(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải trên ô tô bằng công nghệ plasma phi nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH TRÍ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ô TÔ BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 SKC007544 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH TRÍ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ơ TƠ BẰNG CƠNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT NGÀNH: : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hƣớng dẫn khoa học: TS TRẦN THANH THƢỞNG TP Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2017 Luan van i Luan van ii Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC Lý lịch cá nhân: Họ tên : Lê Minh Trí Giới tính : Nam Ngày sinh : 15/02/1990 Nơi sinh : Bến Tre Quê quán : Bến Tre Dân tộc : Kinh Địa chỉ: 55, Long Quới, Long Định, Bình Đại, Bến Tre Điện thoại: 0989 929 737 Email: trile1502@gmail.com Quá trình đào tạo: Đại học Hệ đào tạo : Chính qui Thời gian: từ 9/2008 đến 9/2012 Nơi học : Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh Nghành : Cơ khí Động lực Tên luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu số vấn đề liên quan đến hệ thống lái 4WS hệ thống lái điện cầu sau Ngày & nơi bảo vệ luận văn: tháng 07 / 2012 trƣờng Đại học Công Nghiệp TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Nguyễn Minh Đăng Q trình cơng tác : Nơi cơng tác Thời gian Từ 2012 đến 2016 Công ty TNHH Trƣờng Sa Từ 2016 đến Công việc đảm nhiệm Nhân viên kinh doanh Công ty TNHH Mercedes – Benz Nhân viên kiểm tra chất Việt Nam lƣợng lắp ráp ô tô iii Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… Học viên thực iv Luan van LỜI CẢM ƠN Quá trình học tập làm luận văn trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật giúp em học hỏi nhiều kiến thức từ quí thầy cô bạn bè Những kiến thức hỗ trợ em nhiều chuyên môn nhƣ thái độ cơng việc sau Có đƣợc kết nhƣ ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Thanh Thƣởng dành nhiều quan tâm, tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Ban Giám Hiệu, phòng Đào tạo Sau Đại Học, Thầy khoa khí Động lực bạn lớp cao học CKD15B – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí minh tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trọng Thức giành nhiều thời gian để hỗ trợ, giúp em xác định hƣớng để hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Ngọc Đảm tất thành viên Phịng nghiên cứu lƣợng mơi trƣờng hết lòng giúp đỡ, động viên em suốt trình thực luận văn Xin đƣợc cảm ơn bậc sinh thành, ngƣời thân gia đình ln nguồn động viên suốt trình học tập, phấn đấu Xin chân thành cảm ơn Học viên thực v Luan van TĨM TẮT Việc tìm giải pháp công nghệ để giảm thiểu nồng độ chất độc hại khí thải tơ vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu nhà sản xuất ô tô nhƣ giới nghiên cứu Những nghiên cứu công nghệ Plasma phi nhiệt để xử lý khí thải tơ đƣợc tiến hành nhiều Và đề tài tập trung thiết kế thêm mạch điều khiển cƣờng độ xử lý mơ hình xử lý khí thải cơng nghệ Plasma nhằm tƣơng thích hóa mơ hình với ô tô để ứng dụng thực tiễn hiệu Từ kết thực nghiệm cho thấy đƣợc việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ƣu so với chƣa lắp mạch điều khiển xử lý khí thải Đề tài bƣớc khởi đầu cho nghiên cứu làm giảm ô nhiễm không khí công nghệ Plasma phi nhiệt đƣợc ứng dụng ô tô ABSTRACT Finding technological solutions to reduce the concentration of gas emission from internal combustion engine is one of the most concerns of automotive producers and academics presently Studies on non-thermal Plasma technology to treat automotive gas emission have been conducted extensively And this paper concentrate on designing the electronic circuit to control the intensity of the exhaust gas treatment model to apply on automotive effectively As experimental results, setting up the electronic circuit to control the intensity of the exhaust gas treatment is better than there is not the electronic circuit The study is the first step in the research to reduce air pollution by using non-thermal plasma technology applied in automobile vi Luan van MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii LÝ LỊCH KHOA HỌC iii LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN .v TÓM TẮT vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài .1 1.