiết Máy đo khí thải đã được nghiên cứu, đánh giá về tính kinh tế cũng như hiệu quả phân tích và đánh giá hiệu quả thực trạng nồng độ khí thải của các phương tiện giao thông hiện nay Tuy nhiên, lượng máy đo khí thải vẫn chưa được phổ biến; chủ yếu tại các Trung tâm Đăng kiểm bởi vì phải nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao Vì vậy, cần tạo ra sản phẩm riêng cho nước ta với giá thành thấp và hiệu quả

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức

2.1.1 Cơ chế hình thành COx

➢ Sự hình thành CO: CO là chất khí không màu, không mùi và rất nguy hiểm cho

sức khỏe con người, vì nó khống chế sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu, khiến các

bộ phận trong cơ thể bị thiếu ô xy có thể gây tử vong khi nồng độ CO trong không khí khoảng 1000 ppm Khoảng 70% CO trong khí quyển là do khí xả động cơ gây ra CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình cháy, được hình thành tại khu vực cháy có nhiệt độ cao Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp tức hệ số dư lượng không khí (λ), trong sản phẩm cháy của nhiên liệu Hydrocacbon thơm (C8H18) Ở nhiệt độ cao ngay cả hỗn hợp nghèo, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO Hình 2.1 biểu diễn hệ số

dư lượng không khí đến nồng độ CO trong sản phẩm cháy của nhiên liệu C8H18, [1]

Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO Động cơ làm việc ở chế độ tải thấp, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận lợi từ đó hình thành những vùng cháy không hoàn toàn, cục bộ, nên nồng độ CO trong khí xả cao cho dù λ khi nạp ở giá trị lý thuyết Do đó, ôtô xe máy chạy trong thành phố, thì phát thải CO nhiều, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp

➢ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO

✓ Ảnh hưởng của áp suất nạp: Áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp, kéo

theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh, sẽ làm tăng khả năng cháy không

hoàn toàn, do đó làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy So sánh nồng độ CO đo được trên đường thải và nồng độ CO cho bởi tính toán trình bày như trên hình 2.2

Hình 2.2 So sánh nồng độ CO trên đường thải cho bởi mô hình và thực nghiệm

✓ Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp: Cũng như trường hợp cháy ngoài khí quyển,

nồng độ CO đo trên đường xả tăng rất nhanh theo độ đậm đặc Ф (Ф = 1/λ).Nồng độ CO đạt khoảng 0,5% ở Ф = 0,75 tăng lên đến 2,1% ở Ф = 1,2 Trên hình 2.3 so sánh nồng

độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp [1]

Hình 2.3 So sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp

✓ Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Góc đánh lửa sớm cũng gây ảnh hưởng đến nồng

độ CO trên đường xả Nếu đánh lửa trễ, quá trình cháy kéo dài, điều kiện cháy trở nên xấu đi

sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn do đó làm tăng nồng độ CO

Hình 2.4 So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm cho bởi mô hình và thực nghiệm

✓ Ảnh hưởng của hệ số khí sót: Khí sót có mặt trong hỗn hợp là do khí cháy của

chu trình trước còn sót lại trong xy lanh; sự hồi lưu khí xả; chế độ tải động cơ, độ đậm đặc của hỗn hợp và tỉ số nén Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào sự điều chỉnh xupap, đặc biệt là khoảng trùng điệp (khi khoảng trùng điệp tăng thì lượng khí sót tăng) Khí sót giữ vai trò kìm hãm tốc độ cháy (làm bẩn hỗn hợp), làm giảm nhiệt độ cháy sự giảm nồng độ NOx và CO Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC Hiện nay, trên một số động

cơ hiện đại sử dụng hệ thống hồi lưu khí xả EGR để khống chế NOx

2.1.2 Sự hình thành hydrocarbure (HC)

➢ Cơ chế hình thành HC

Sự phát sinh hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động cơ: Sự phát sinh hydrocarbon chưa cháy gọi là HC HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có hại đối với sức khỏe con người cũng như và môi trường HC hình thành do sự không đồng nhất của hỗn hợp và đặc biệt là ở khu vực gần vách buồng cháy (khu vực

có nhiệt độ thấp) Trên hình 2.5 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một

xy lanh

Hình 2.5 Biến thiên nồng độ các Hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu

