.24 Mạch điện cảm biến oxy với thành phần Titannium

 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến này có cấu tạo tƣơng tự nhƣ loại Zicronium nhƣng thành phần nhận biết oxy trong khí thải đƣợc làm từ Titanium dioxide) TiO2. Đặc tính của dạng này là sự

thay đổi điện trở theo nồng độ oxy cịn trong khí thải.

Khi khí thải chứa lƣợng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu, phản ứng tách oxy khỏi TiO2 dễ xảy ra. Do đó điện trở của cảm biến (TiO2) có giá trị thấp làm dòng qua điện trở

41

tăng lên. Nhờ vậy điện áp đặt vào cổng so của OP AMP qua cầu phân áp đạt giá trị 0,2 đến 0,9V. Khi khí thải chứa lƣợng oxy nhiều do hỗn hợp nghèo, phản ứng tách oxy ra khỏi TiO2 khó xảy ra, do đó điện trở của TiO2 cáo giá trị cao làm dòng qua điện trở giảm, điện thế ở cổng sẽ giảm xuống khoảng 0,1 đến 0,4V.

2.4.2 Bộ chuyển đổi xúc tác

Hình 2.25 Bộ chuyển đổi xúc tác trên ơ tô

Từ năm 1997 về sau, khi các chỉ tiêu về môi trƣờng ngày càng khắc khe, lúc này các hãng xe phải quan tâm chặt chẽ đến vấn đề khí xả. Từ đó bộ xúc tác khí xả 3 thành phần (three way catalyst) ra đời nhằm loại trừ các chất NOx, HC, CO. Bộ three way catalyst gồm trong đó có 3 chất: Platinium, Paladium, Rhodium. Khi là việc thì các chất độc hại trong khí xả sẽ phản ứng theo các phƣơng trình:

NOX + CO ---> CO2 + N2 (dưới xúc tác Rhodium) (2.9)

NOX + HC ---> CO2 + NH3 (dưới xúc tác Rhodium) (2.10)

CO + O2 ---> CO2 (dưới xúc tác Platinium) (2.11)

HC + O2 --> CO2 + H2O (dưới xúc tác Paladium) (2.12)

Trong phƣơng trình 2.9 và 2.10 thì bộ xúc tác lấy NOX trong khí xả để làm chất phản

ứng, vì thế sản phẩm cháy của động cơ cần phải đủ NOX để cho nó phản ứng khử bớt

hai chất độc hai kia là HC và CO. Mà trong khi cháy chỉ có ở chế độ λ =1 (tức 14,7 g

khơng khí cần thiết để đốt cháy 1g nhiên liệu) mới có đủ NOX cho bộ xúc tác hoạt động.

Chính vì thế trong hệ thống điều khiển cần phải kiểm sốt duy trì q trình cháy ln đủ

42

Để kiểm soát λ =1, cần phải dùng cảm biến để kiểm tra nồng độ oxy có trong khí xả. Khi hệ thống hoạt động với chế độ điều khiển kín (Closed loop) thì ECU sẽ đối chiếu nồng độ oxy trong khí xả để ln duy trì trạng thái cháy đủ khơng khí/xăng (tức λ =1). Điều khiển ở chế độ Closed loop chỉ xảy ra khi: nhiệt độ động cơ đủ nóng đến nhiệt độ vận hành, ga ổn định và ở mức trung bình. Thì lúc này ECU mới xử lý tín hiệu từ cảm biến oxy để điều khiển lƣợng phun nhiên liệu.

Các chế độ khác thì hoạt động ở trạng thái open loop control: khơng xử lý tín hiệu từ cảm biến oxy. Tuy nhiên, ở chế độ best power (cần cơng suất cao) thì cần phải tạo hỗn hợp giàu ( λ <1 ) tức hơi dƣ xăng thì cơng suất động cơ mới đạt tối đa. Mà ở chế độ này

thì lƣợng NOX hơi ít khơng đủ để cho bộ xúc tác làm việc, nên hệ thống sẽ ở chế độ

điều khiển hở ( open loop control ). Khi đó, trong khí thải sẽ xuất hiện HC và CO.

2.4.3 Buồng Plasma

Sự phóng điện trong chất khí đƣợc gọi là plasma khí. Bình thƣờng các phân tử hỗn hợp khí trong mơi trƣờng nằm trong trạng thái cân bằng nhiệt động học, khơng gây nên các chuyển hóa hóa học. Để q trình phóng điện tạo ra mơi trƣờng plasma diễn ra có hiệu quả cần tạo điều kiện thuận lợi để quá trình diễn ra nhanh chóng. Q trình này phụ thuộc vào hằng số tốc độ chuyển biến hóa học Kt, phụ thuộc nhiệt độ môi trƣờng T và năng lƣợng hoạt hóa phân tử Ea[20].

0.exp( ) . a t E K K R T   Trong đó:

 K0: Tổng số các va chạm của các phần tử tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian.  R: Hằng số khí.  ( ) . a E R T  : Đặc trƣng số phần tử tham gia phản ứng.