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nƣớc, nƣớc, vấn đề cịn tồn 1.2.1 Các cơng trình nƣớc ngồi 1.2.2 Các cơng trình nƣớc 1.2.3 Vấn đề tồn 11 1.3 Mục tiêu đối tƣợng nghiên cứu 12 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu .12 1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 12 1.4 Phạm vi nghiên cứu 13 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu .13 1.6 Kết luận 13 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Khí thải hình thành từ động đốt 14 2.1.1 Động đốt 14 2.1.2 Thành phần chất có khí thải động ảnh hƣởng chúng sức khỏe ngƣời môi trƣờng .14 2.1.2.1 Thành phần chất có khí thải từ động 14 2.1.2.2 Cơ chế hình thành chất độc hại khí thải 15 vii Luan van 2.1.3 Ảnh hƣởng khí thải động ngƣời môi trƣờng 22 2.1.3.1 Đối với ngƣời .22 2.1.3.2 Đối với môi trƣờng 24 2.2 Tổng quan Plasma phi nhiệt .25 2.2.1 Giới thiệu Plasma 25 2.2.2 Phân loại Plasma 26 2.2.3 Một số đặc tính Plasma 27 2.2.3.1 Tính giả định trung tính 27 2.2.3.2 Khối cầu Debye 28 2.2.3.3 Tần số dao động plasma 28 2.2.4 Khái quát tƣơng tác hạt plasma 29 2.2.4.1 Sự va chạm đàn hồi, không đàn hồi siêu đàn hồi 29 2.2.4.2 Sự khuếch tán plasma 34 2.3 Giới thiệu vi điều khiển Arduino .36 2.3.1 Lịch sử arduino 36 2.3.2 Giới thiệu Arduino nano 36 2.4 Tìm hiểu vể cảm biến Oxy, chuyển đổi xúc tác, buồng Plasma 38 2.4.1 Cảm biến Oxy 38 2.4.1.1 Cảm biến oxy với thành phần Zircronium 38 2.4.1.2 Cảm biến oxy với thành phần Titannium 40 2.4.2 Bộ chuyển đổi xúc tác 41 2.4.3 Buồng Plasma 42 Chƣơng THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ơ TƠ BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT 46 3.1 Mơ hình xử lý khí thải cơng nghệ Plasma phi nhiệt 46 3.1.1 Mơ hình chung 46 3.1.2 Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải cơng nghệ plasma 47 3.1.3 Nguyên lý làm việc thiết bị xử lý khí thải cơng nghệ plasma 49 3.2 Mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ plasma 50 3.2.1 Điều khiển thiết bị xử lý khí thải .50 3.2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển .52 viii Luan van Bƣớc 8: Đọc giá trị lúc so sánh với lúc chƣa xử lý sử lý mạch điều khiển Kết thúc: Đánh giá hiệu việc sử lý khí thải từ việc gắn thêm mạch điều khiển 61 Luan van KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua nội dung đề tài, học viên nghiên cứu lý thuyết công nghệ Plasma phi nhiệt, thành phần tính chất chất độc hại khí xả từ động cơ, lý thuyết vi điều khiển nhƣ hƣớng thực nghiệm để xây dựng mơ hình Và từ đó, đề tài trình trình thiết kế mạch điều khiển cho xử lý khí thải tơ công nghệ Plasma phi nhiệt Khi tiến hành đo đạc nồng độ khí thải tơ, việc xác định giá trị λ mà nồng độ khí thải cao sau lƣu giá trị vào nhớ vi điều khiển cần thiết Khi tiến hành đo lại động đó, dựa vào tín hiệu đầu vào từ cảm biến Oxy, mạch điều khiển nhớ giá trị điều chỉnh điệp áp đầu để điều khiển cƣờng độ xử lý buồng Plasma để xử lý tốt Từ kết đo qua xử lý, ta thấy đƣợc việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ƣu so với chƣa 62 Luan van lắp mạch điều khiển xử lý khí thải Cụ thể nồng độ CO giảm 12,8%, nồng độ HC giảm 12,5% Đề tài bƣớc khởi đầu cho nghiên cứu sau công nghệ plasma phi nhiệt, chẳng hạn nhƣ ứng dụng công nghệ plasma phi nhiệt để kết hợp hệ thống điều hịa khơng khí để làm khơng khí bên tơ nhƣ nhiều ứng dụng khác Kiến nghị Trƣớc phát triển không ngừng nghành công nghệ ô