Cơ chế tôi màng lửa: Tôi màng lửa diễn ra khi khí cháy tiếp xúc với thành buồng

cháy, quá trình này xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, như khe hở giữa piston và thành xy lanh (hình 2.6) Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (như: nắp xy lanh, xy lanh, piston, xupap…) hay ở những không gian chết Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau như: nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ

số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy…

Hình 2.6 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: Trong giai đoạn đầu, màng

lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra sau đó diễn ra sự khuếch tán hay sự ô xy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình ô xy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thể bị ô xy hóa trong quá trình giãn

nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xy lanh có thể hấp thụ hydrocarbure nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kỳ giãn nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan trọng trong khí xả động cơ đốt trong.[1]

➢ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC:

✓ Các không gian chết trong buồng cháy: Các không gian chết như khe hở giữa

piston với xéc măng và xy lanh, không gian quanh cực giữa của bugi, không gian quanh nấm và đế xu páp, không gian giữa thân máy, đệm và nắp xy lanh (hình 2.7) được xem

là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC Ở thời điểm tăng áp suất nén, hòa khí được đẩy vào các không gian chết Trong giai đoạn cháy, màng lửa lan đến các khu vực này để đốt cháy hỗn hợp hoặc nó có thể bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi áp suất giảm chúng quay ngược lại xy lanh

Hình 2.7 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

Vị trí của bugi cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu bugi đặt gần không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu

bugi đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy Lượng khí lọt xuống cacte trong quá trình nén và cháy cũng là nguồn phát sinh HC nếu nó được thải trực tiếp ra ngoài Nếu buồng cháy thiết kế hợp lý thì sẽ góp phần giảm đáng kể nồng

độ HC trong khí xả

✓ Sự tôi màng lửa trên thành buồng cháy: Bề dày của lớp bị tôi thay đổi từ 0,05

mm đến 0,4mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ Khi tải càng thấp thì lớp tôi càng dày Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần tử HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị ô xy hóa Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC, nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng độ HC tương tự như trường hợp

buồng cháy nhám

✓ Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn: Khi dầu bôi trơn được hòa

lẫn với nhiên liệu, như trường hợp động cơ xăng 2 kỳ, hay do dầu bôi trơn từ cate chui qua khe hở giữa piston và xy lanh lên buồng cháy

Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng lên mặt gương xy lanh ở trạnh thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kỳ giãn nở và thải Trong quá trình đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy nhiệt độ thấp, không bị ô xy hóa, góp phần làm tăng HC Lượng HC này tăng theo

độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn

✓ Chất lượng quá trình cháy: Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành buồng

cháy là một trong những nguyên nhân làm tăng HC trong khí xả động cơ Màng lửa có thể bị tắt khi nhiệt độ và áp suất giảm nhanh Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh tốt ở chế độ làm việc bình thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế độ quá

độ (gia tốc hay giảm tốc)

✓ Sự ô xy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải: Sau khi thoát ra khỏi các không gian

chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và bị ô xy hóa một cách nhanh chóng Sự ô xy hóa này càng thuận lợi khi lượng ô xy trong sản phẩm cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo) Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn Mặt khác, quá trình ô xy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt độ khí xả và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài sẽ làm tăng tỉ lệ HC bị ô xy hóa, tức làm giảm nồng độ HC khi thải ra ngoài.[1]

2.1.3 Sự hình thành NOx

➢ Cơ chế hình thành NOx

✓ Cơ chế hình thành monoxyde nitơ (NO): Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn

nhất NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ tạo ra Sự hình thành NO

do ôxy hóa nitơ trong không khí có thể mô tả theo cơ chế Zeldovich Trong điều kiện hệ

số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:

O + N2 NO + N (2.1)

N + O2 NO + O (2.2)

N + OH NO +H (2.3) Phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện

áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian cháy rất ngắn Thêm vào đó, áp suất trong xy lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đa số NO hình thành trong khu vực sau màng lửa

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ô xy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng

độ NO trong sản phẩm cháy cũng tăng:

N2 + O2 2NO (2.4)

✓ Sự hình thành dioxyde nitơ: Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

NO2 + O NO + O2 (2.5) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (2.5) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ NO2 trong khí xả sẽ tăng NO2 cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ tải thấp và có sự

hiện diện của ôxy.[1]

✓ Sự hình thành protoxyde nitơ: N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH

và NCO khi chúng tác dụng với NO:

NH + NO N2O + H (2.6) NCO + NO N2O + CO (2.7)

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogen là chất tạo ra sự phân hủy mạnh N2O theo phản ứng:

N2O + H NH + NO (2.8)

N2O + H N2 + OH (2.9) Chính vì vậy N2O chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong

➢ Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde nitơ

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến sự

hình thành của Oxyde nitơ

✓ Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí: Theo lý thuyết nhiệt độ cháy đạt cực

đại ứng với λ = 0,9 nghĩa là khi hỗn hợp giàu Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ O2 thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất Khi λ tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng

áp suất riêng ô xy nên nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên

NO đạt giá trị cực đại ứng với λ ≈1,1 (hỗn hợp nghèo) Nếu λ tiếp tục tăng thì tốc độ phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp (hình 2.8) [1] Hình 2.8 Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí

✓ Ảnh hưởng của hệ số khí sót: Trước khi cháy, hỗn hợp trong xy lanh gồm không

khí, hơi nhiên liệu và khí sót Khí sót do khí cháy của chu trình trước còn sót lại Lượng khí sót phụ thuộc vào tải, góc phối khí và khoảng trùng điệp, chế độ động cơ, thành phần hỗn hợp và tỉ số nén Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn tới giảm NOx Tuy nhiên, nếu hệ số khí sót quá lớn động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng lượng HC [1]

✓ Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến sự

phát sinh NOx Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần điểm chết trên hơn do đó giá trị của nó tăng lên, nên nhiệt độ cực đại cũng tăng lên và thời gian tồn tại nhiệt độ cao kéo dài Hai yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO.[1]

Tóm lại:

Tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường nếu giảm góc đánh lửa sớm 10 độ, nồng độ NO có thể giảm 20% đến 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ

2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí xả

2.2.1 Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển động cơ

➢ Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ và phát sinh ô nhiễm môi trường Việc hòa trộn tỉ lệ không khí /nhiên liệu thích hợp do nhiều tín hiệu liên quan cung cấp để đưa ra điều khiển lượng phun nhiên liệu phù hợp theo điều kiện làm việc của động cơ Từ hệ thống điều khiển nhiên liệu bằng chế hòa khí, điều khiển bằng cơ khí sang điều khiển phun nhiên liệu bằng điện

tử đã đảm bảo được lượng phun nhiên liệu và thời điểm phun chính xác theo điều kiện vận hành của ô tô đã góp phần đáng kể vào việc tăng công suất của động cơ và giảm thiểu ô nhiễm của môi trường

Nếu sự chính xác trong điều khiển thấp vì một số nguyên nhân tác động làm ảnh hưởng đến như sự hư hỏng của các cảm biến thì vẫn có sự ô nhiễm được sinh ra Các tín hiệu cảm biến này bị hư sẽ ảnh hưởng đến tỉ lệ không khí /nhiên liệu

➢ Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển đánh lửa

Hệ thống đánh lửa điều khiển thời điểm đánh lửa phù hợp với điều kiện vận hành của ô tô sẽ giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát huy công suất tối đa của động cơ Nếu như hệ thống đánh lửa không hiệu chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp thì động cơ sẽ

bị mất công suất do quá trình cháy xảy ra không hoàn thiện và hiện tượng phát sinh các chất ô nhiễm gia tăng Đối với động cơ phun xăng đánh lửa điện tử, bộ điều khiển điện

tử (ECU) sẽ điều khiển góc đánh lửa sớm và điều chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp dựa trên tín hiệu chính đề là cảm biến oxy, cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến tốc độ

Vì vậy khi chế độ làm việc của động cơ thay đổi mà góc đánh lửa sớm không thay đổi phù hợp thì sẽ làm tăng nồng độ các chất HC, CO, NOx trong khí thải

2.2.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng

✓ Ảnh hưởng của khối lượng riêng: Khối lượng riêng nhiên liệu có quan hệ chặt

chẽ với thành phần các hydrocacbon tạo thành hỗn hợp nhiên liệu thường hay super; khối lượng riêng tỉ lệ với tỉ số nguyên tử tổng quát carbon/hydro (C/H) Sự gia tăng khối lượng riêng của nhiên liệu có khuynh hướng làm nghèo hỗn hợp đối với động cơ dùng

bộ chế hoà khí và ngược lại, làm giàu hỗn hợp đối với động cơ phun xăng Tuy nhiên,

do phạm vi thay đối khối lượng riêng nhiên liệu rất nhỏ (từ 2,5 % đến 4%) nên ảnh hưởng của nó đến mức độ phát ô nhiễm của động cơ đã điều chỉnh sẵn với một nhiên liệu cho trước không đáng kể

✓ Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocacbon thơm: Hydrocacbon thơm là loại hydrocacbon

không no, các nguyên tử C nối với nhau theo mạch vòng bằng các liên kết đôi, đơn xen

kẽ nhau, điển hình là chất benzen và MetylBenzen (C6H8) là thành phần lý tưởng của xăng dùng trong động cơ đốt cháy cưỡng bức Hàm lượng Hydro ít nên khối lượng riêng lớn và nhiệt trị nhỏ

✓ Các hydrocacbon thơm (Aren) có chỉ số octane nghiên cứu RON >100 và chỉ số octane động cơ MON thường lớn hơn 90 Do đó thêm thành phần hydrocacbon thơm vào nhiên liệu làm tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Theo tiêu chuẩn Cộng đồng châu Âu, hàm lượng benzene trong nhiên liệu phải thấp hơn 5%.[1] Các hydrocacbon thơm có tỉ số C/H cao hơn nên khối lượng riêng lớn hơn Do nhiệt lượng toả ra đối với một đơn vị thể tích lớn nên nhiệt độ cháy của hỗn hợp tăng do vậy tăng nồng độ NOx Mức độ phát sinh CO ít bị ảnh hưởng bởi hàm lượng hydrocacbon thơm Do có cấu tạo

ổn định hơn parafine nên có động học phản ứng cháy chậm hơn Do đó trong cùng điều kiện cháy, sự phát sinh hydrocacbon chưa cháy của nhiên liệu chứa nhiều hydrocacbon thơm hơn sẽ cao hơn Khi chuyển từ nhiên liệu super thơm sang alkylat, mức độ phát sinh HC giảm đi 16% Theo phân tích mẫu xăng sinh học E15, hàm lượng HC là 22% thể tích, và ở xăng RON 92 hàm lượng này đo đươc là 40% do vậy phát sinh hydrocacbon chưa cháy của nhiên liệu xăng RON 92 sẽ cao hơn xăng E15 tức là nồng

