C8 phan tich khi xa 1

Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-1 Chương Phân tích khí thải 8.1 KHÁI QUÁT Mục đích phân tích khí thải Khí xả động sản phẩm trình cháy nhiên liệu Các chất khí xả bao gồm: CO, HC, NOx, CO2, O2, C (bồ hóng) Việc phân tích thành phần khí quan trọng để đánh giá chất lượng chế tạo khai thác động Tùy theo thiết bị phương pháp đo mà đơn vị đo nồng độ khí thải g/km g/kwh, %V, ppmV (par per milion: phần triệu thể tích) Riêng bồ hóng đo theo độ Bosch, % độ k-độ mờ (m-1) Phân loại phương pháp phân tích khí thải Mức độ nhiễm khơng khí cần đánh giá nồng độ chất khí độc hại thải từ nguồn gây ô nhiễm Như người biết, khí thải động gây có chứa nhiều hợp chất khác nguồn gây ô nhiễm chủ yếu môi trường khơng khí q trình khuếch tán khơng khí Nồng độ chất nhiễm khí xả động xác định nhiều phương pháp khác chia thành ba nhóm sau đây: a Phương pháp hóa học: Dùng phản ứng hóa học chất ô nhiễm với tác nhân khác để xác định lượng nhiễm mẫu khí thu trường Trường hợp chất ô nhiễm dự đốn trước, chuẩn bị loại hóa chất phù hợp để tiến hành phản ứng hóa học hấp thụ, hấp phụ trường Phương pháp hóa học phương pháp phổ biến áp dụng từ sớm kĩ thuật môi trường Tuy nhiên, phương pháp có mặt hạn chế khơng cho phép ta đọc nồng độ ô nhiễm cách trực tiếp tức thời b Phương pháp lí học: Phương pháp lí học dựa vào biến đổi thông số vật lý hóa học, mà chủ yếu thơng số vật lý chất khí có khí thải nồng độ chất ô nhiễm thay đổi, người ta chế tạo loại dụng cụ thích hợp cho loại chất nhiễm nhóm chất nhiễm Tiêu biểu cho phương pháp loại máy phổ kế, máy đo quang phổ, máy đo độ dẫn nhiệt, máy đo độ phóng xạ  Phương pháp lí học khắc phục nhược điểm phương pháp hóa học Ngồi phương pháp cho phép chế tạo loại dụng cụ tự ghi c Phương pháp hóa lí: Phương pháp dựa vào biến đổi thơng số vật lý hóa học Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-2 phương pháp Tuy nhiên, phương pháp người ta chế tạo dụng cụ đo nồng độ chất ô nhiễm dựa vào hấp thụ nhiệt khí thải, điện dẫn, điện cực, điện tích, tượng phân cực phương pháp so màu để xác định nồng độ chất ô nhiễm Phân loại thiết bị phân tích khí Phương pháp phân tích khí Phương pháp hóa học Phương pháp lí học Phương pháp hóa lí Hấp thụ Dẫn nhiệt Điện phân Cháy hấp thụ Phát nhiệt Hấp thụ nhiệt Từ trường Chỉ thị màu Quang phổ Điện hóa Phóng xạ Hình 8.1 Sơ đồ phân loại thiết bị phân tích khí Các chu trình thử phương pháp lấy mẫu khí Hình 8.2 Chu trình thử xe máy: a, R47- xe gắn máy; b R40 – moto Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-3 Hình 8.3 Chu trình thử 10-15 chế độ Nhật Hình 8.4 Chu trình thử FTP 72 (Mỹ)+ FTP 75 Hình 8.5 Chu trình thử ECE (châu Âu) Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-4 HC CO CO2 NOx 10 Hình 8.6 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Châu Âu 1.Băng thử Ống thải Đường cấp khơng khí Khoang làm mát Thiết bị phân tích khí 6.Nhiệt kế Bộ đo lưu lượng Áp kế Van 10 Túi lấy mẫu 13 HC CO CO2 14 NOx 12 15 11 10 