tô, việc thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ Plasma phi nhiệt cần đƣợc đƣợc điều khiển kín tƣơng tự nhƣ chuyển đổi xúc tác nhằm đánh giá xác mức độ hiệu hệ thống xử lý khí thải Khi thiết kế xử lý khí thải tơ cần tƣơng thích hóa mặt thiết kế để phù hợp với khả vận hành ô tô Việc tối thiểu kích thƣớc nối liền đƣờng ống xả giúp tiết kiệm không gian nhƣ phù với tính xử lý khí xả buồng Plasma Bên cạnh đó, mạch điều khiển mạch tạo Plasma cần đƣợc bố trí thích hợp để lấy nguồn từ Accu, lấy tính hiệu từ cảm biến Oxy điều khiển đƣợc buồng Plasma Do việc hạn chế phƣơng tiện để làm thí nghiệm, máy đo đạc, tài liệu nghiên cứu nên đề tài không tránh khỏi hạn chế thiếu xót Rất mong đƣợc đóng góp ý kiến q thầy bạn để đề tài thêm hoàn thiện 63 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Những số bất ngờ ngành cơng nghiệp tơ tồn cầu Internet: http://xedoisong.vn/thi-truong, 15/05/2016 [2] Thế giới có 1,7 tỷ ô tô lƣu hành vào năm 2035 Internet: http://nhipcaudautu.vn, 15/05/2016 [3] Hệ thống tiêu chuẩn khí thải châu Âu Internet: http://hoahocngaynay.com, 16/05/2015 [4] The record of recent Man-made CO2 emissions: 1965 2013 Internet: https://edmhdotme.wordpress.com, 16/05/2016 [5] Ơ tơ, xe máy gây nhiễm khơng khí nghiêm trọng Internet: http://www.mt.gov.vn [6] Những giải pháp xử lý khí thải đại Internet: http://www.thuvienso.edu.vn, 15/06/2016 [7] R McAdams /Accentus plc “Non-thermal plasma based technologies for the after-treatmnet of automotive exhaust particulates and marine diesel exhaust NOx”, Newport, Rhode Island, August 2003 [8] Ravi Srivastava, William Maxwell “Using Non-thermal Plasma to Control Air Pollutants” United States Environmental Protection Agency, EPA-456 / R-05-001, Feb 2005 [9] Lei Jiang, Yixi Cai, Yong Luo “The Technology of Non-thermal Plasma Assisted NH3-SCR Reduce Marine Diesel Emission and Aldehydes Byproducts Formation”, 64 Luan van Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 6(22): 4259-4264, 2013 [10] Marcin Holub, Stanislaw Kalisiak, Tadeusz Borkowski, Jaroslaw Mysków, Ronny Brandenburg “The Influence of Direct Non-Thermal Plasma Treatment on Particulate Matter (PM) and NOx in the Exhaust of Marine Diesel Engines”, Polish J of Environment, Stud Vol 19, No (2010), 1199 – 1211 [11] P Talebizadeh, M Babaie, R Brown, H Rahimzadeh, Z Ristovski, M Arai, “The role of non-thermal plasma technique in NOx treatment: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 40 (2014) 886 – 901 [12] GS TSKH Bùi Văn Ga Khí xả động tơ 1;2 NXB Đà Nẵng, 2005 [13] PGS.TS Nguyễn Thành Lƣơng Giảm thiểu độc tố khí thải động đốt Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải, 2010 [14] GS TSKH Bùi Văn Ga Ơtơ nhiễm mơi trường NXB Giáo Dục, 1999 [15] Nguyễn Thanh Lâm Plasma nhiệt độ thấp ứng dụng Đại học khoa học tự nhiên, 2016 [16] Toshiaki Yamamoto, Masaaki Okubo Chapter Nonthermal Plasma Technology of Advanced Physicochemical Treatment Technologies, 2007 [17] Plasma Internet: http://evania.vn , 15/05/2016 [18] Tạ Phƣơng Hòa Plasma ứng dụng kỹ thuật vật liệu polyme Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012 65 Luan van [19] Tìm hiểu Arduino Internet:http://arduino.vn/ [20] Trần Sơn: Động hóa học Đại Học Cần Thơ, 1982 [21] Nguyên lý sử dụng nguồn xung hay biến đổi nguồn DC-DC http://hoiquandientu.com [22] Đinh Văn Nghĩa Nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải động ôtô Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 04/2016 [23] Non-Thermal Plasma Technologyfor Gaseous Pollution Control; Catholic University of Brasilia Press: Brasilia, Brazil, 1998 [24] M Rezaei, A.Taeb, N Habibi: Non-thermal plasma treatment of automotive exhaust gases Department of Chemical Engineering, Iran University Of Science and Thechnology, Tehran, Iran, 2010 66 Luan van NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ơ TƠ BẰNG CƠNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT DESIGN THE CONTROLLER OF THE AUTOMOTIVE EMISSION TREATMENT MODEL USING NONTHERMAL PLASMA TECHNOLOGY Lê Minh Trí 1, Đinh Văn Nghĩa Công ty TNHH Mercedes-Benz Việt Nam Cơng ty TNHH TMDV Ơ tơ Dũng Tiến TĨM TẮT Việc tìm giải pháp cơng nghệ để giảm thiểu nồng độ chất độc hại khí thải ô tô vấn đề quan tâm hàng đầu nhà sản xuất ô tô giới nghiên cứu Những nghiên cứu công nghệ Plasma phi nhiệt để xử lý khí thải tơ tiến hành nhiều Và đề tài tập trung thiết kế thêm mạch điều khiển cường độ xử lý mơ hình xử lý khí thải cơng nghệ Plasma nhằm tương thích hóa mơ hình với tơ để ứng dụng thực tiễn hiệu Từ kết thực nghiệm cho thấy việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ưu so với chưa lắp mạch điều khiển xử lý khí thải Đề tài bước khởi đầu cho nghiên cứu làm giảm nhiễm khơng khí công nghệ Plasma phi nhiệt ứng dụng ô tơ Plasma phi nhiệt; xử lý khí thải; khí thải từ động đốt trong; vi điều khiển arduino; cảm biến Oxy ABSTRACT Finding technological solutions to reduce the concentration of noxious gas from internal combustion engine is one of the most concerns of automotive producers and academics presently Studies on non-thermal Plasma technology to treat automotive exhaust have been conducted extensively And this paper concentrate on designing the electronic circuit to control the intensity of the exhaust gas treatment model to apply on automotive effectively As experimental results, setting up the electronic circuit to control the intensity of the exhaust gas treatment is better than there is not the electronic circuit The subject is the first step in the research to reduce air pollution by using non-thermal plasma technology applied in automobile Keywords: non-thermal Plasma; treat automotive exhaust; noxious gas from internal combustion engine; Arduino microprocessor; Oxygen sensor i i thi u Xử lý khí thải, giảm nồng độ chất độc hại có khí thải động đốt thải môi trường vô cần thiết thời điểm Các phương pháp xử lý nhiều hạn chế hiệu xử lý thấp, chi phí vận hành cao, việc lắp đặt vận hành phức tạp Trong báo giới mơ hình xử lý khí thải động đốt ứng dụng công nghệ Plasma lạnh thiết kế, chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm Bên cạnh việc thiết kế mạch điều khiển mạch điều khiển thiết bị hoạt động theo trạng thái hoạt động động vô cần thiết Xử lý khí thải động tơ 2.1 Mơ hình chung Sơ đồ hình 2.1 mô tả nguyên lý hoạt động mô hình điều khiển hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ Plasma phi nhiệt Khí thải đường ống thải (6) qua cảm biến oxy(3), dựa vào nồng độ oxy khí thải, cảm biến oxy nhận biết thành phần tỷ lệ hịa khí đưa vào đường ống nạp (5) ( nghèo nhiên liệu hay giàu nhiên liệu), xác trạng thái hoạt động động Tín hiệu từ cảm biến oxy gửi mạch điều khiển (2) dạng điện áp Do vi xử lý mạch điều khiển (2) không nhận biết trực tiếp nồng độ chất độc hại (HC, CO, NOX,…) nên ta dựa vào tín hiệu điện áp cảm biến oxy gửi để xác định trạng thái hoạt động động Luan van môi trường T lượng hoạt hóa phân tử Ea Kt  K exp( Hình 2.1 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ Plasma phi nhiệt (a) Mơ hình động cơ, (b) Hệ thống điều khiển xử lý khí thải công nghệ Plasma (1) Buồng Plasma, (2) Mạch điều khiển, (3) Cảm biến Oxy, (4) Bộ chuyển đổi xúc tác, (5) Đường ống nạp, (6) Đường ống thải, (7) Buồng đốt động cơ, (8) Khí thải ngồi mơi trường Dựa vào chế độ hoạt động động cơ, ta xác định nồng độ chất độc hại có khí thải q trình đo đạc thực nghiệm khí thải Và từ ta làm cho vi xử lý mạch điều khiển (2) nhận biết nồng độ khí thải thơng qua tín hiệu cảm biến oxy Từ tín hiệu đầu vào dạng điện áp, mạch điều khiển (2) phát tín hiệu đầu để điều khiển cường độ xử lý buồn plasma chế độ hoạt động động Buồng plasma hoạt động kết hợp với chuyển đổi xúc tác ô tô Và