độ phát thải HC của E15 sẽ thấp hơn xăng RON 92

✓ Ảnh hưỏng của tính bay hơi: Nhiên liệu có tính bay hơi kém (bay hơi ở nhiệt độ

lớn hơn 200°C - 220°C) có ảnh hưởng đến sự phát sinh hydrocacbon chưa cháy (HC),

sự cháy diễn ra không hoàn toàn với sự hình thành aldehydes và sự gia tăng HC

Nhiên liệu có tính bay hơi cao (điểm hoá sương mù của hòa khí thấp) thì cần thiết cho việc khởi động và làm việc ở trạng thái nguội nhưng ảnh hưởng đến sự ô nhiễm của khí xả (hoà khí quá khô, giảm hệ số nạp, giảm công suất và tăng khuynh hướng kích nổ) và ảnh hưởng đến tổn thất do bay hơi Tính chất bay hơi tiêu chuẩn của nhiên liệu phụ thuộc vào vùng, điều kiện khí hậu và mùa Tính bay hơi của nhiên liệu không gây ảnh hưởng nhiều đến sự phát sinh NOx trong khí xả mà chỉ có CO và HC gia tăng khoảng 20% theo chu trình FTP khi PVR tăng từ 65 kPa đến 80 kPa Ở xăng E15, tính bay hơi của nhiên liệu được biểu thị bằng áp suất hơi bão hòa đo được là 72,9 kPa còn ở xăng RON 92 hàm lượng này dao động khoảng 45 kPa - 75 kPa

✓ Ảnh hưởng của chỉ số octane: Chỉ số octane có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh

ô nhiễm, đặc biệt khi động cơ bị kích nổ Thông thường động cơ có tỉ số nén càng cao

cần nhiên liệu có chỉ số octane lớn Nếu chọn nhiên liệu có chỉ số octane thấp dẫn đến

sự gia tăng tính kích nổ, do đó làm tăng nồng độ NOx, nhất là khi hỗn hợp nghèo Để tăng tỉ số octane cho nhiên liệu các nhà sản xuất thường pha thêm cồn ethanol vào xăng theo một tỉ lệ tính toán để tránh trường hợp trong khí xả phát sinh những chất ô nhiễm khác Đối với xăng E15, chỉ số octane khi phân tích mẫu là 96,3 cao hơn so với xăng RON 92, do vậy khi sử dụng nhiên liệu này thì hiện tượng kích nổ có khả năng giảm và

do đó giảm thành phần NOx

Ngoài ra còn có các ảnh hưởng của các chất phụ gia như chất phụ gia làm tăng chỉ số octane (Ethanol); chất phụ gia chống oxy hóa ( ngăn chặn sự hình thành olefine); chất phụ gia làm sạch hệ thống nạp; chất phụ gia bảo quản; chất phụ gia chống mài mòn; màu và các chất phụ gia chống nhầm lẫn

2.2.3 Ảnh hưởng từ trạng thái vận hành động cơ

Trạng thái vận hành của động cơ phản ánh sự chi phối của các đại lượng vật lý xảy ra trong buồng cháy và ảnh hưởng đến sự hình thành CO, HC và NOx Trạng thái vận hành ổn định của động cơ được xác định khi các thông số vật lý của môi trường hoạt động của động cơ như nhiệt độ nước làm mát, dầu bôi trơn, áp suất khí trời, nhiệt

độ môi trường, tải trọng của động cơ, số vòng quay của động cơ đều là hằng số Trong thực tiễn, động cơ luôn luôn vận hành ở trạng thái không ổn định chẳng hạn như khi khởi động động cơ, khi gia tốc, giảm tốc

2.3 Các tiêu chuẩn về khí thải động cơ đốt trong

2.3.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu

Các nước châu Âu xây dựng một chương trình cắt giảm khí thải xe hơi vào năm

1970, đến năm 1987 dự luật hoàn chỉnh quy định giá trị nồng độ giới hạn của các loại khí thải mới được thông qua và người ta vẫn thường gọi đó là Euro 0 Với mỗi tiêu chuẩn mới ra đời, nồng độ giới hạn của khí thải lại thấp hơn tiêu chuẩn trước

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km [1]

Tiêu chuẩn Ngày ban hành Thành phần phát thải

Tiêu chuẩn Ngày ban hành Thành phần phát thải

Tiêu chuẩn Ngày CO THC NMHC NO x HC+NO x PM