Hình 8.7 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu khí thải theo chu trình Mỹ (CVS) 1.Băng thử Ống thải Đường cấp khơng khí Lọc khí Bơm hút mẫu Van Thiết bị phân tích khí Bộ đo lưu lượng Đường khí 10 Bơm hút 11 Áp kế 12.Nhiệt kế 13 Túi lấy mẫu pha độ 14 Túi lấy mẫu pha ổn định 15 Túi lấy mẫu pha nóng Sự khác hai hệ thống lấy mẫu chu trình thử khác Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-5 Hình 8.8a Sơ đồ bố trí xe băng thử Hình 8.8b Chu trình thử động ECE R49 (13 chế độ) Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-6 Tiêu chuẩn xe dùng xăng Tiêu chuẩn CO (g/km) HC (g/km) EURO I 2.72 0.97 (cả NOx) EURO II 2.2 0.5 (cả NOx) EURO III 2.3 0.20 EURO IV 1.0 EURO V EURO VI PM (g/km, động phun trực tiếp) NOx (g/km) Thời điểm áp dụng 6/1992 Không qui định 01/1996 0.15 Không qui định 01/2000 0.10 0.08 Không qui định 01/2005 1.0 0.10 0.06 0.005 9/2009 1.0 0.10 0.06 0.005 9/2015 Tiêu chuẩn xe dùng dầu Diesel Tiêu chuẩn (g/km) HC + NOx (g/km) NOx (g/km) (g/km) Thời điểm áp dụng EURO I 2.72 0.97 - 0.14 6/1992 EURO II 1.0 0.7 - 0.08 01/1996 EURO III 0.64 0.56 0.50 0.05 01/2000 EURO IV 0.50 0.30 0.25 0.025 01/2005 EURO V 0.50 0.23 0.18 0.005 9/2009 EURO VI 0.50 0.17 0.08 0.005 9/2015 CO PM https://www.smmt.co.uk/industry-topics/emissions/ 8.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Đo nồng độ CO, CO2 Dùng phương pháp hấp thụ ánh sáng để xác định CO, CO2 Thiết bị dựa nguyên tắc hợp chất hóa học hấp thụ sóng ánh sáng cực đỏ (bước sóng 0,8 μm ÷ 300 μm) phạm vi định Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-7 Tia NDIR (hồng ngoại không phân tán) dùng phương pháp Thuật ngữ “ không phân tán “ hiểu tia hồng ngoại chiếu qua CO, CO2, NOX chất khí khác, khí hấp thụ bước sóng hồng ngoại đặc trưng Mức độ hấp thụ bước sóng tỷ lệ với nồng độ CO, CO 2, NOx chất khí khác Ví dụ CO hấp thụ bước sóng 4,7 m; CO2 hấp thụ bước sóng: 4,3 m; HC hấp thụ bước sóng: 3,3m Nguyên lý hoạt động: 12 11 10 Hình 8.9 Nguyên lý phân tích NDIR Mơ tơ tạo dao động; Nguồn hồng ngoại; Bộ tạo dao động; Buồng so sánh; Bộ phận thị; Khuyếch đại chính; Cảm biến; Khuyếch đại sơ bộ; Màng mỏng; 10 Khí ra; 11 Buồng đo; 12 Khí vào Trong buồng so sánh (4) có chứa chất khí hồn tồn suốt tia hồng ngoại Khơng khí cần thực nghiệm hút liên tục qua buồng đo (11) khí CO, CO2 khơng khí thử nghiệm hấp thụ tia hồng ngoại phát từ buồng sáng (2), kết lượng xạ hồng ngoại chiếu đến ngăn bên phải phận cảm biến (7) so với ngăn bên trái Trong phận cảm biến (7) chứa không khí cần thử nghiệm (với áp suất thấp) hai ngăn trái phải có lắp màng mỏng kim loại (9) có tính đàn hồi cao Đến lượt mình, khí CO, CO2 ngăn phải phận cảm biến (7) lại hấp thụ nhiều xạ hồng ngoại nên nhiệt độ khơng khí bên ngăn trái tăng cao so với khơng khí bên ngăn phải, màng mỏng kim lọai (9) bị đẩy võng sang bên phải Độ dịch chuyển màng mỏng tỷ lệ với nồng độ CO, CO2 khơng khí biến đổi thành tín hiệu điện đầu để hiển thị trị số nồng độ CO, CO2 mẫu khí thử nghiệm Bộ tạo dao động ngắt mở tia chiếu (3) có tác dụng tạo xung áp lực màng mỏng kim loại theo pha với tốc độ quay nó, nhờ biến đổi tín hiệu điện Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-8 đầu xác so với độ võng màng mỏng (9) nằm vị trí cố định khơng có tạo dao động  = f (CO, CO2, HC, O2) IR Detectors IR Filters Sample cell HC CO CO2 Electronics O2 Sensor IR Source Chopper blade Gas in Gas out Đo nồng độ oxit nitơ (NOX) Để đo nồng độ NOx, người ta thường sử dụng phương pháp hấp thụ ánh sáng dùng phương pháp quang hóa (Chemoluminezenz) Nguyên lý phương pháp quang hóa sau, NO tác dụng với O3, phản ứng hóa học xảy ra, đồng thời ánh sáng có bước sóng đặc biệt phát ra, cường độ ánh sáng phát tỷ lệ với nồng độ NO Hơn nhiệt độ cao, NOx biến thành NO tạo phản ứng hóa học giống trên, cường độ ánh sáng sinh thời điểm đo lại Nguyên lý hoạt động: Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-9 NO O3 đưa vào ống phản ứng (4) NO tác dụng với ozon (O 3) tạo số phân tử NO*2 bị kích thích, phân tử phát lượng xạ bước sóng 600  3000 nm cực đại bước sóng 1200 nm, sau trở trạng thái bình thường Các phản xảy sau: NO + O3 → NO*2 + O2 NO + O3 → NO2 + O2 → NO2 + h NO*2 10 Hình 8.10 Ngun lí thiết bị đo NOx theo phương pháp quang hóa Khí ozon (O3) ; Khí cần đo; Khí thải sau phản ứng; Ống phản ứng; Chất phát sáng; Cảm biến; Máy khuếch đại quang học PM.(Nguồn điện cao áp); Khuếch đại; Thiết bị thị kết quả; 10 Lọc Trong : h: số lượng riêng phần h: hệ số plank : tần số chùm tia Năng lượng chuyển hóa thành độ lớn điện máy khuếch đại quang học PM đưa đến khuếch đại (8) Độ lớn thu nhận tỉ lệ với nồng độ NO Bộ khuếch đại (8) đưa tín hiệu điện nhận đến hiển thị kết (9) Đo nồng độ cacbuahydro (HC) Phương pháp ion hóa lửa (FID) (Flame Ionisation Detector) sử dụng rộng rãi Cacbuahydro gồm có: khơng cháy cháy khơng hồn tồn khí xả Có nhiều phương pháp đo, song phương pháp đo khí xả phương pháp FID có độ xác cao Hiện người ta phát triển thiết bị đo HC theo nguyên lí hấp thụ ánh sáng cực đỏ Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-10 13 11 12 10 Hình 8.11 Sơ đồ ngun lí đo HC với FID 1.Khí xả; Ngọn lửa; Vịi phun; Buồng cháy; Khí mẫu H2; Khí nhiên liệu cần phân tích; Khơng khí; Nguồn; Điện trở cao; 10 Đầu ; 11 Cảm biến; 12 Dịng điện Ion; 13 Cực góp Ngun lý phép đo: Khí H2 tinh khiết cháy khơng khí khơng tạo thành ion lửa H2 có điện trở lớn (1012 ÷1014Ω) có lượng nhỏ cacbuahydro (HC) lửa Hydro, nhiệt độ lửa xảy tượng ion hóa phân tử HC, lượng ion sinh tỷ lệ với nồng độ HC Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-11 Nguyên lý hoạt động: Một khí mẫu H2 mẫu khí thải trộn vịi phun Hỗn hợp sau hịa trộn với khơng khí buồng cháy Một điện áp âm cao đặt vào vòi phun điện áp dương cao đặt vào cực góp Cảm biến phát cường độ dòng điện (dòng Ion) hai cực (vịi phun cực góp) cách đếm thay đổi số lượng Ion sinh lửa hydro Nồng độ HC tính theo đó, kết gửi phận ghi 8.3 ĐO ĐỘ KHĨI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL (Isopropanol/water)Solubles (CH2Cl2)-Soluble Components (mainly hydrocarbons) Fuel Sulphate Lube oil Carbon Water Insolubles (metal and others) Polar organic and inorganic materials Hình 8.12a Thành phần hạt bồ hóng Bồ hóng hình thành liên kết nhiều hạt hình cầu hạt ban đầu thành khối hay chuỗi có kích thước trung bình nằm khoảng từ 100 đến 150 nm mà người ta gọi hạt bồ hóng theo ngơn ngữ thơng thường Các hạt hình cầu có đường kính từ 10-80 nm, đại phận nằm khoảng 15-30 nm Dụng cụ đo độ khói dựa phương pháp sau đây: Phương pháp quan sát Người ta so sánh độ đen khí xả với độ đen chuẩn Giáo sư Ringelmann (Pháp) phát minh vào thập niên 1800 Độ đen chuẩn gồm carte có kẻ vng mực đen trắng Bề rộng nét đen thay đổi độ đen choáng chỗ tương ứng 20, 40, 60 80% diện tích tổng cộng Các độ đen tương ứng với số Ringelmann 1,2,3 Theo qui ước, số tương ứng với trắng hoàn toàn số tương ứng với đen hoàn toàn Phương pháp tắt ánh sáng a Nguyên lý: Khi chùm tia sáng có cường độ Io truyền qua cột khói cảm biến đặt phía sau nhận cường độ IIo Tỉ số I/Io phụ thuộc vào mức độ dập tắt ánh sáng cột khói Người ta định nghĩa thông số sau: Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-12 - Độ sáng : T= T0 p I N = e− KL.T p0 = (1 − ) I0 100 (1) - Độ mờ : N = 100(1 − e T0 p − KL T p (2) ) - Hệ số hấp thụ K rút từ định luật Beer-Lambert: K =− L N ln(1 − ) L 100 (3) : Quang trình (m) Trong kỹ thuật, hệ số hấp thụ K (m-1) độ mờ N (%) dùng để biểu diễn độ khói khí xả Các thơng số phụ thuộc vào quang trình L Khi L=45,7cm độ mờ N(%) độ khói Hartridge HSU (Hartridge Smoke Units) b Sơ đồ thiết bị đo: - Mờ kế (opacimeter) kiểu dòng tự do: Sơ đồ trình bày hình 8.7 Nguồn sáng tế bào quang điện bố trí đối xứng qua cột khói cần đo Dụng cụ đặt cách miệng xả ống tiêu âm khoảng 4-5 cm Sự thay đổi sức điện động tế bào quang điện ghi nhận nhờ máy ghi tín hiệu Quang trình Tế bào quang điện Nguồn sáng mA Khí xả Hình 8.12b Mờ khí dịng tự Thang chia dụng cụ đo thay đổi từ 100% (tương ứng với tắt nguồn sáng) đến (tương ứng với cột không khí sạch) Kết đo phụ thuộc vào quang trình L theo định luật Beer-Lambert Vì cần xác định xác L để so sánh kết nhận với thang đo khác Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-13 - Mờ kế kiểu lấy mẫu: Đây nguyên lý khói kế (smokemeter) Hartridge (hình 8.13) Phương pháp cho phép đo liên tục độ mờ phận khí xả di chuyển ống lấy mẫu Nguồn sáng tế bào quang điện đặt cách khoảng L định hai đầu ống lấy mẫu gắn liền với trục xoay Đầu tế bào quang điện nối với đồng hồ miliampère Thang chia thay đổi từ (khi xoay trục phía ống khơng khí) đến 100 (khi tắt nguồn sáng) Khí xả Khơng khí Hình 8.13 Sơ đồ khói kế Hartridge 1- Tế bào quang điện.2- Tay gạt 3- Đồng hồ thị - Bơm hút khơng khí - Khoang so sánh - Nguồn điện - Đèn chiếu - Khoang đo Khơng khí Khí thải Khơng khí Hình 8.14 Sơ đồ lấy mẫu khói AVL DISMOKE 4000 Phương pháp lọc bồ hóng Bồ hóng chứa thể tích mẫu thử giữ lại giấy lọc hút qua bơm Nồng độ bồ hóng sau đánh giá cách so sánh mẫu giấy lọc nhận mẫu giấy lọc chưa sử dụng dựa vào kết đo cường độ ánh sáng phản xạ nhờ tế bào quang điện hay cách cân a Khói kế Bosch: Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-14 12 v Hình 8.15 Sơ đồ nguyên lý bơm lấy mẫu Đầu hút khí xả, Ống dẫn khói, Bộ kẹp giấy lọc, Van cấp khơng khí sạch, Bơm piston, Lị xo, Chốt hãm kiểu điện từ, Công tắc điện Mẫu khí xả tích định hút qua giấy lọc nhờ bơm (hình 8.15) Bồ hóng khí xả giấy lọc giữ lại, độ đen giấy tỉ lệ với nồng độ bồ hóng Độ đen đánh giá gián tiếp thơng qua ánh sáng phản xạ nhận từ tế bào quang điện cảm biến Bosch (hình 8.10) Giá trị đầu tế bào quang điện ghi nhận nhờ đồng hồ milliampère có thang chia từ đến 10 Hình 8.16 Sơ đồ cảm biến Bosch 1- Giấy lọc chứa bồ hóng.2 - Tế bào quang điện 3 - Nguồn sáng - Điện kế (mV) - Nguồn điện Trước đo phải chỉnh dụng cụ: - Vị trí tương ứng với phận cảm biến đặt lên giấy lọc trắng chưa sử dụng - Vị trí tương ứng với giấy đen nhà chế tạo cung cấp - Vị trí 10 tương ứng với tắt nguồn sáng b Cân trực tiếp: So sánh thay đổi khối lượng giấy lọc trước sau hút mẫu cho phép rút nồng độ bồ hóng cách trực tiếp Trước cân mẫu giấy lọc có chứa bồ hóng cần phải tiến hành sấy nhẹ để bốc thành phần chất lỏng giữ lại giấy Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-15 Thể tích mẫu xác định qua thông số dụng cụ hút với áp suất nhiệt độ khí vị trí lấy mẫu Qui đổi đơn vị phương pháp đo Tiêu chuẩn độ khói đen khí xả động đo theo đơn vị khác phụ thuộc nước: Hệ số hấp thụ quang học K (Cộng đồng Châu Âu, Úc, Brazil), Đơn vị Hartridge (Mỹ, Nam Triều Tiên, Việt nam), Chỉ số Bosch (Nhật, Thụy điển) Để qui đổi đơn vị này, Hội kỹ sư Ô tô Hoa kỳ (SAE) nghiên cứu thực nghiệm điều kiện chuẩn năm 1969 công bố kết quan hệ đơn vị độ đen Mục lục Chương Phân tích khí thải 8.1 KHÁI QUÁT 8.2 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 8.3 ĐO ĐỘ KHÓI TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ DIESEL 11 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-16 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải  = f (CO, CO2, HC, O2) 8-17 IR Detectors IR Filters Sample cell HC CO CO2 Electronics O2 Sensor IR Source Chopper blade Gas in Gas out Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Phân tích khí thải 8-18 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN ... thải 8 -10 13 11 12 10 Hình 8 .11 Sơ đồ nguyên lí đo HC với FID 1. Khí xả; Ngọn lửa; Vịi phun; Buồng cháy; Khí mẫu H2; Khí nhiên liệu cần phân tích; Khơng khí; Nguồn; Điện trở cao; 10 Đầu ; 11 Cảm... EURO IV 1. 0 EURO V EURO VI PM (g/km, động phun trực tiếp) NOx (g/km) Thời điểm áp dụng 6 /19 92 Không qui định 01/ 1996 0 .15 Không qui định 01/ 2000 0 .10 0.08 Không qui định 01/ 2005 1. 0 0 .10 0.06... 9/2009 1. 0 0 .10 0.06 0.005 9/2 015 Tiêu chuẩn xe dùng dầu Diesel Tiêu chuẩn (g/km) HC + NOx (g/km) NOx (g/km) (g/km) Thời điểm áp dụng EURO I 2.72 0.97 - 0 .14 6 /19 92 EURO II 1. 0 0.7 - 0.08 01/ 1996