tùy theo trạng thái hoạt động ô tô, cách thức làm việc chuyển đổi xúc mà buồng plasma hoạt động cường độ xử lý cao thấp ngừng hoạt động 2.2 Buồng Plasma  Nguyên lý tạo nên môi trường Plasma Sự phóng điện chất khí gọi plasma khí [2] Bình thường phân tử hỗn hợp khí môi trường nằm trạng thái cân nhiệt động học, khơng gây nên chuyển hóa hóa học Để q trình phóng điện tạo mơi trường plasma diễn có hiệu cần tạo điều kiện thuận lợi để q trình diễn nhanh chóng Q trình phụ thuộc vào số tốc độ chuyển biến hóa học Kt, phụ thuộc nhiệt độ  Ea ) R.T (2.1) Trong đó: K0: Tổng số va chạm phần tử tham gia phản ứng đơn vị thời gian R: Hằng số khí (  Ea ) R.T : Đặc trưng số phần tử tham gia phản ứng Qua biểu thức ta thấy rằng, để tăng tốc độ phản ứng hóa học cần tăng nhiệt độ môi trường giảm lượng hoạt động hóa phân tử Trong thực tiễn tăng nhiệt độ mơi trường thường gắn liền với biện pháp kỹ thuật phức tạp tốn kém, ngồi tăng đến giới hạn cho phép Mặt khác, tốc độ phản ứng hóa học tỉ lệ thuận với lượng dự trữ mức dao động phần tử tự hoạt hóa phân tử khí thành phân tử khơng cân (phân tử bị kích thích) điện trường cao áp không đồng Phương pháp có nhiều ưu việt ứng dụng rộng rãi thiết bị ngày thường thấy hình plasma, đèn huỳnh quang, laser khí… Để tạo điện trường cao áp có nhiều cách khác nhau, luận văn tập trung nghiên cứu mạch nguồn xung cách ly flyback Là kiểu nguồn xung dùng phổ biến ứng dụng hiệu nhiều lĩnh vực Kiểu nguồn xung flyback kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp Cho điện áp đầu lớn hay nhỏ điện áp đầu vào tùy vào mục đích thiết kế Mạch có cấu tạo van đóng cắt biến áp xung Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu Điện áp đầu phụ thuộc vào băm xung PWM tỉ số truyền lõi Luan van Từ nguồn xung tạo điện trường cao áp ta cấp cho hệ thống có dạng mơ sau: Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch nguồn xung flyback [3] Như biết, có dịng điện biến thiên tạo từ thơng tạo sức điện động cảm ứng cuộn dây biến áp Do điện áp chiều nên dịng điện khơng biến thiên theo thời gian ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo từ thông biến thiên Khi “Switch On” đóng dịng điện cuộn dây sơ cấp tăng dần lên Cực tính cuộn dây sơ cấp có chiều hình vẽ bên cuộn dây thứ cấp sinh điện áp có cực tính dương hình vẽ Điện áp thứ cấp phụ thuộc tỉ số cuộn dây sơ cấp thứ cấp Lúc Diode chặn nên tải cung cấp tụ C Khi “Switch Off” mở Cuộn dây sơ cấp điện đột ngột lúc bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải đồng thời nạp điện cho tụ Cơng thức tính tốn cho nguồn dùng flyback:   n  Vout  Vin   Ton f     1  Ton f    (2.2)  n1    Trong đó: n2: số cuộn dây thứ cấp biến áp n1: số cuộn dây sơ cấp biến áp Ton: Thời gian mở Q1 chu kỳ f: Là tần số băm xung T  1/ f  Ton  Toff  Nguồn xung kiểu flyback hoạt động hai chế độ : Chế độ liên tục (dòng qua thứ cấp ln > 0) chế độ gián đoạn (dịng qua thứ cấp ln 0) Hình 2.3 Mơ hình buồng plasma [3] Với nguồn cao áp đặt lên điện cực đủ lớn (9 ÷ 12 kVrms) xảy q trình phóng tia lửa điện khơng khí Đây phương pháp đơn giản tin cậy để tạo plasma Plasma tạo thành có vài phần trăm chất khí bị ion hóa Do đó, có điện tử mang nhiệt độ cao phân tử lại có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ mơi trường Trong vùng plasma xảy đồng thời trình ion hóa, phân ly kích thích phân tử, tạo phân tử có thời gian tồn ngắn ngủi, dễ dàng tham gia phản ứng hóa học Như hoạt hóa chuyển biến hóa học vùng ion hóa gắn liền với va chạm khơng đàn hồi phân tử khơng khí Sau phản ứng hóa học tạo nhiều thành phần  Thiết bị xử lý khí thải cơng ngh plasma Hình 2.4 Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải cơng nghệ plasma[3] Các phận thiết bị bao gồm: Buồng plasma, nguồn cao áp chiều, van điều khiển lưu lượng, công tắc điều khiển, ampe kế quạt làm mát Luan van Hình 2.5 Sơ đồ cấp điện cho hệ thống xử lí khí thải [3] – Biến áp tự ngẫu; – Biến áp chuyển đổi điện áp 220/110V; – Cầu Diod; – Biến tăng áp; – Bộ phát xung Để đảm bảo dịng phóng điện tạo môi trường plasma ổn định, nguồn cao áp thiết kế theo kiểu xung tần số cao từ (15 ÷ 16) kHz đưa vào cuộn sơ cấp biến thế, đầu thứ cấp nắn thành chiều diode san độ mấp mô cuộn kháng, công suất P = 150W, điện áp đầu chiều tối đa U = 30 kV có khả điều chỉnh mịn Thiết bị bán sẵn thị trường làm việc ổn định  Nguyên lý làm vi c thiết bị xử lý khí thải công ngh plasma Trong môi trường plasma, chất tác động hạt electron chuyển động tự xảy phản ứng sau[5]: e + O2 → e + O* + O* e + N2 → e + N* + N* e + H2O → e + H + OH e + CO2 → e + O + CO Các phân tử thiết lập thành trạng thái nguyên tử kích thích Từ đó, xảy phản ứng hóa học phức tạp nguyên tử với nguyên tử, nguyên tử với phân tử môi trường plasma Các diễn biến bên lị phản ứng plasma tóm tắt sau[6]: O2 + O* → O3 NO + O3 → NO2 + O2 NO + O* → NO2 NO2 + N* → N2O + O NO2 + N* → N2 + O2 NO + OH → HNO2 NO2 + OH → HNO3 NO + H2O → NO2 + OH Plasma + NO + HC + O2 → NO2 + HCproducts M* + CO2 → M + CO+ + O + e Với M*: H2O* OH* Thiết bị vận hành đơn giản, dễ sử dụng Tùy thuộc vào loại khí cần sử lý, ta điều chỉnh cường độ dòng điện để tạo vùng plasma mạnh hay yếu để xử lý hiệu 2.3 Mạch điều khiển cho h thống xử lý khí thải cơng ngh plasma  Nguyên lý làm vi c điều khiển thiết bị xử lý khí thải Cách thức điều khiển trạng thái hoạt động xử lí khí thải mạch sau:  Khi hỗn hợp lý tưởng ( λ = 1), mạch điều khiển buồng plasma ngưng hoạt động Vì lúc này, Nox, HC, CO chuyển đổi xúc tác xử lý tốt  Khi hỗn hợp hịa khí giàu ( λ < 1), lúc khí thải sinh nhiều HC, CO Nox Mạch điều khiển buồng plasma hoạt động với cường độ cao để xử lý  Khi hỗn hợp hịa khí nghèo (λ > 1), lúc này, lượng HC tăng, CO NOx giảm Mạch điều khiển buồng plasma hoạt động với cường độ thấp để xử lý HC Hình 2.6 Đặc tính thành phần độc hại động xăng theo hệ số dư lượng khơng khí λ [1] Luan van  Sơ đồ khối mạch điều khiển 2 U2 D3 2 - LM358 MSV2 R2 R5 U1 R3 1R4 2 2 OUT VB + - R1 22 D10 Hình 2.11 Sơ đồ mạch điều khiển điệp áp thay đổi Arduino qua opto cách ly điều khiển driver kích FET để thay đổi điện áp ngõ từ 0V đến 110V VCC IN+ 12V 2 U3 LM358 C3 470uF/25V IN- OUT+ 5V OUT- C2 104 giam ap U2 VB D3 P PP BR4 1 VCC D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 GND RST RXD TXD 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 U1 R3 1R4 2 2 OUT VB IN SD COM LO VB HO VS VCC U3 Q1 VB R1 VB ISO1 ISO2 22 LCD 3 12V D9 + - VB OUT VCC IN- 4 5V OUT- U3 10K U3A OUT+ LM358 IN+ 12V MSV4 IN- OUT+ 5V OUT- C3 470uF/25V C2 104 giam ap C3 470uF/25V Hình 2.8 Sơ đồ mạch tổng quát C2 104 giam ap 2 R29 IN 1 R82 10k BR5 IN+ D10 NANO VCC VCC MSV2 R2 R5 1 D4 T G N - 2 4 C1 1 D13 3V3 REF A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 5V RST GND VIN ANALOG IN 10 11 12 13 14 15 Nut xoay nhan SW1 BR2 2 VB 10K BR3 D9 MSV4 2 ISO2 OUT Q1 VB 2 R29 IN VB HO VS VCC VB ISO1 U3A VCC IN SD COM LO Hình 2.12 Sơ đồ mạch mạch nguồn ổn áp xung Luan van VCC U3 OUT+ 5V OUT- giam ap NANO R82 10k BR5 IN- BR3 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 VCC VCC VCC C3 470uF/25V LCD IN+ 12V 1 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 GND RST RXD TXD VB OUT 1 10K + R29 IN C2 104 2 U3A R82 10k 2 P PP BR4 1 D13 3V3 REF A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 5V RST GND VIN VB NANO Hình 2.10 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm hiển thị LCD Vi diều khiển trung tâm dùng arduino, arduino nhận tín hiệu từ cảm biến oxy vào chân nhận xung để đo tỷ lệ điều khiển điện áp Plasma Ngoài ra, arduino cịn tín hiệu điều chỉnh từ nút xoay hiển thị LCD qua giao tiếp TWI dây 1 D4 T G N - C1 D2 D2 VB ISO1 VCC VCC ANALOG IN 10 11 12 13 14 15 Nut xoay nhan SW1 110V OUT D3 BR2 D1 2 U2 D1 R2 R5 LCD MSV4 VCC 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 GND RST RXD TXD 2 BR5 110V P PP BR4 1 D4 T G N - D13 3V3 REF A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 5V RST GND VIN 2 C1 D2 4 1 2 BR2 110V 10 11 12 13 14 15 Nut xoay nhan SW1 1 D1 ANALOG IN Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch điều khiển hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ plasma Hình 2.7 mơ tả ngun lý hoạt động mạch điều khiển hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ plasma Mạch nhận tín hiệu dạng điện áp từ cảm biến oxy, điện áp từ cảm biến oxy gửi nhỏ ( từ 0,1 đến 0,9 V ) nên cần phải qua khuyếch tăng giá trị điện áp lên mức từ đến 5V giúp cho vi xử lý nhận biết Sau hiệu từ dạng tương tự chuyển sang dạng số thông qua ADC Vi xử lý arduino dựa vào tín hiệu điện áp đầu vào để xử lý xuất tín hiệu đầu để điều khiển cường độ xử lý buồng plasma Tín hiệu đầu mạch điều khiển dạng điện áp 5V, tín hiệu điều khiển điện áp để cấp nguồn cho hệ thống tạo plasma Qua mạch điều khiển cường độ xử lý khí thải buồng plasma Và đây, nút nhấn, xoay có dụng điều chỉnh điện áp vi điều khiển từ điều chỉnh cường độ xử lý buồng plasma Hay nói cách khác, thời điểm quan sát thấy nồng độ khí xả hiển hình cao, ta điều chỉnh trực tiếp cường độ xử lý buồng plasma cao để xử lý tốt Cuối cùng, điều chỉnh xong, cần nhấn nút liệu lưu lại vi điều khiển  Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình 2.9 Mạch chỉnh dạng xung tính hiệu đầu vào Tín hiệu cảm biến oxy qua điện trở R29 , sau đưa qua OP-AMP so sánh với điện áp cố định từ cảm biến oxy để tạo xung vuông đưa vào chân INT arduino Mạch sử dụng modul ổn áp 5V có sẵn Điện áp từ 12V qua mạch tạo 5V kể cung cấp nguồn nuôi cho Arduino IC mạch Tiến hành đo đạt thực nghi m 3.1 Tổng quát trình đo khí thải Q trình kiểm tra khí xả tiến hành Trường Cao đẳng nghề Giao thông vận tải Trung ương III Địa 73 Văn Cao, Phú Thọ Hồ, Tân Phú, thành phố Hồ Chí Minh Khi tiến hành đo đạc ta thực hai dòng xe: Toyota Vios 2012 Honda Civic 2006 Ở hai dịng xe này, ta có hai số λ khác nhau, từ ta có số nồng độ khí thải khác Và sau đó, dựa vào mức độ nồng độ khí thải, ta cho sử lý khí thải hoạt động dựa theo tín hiệu điều khiển mạch điều khiển Quá trình đo đạc thực ba bước Bước thứ đo nồng độ khí thải theo phương pháp thông thường Tại bước này, ta thực đo khí thải động có số vịng quay khơng tải nhỏ theo qui định TCVN 2604:1996 (ISO3929– 1995) Bước thứ hai khí thải xử lý xử lý khí thải cơng nghệ Plasma phi nhiệt, bước thứ ba ta lấy tín hiệu từ cảm biến Oxy để cấp tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển mạch điều khiển sẻ điều chỉnh điện áp 3.2 Trên xe Toyota Vios 2012 Khi tiến hành đo khí xả, ta thực qua ba bước: đo theo phương pháp thông thường, đo xử lý khí thải, đo xử lý xử lý Plasma điều khiển mạch với tín hiệu đầu vào từ cảm biến Oxy Ở bước thứ đo khí thải thiết bị đo AiRREX HG 540 ghi lại kết đo Bước thứ hai, ta tiến hành đo tương tự gắn thêm xử lý khí thải Plasma vào Bước thứ ba, ta tiến hành lấy tín hiệu từ cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển hệ thống xử lý khí thải Đối với thiệt bị đo khí thải AiRREX HG 540 có hiển thị số λ nên ta dễ dàng điều chỉnh điện áp cho buồng Plasma cách chỉnh núm xoay lưu lại giá trị λ mà chất khí xả cần xử lý cường độ cao Và thực đo bước thứ ba, vi điều khiển tự nhớ giá trị λ học lần thứ nhất, sau tự động tăng điện áp để tăng cường độ xử lý khí thải giá trị λ Hình 3.3 Kết đo sau xử lý xe Vios Hình 3.1 Đo nồng độ khí thải theo phương pháp thơng thường Hình 3.2 Đo nồng độ khí thải xử lý cơng nghệ plasma phi nhiệt Hình 3.3 Đo nồng độ khí thải xử lý cơng nghệ plasma phi nhiệt có lấy tín hiệu cảm biến Oxy Bảng Kết đo khí thải trước sau xử lý xe Toyota Vios 3.3 Trên xe Honda Civic 2006 Khác với kết trên, lần thực nghiệm này, kết thị máy đo khí xả giá trị λ lần bé Bảng Kết đo khí thải trước sau xử lý xe Honda Civic Luan van So sánh đối chiếu kết 4.1 Trên xe Toyota Vios 2012 Từ kết đo qua xử lý, ta thấy việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ưu so với chưa lắp mạch điều khiển xử lý khí thải Cụ thể nồng độ CO giảm 12,8%, nồng độ HC giảm 12,5%, nồng độ NOX khơng thay đổi Hình 3.4 Đồ thị kết xử lý chất CO, CO2, NOX, xe Vios Hình 3.5 Đồ thị kết xử lý chất HC xe Vios 4.2 Đối v i thí nghi m xe Honda Civic 2006 Hình 3.6 Đồ thị kết xử lý chất CO, CO2, NOX, xe Civic Hình 3.7 Đồ thị kết xử lý chất HC xe Civic Tương tự dòng xe Honda Civic, việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ưu so với chưa lắp mạch điều khiển: nồng độ khí CO giảm 10,6%, nồng độ HC giảm 32,6% nồng độ NOX không giảm 4.3 Đánh giá chung Dựa vào kết đo đạc hai dịng xe, việc lấy tín hiệu cảm biến Oxy để làm tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển xử lý khí thải Plasma tối ưu so với chưa lắp mạch điều khiển Và xử lý Plasma xử lý tốt khí CO, HC, hai loại khí cần xử lý số λ động hoạt động trạng thái khác Đối với khí NOX xử lý khí thải làm giảm nồng độ mức tương đối thấp Tuy nhiên, động đốt dịng xe tơ có trang bị chuyển đổi xúc tác Bộ chuyển đổi xúc tác xử lý tốt khí NOX động hoạt động trạng thái với số λ Và vậy, việc kết hợp chuyển đổi xúc tác xử lý khí thải cơng nghệ Plasma hoạt động dựa vào tín hiệu đầu vào cảm biến Oxy giải pháp tốt để xử lý khí thải Kết luận Từ việc thiết kế mạch điều khiển cho xử lý khí thải tiến hành thực nghiệm xử lý khí thải cơng nghệ plasma phi nhiệt , rút số kết luận sau:  Việc xác định giá trị λ mà nồng độ khí thải cao sau lưu giá trị vào nhớ vi điều khiển cần thiết Khi tiến hành đo lại động đó, dựa Luan van vào tín hiệu đầu vào từ cảm biến Oxy, mạch điều khiển nhớ giá trị điều chỉnh điệp áp đầu để điều khiển cường độ xử lý buồng Plasma để xử lý tốt Đây phương pháp hiệu tiến hành thực nghiệm điều khiển xử lý khí thải  Plasma phi nhiệt có khả ion hóa chất độc hại khí thải thành chất khơng cịn gây hại đến người mơi trường nên cần đến xây dựng mơ hình thực nghiệm nhằm tương thích hóa mơ hình với xe ô tô để giảm ô nhiễm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Bùi Văn Ga, Khí xả động ô tô, NXB Đà Nẵng, 2005 [2] Trần Sơn, Động hóa học, Đại Học Cần Thơ, 1982 [3] Đinh Văn Nghĩa, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải động ơtơ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2015 [4] Ronny Brandenburg, Plasma-Based Depollution of Exhausts: Principles, State of the Art and Future Prospects, Leibniz Institute for Plasma Science and Technology, Germany, 23 August 2011 [5] B.M.Penetrante, Non-Thermal Plasma Technologyfor Gaseous Pollution Control; Catholic University of Brasilia Press: Brasilia, Brazil, 1998 [6] M.Rezaei, Non-thermal plasma treatment of automotive exhaust gases Department of Chemical Engineering, Iran University Of Science and Thechnology, Tehran, Iran, 2010 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Lê Minh Trí Đơn vị: Cơng ty TNHH Mercedes-Benz Việt Nam Điện thoại: 0989 929 737 Email: trile2909@gmail.com Xác nhận Giảng viên hư ng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) Luan van S K L 0 Luan van ... 2.4.3 Buồng Plasma 42 Chƣơng THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ô TÔ BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT 46 3.1 Mơ hình xử lý khí thải công nghệ Plasma phi nhiệt 46... PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH TRÍ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ô TÔ BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA PHI NHIỆT NGÀNH: : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116... Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải cơng nghệ plasma 47 3.1.3 Nguyên lý làm việc thiết bị xử lý khí thải cơng nghệ plasma 49 3.2 Mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải cơng nghệ plasma 50