Qua biểu thức trên ta thấy rằng, để tăng tốc độ phản ứng hóa học cần tăng nhiệt độ môi trƣờng hoặc giảm năng lƣợng hoạt động hóa phân tử. Trong thực tiễn tăng nhiệt độ mơi trƣờng thƣờng gắn liền với các biện pháp kỹ thuật phức tạp và tốn kém, ngoài ra

43

chỉ có thể tăng đến một giới hạn cho phép. Mặt khác, tốc độ phản ứng hóa học tỉ lệ thuận với năng lƣợng dự trữ và mức dao động của các phần tử tự do hoạt hóa phân tử khí thành phân tử không cân bằng (phân tử bị kích thích) trong điện trƣờng cao áp khơng đồng nhất. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu việt và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị hằng ngày chúng ta thƣờng thấy nhƣ màn hình plasma, đèn huỳnh quang, laser khí…

Để tạo ra điện trƣờng cao áp có rất nhiều cách khác nhau, luận văn tập trung nghiên cứu về mạch nguồn xung cách ly flyback. Là một kiểu nguồn xung đƣợc dùng rất phổ biến hiện nay và đƣợc ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực. Kiểu nguồn xung flyback là kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp. Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào tùy vào mục đích thiết kế.

Sơ đồ nguyên lý nhƣ sau:

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch nguồn xung flyback [21]

Mạch có cấu tạo bởi một van đóng cắt và một biến áp xung. Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỉ số truyền của lõi.

Nhƣ chúng ta đã biết, chỉ có dịng điện biến thiên mới tạo đƣợc ra từ thông và tạo đƣợc ra sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây của biến áp. Do đây là điện áp một chiều nên dịng điện khơng biến thiên theo thời gian do đó ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo ra đƣợc từ thông biến thiên.

44

Khi “Switch On” đƣợc đóng thì dịng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng dần lên. Cực tính của cuộn dây sơ cấp có chiều nhƣ hình vẽ và khi đó bên cuộn dây thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dƣơng nhƣ hình vẽ. Điện áp ở thứ cấp phụ thuộc bởi tỉ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Lúc này do Diode chặn nên tải đƣợc cung cấp bởi tụ C. Khi “Switch Off” đƣợc mở ra. Cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ.

Cơng thức tính tốn cho nguồn dùng flyback:

     2 1 1 . . . . 1 . out in on on n V V T f n T f               Trong đó:

 n2: số cuộn dây thứ cấp của biến áp.

 n1: số cuộn dây sơ cấp của biến áp.

 Ton: Thời gian mở của Q1 trong một chu kỳ.

 f: Là tần số băm xung T 1/ f Ton Toff.

Nguồn xung kiểu flyback hoạt động ở hai chế độ : Chế độ liên tục (dòng qua thứ cấp ln > 0) và chế độ gián đoạn (dịng qua thứ cấp luôn bằng 0).

Từ nguồn xung tạo ra điện trƣờng cao áp ta cấp cho hệ thống có dạng mơ hình nhƣ sau:

Hình 2.27 Mơ hình buồng plasma [16]

45

Với nguồn cao áp đƣợc đặt lên các điện cực đủ lớn (9 ÷ 12 kVrms) sẽ xảy ra q trình phóng tia lửa điện trong khơng khí. Đây là phƣơng pháp đơn giản và tin cậy nhất để tạo ra đƣợc plasma. Plasma đƣợc tạo thành khi chỉ có vài phần trăm chất khí bị ion hóa. Do đó, chỉ có các điện tử là mang nhiệt độ rất cao trong khi các phân tử cịn lại có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trƣờng. Nhƣ trong chƣơng hai đã phân tích rõ ở trên, trong vùng plasma xảy ra đồng thời các q trình ion hóa, phân ly và kích thích phân tử, tạo ra các phân tử có thời gian tồn tại ngắn ngủi, dễ dàng tham gia các phản ứng hóa học. Nhƣ vậy hoạt hóa các chuyển biến hóa học trong vùng ion hóa gắn liền với các va chạm khơng đàn hồi các phân tử khơng khí. Sau các phản ứng hóa học tạo ra nhiều thành phần mới. Các dạng va chạm chủ yếu giữa các điện tử với phân tử và nguyên tử bao gồm:

 Va đập không đàn hồi thiết lập trạng thái điện tử kích thích. *

e  A e A

 Phân ly phân tử bởi va đập điện tử.

eAB  e A B

 Thiết lập trạng thái kích thích dao động.

1 2

( ) ( )

eAB v  e AB v

Trong đó: v1,v2 - là hằng số lƣợng tử dao động của phân tử.

 Phân ly phân tử mạng điện tử.

eAB AB

 Tái hợp phân ly.

*

eAB A B

 Ion hóa phân tử và nguyên tử bởi va đập điện tử.

* 2

e A e A

Nhờ các quá trình thành phần này vùng ion hóa do phóng điện trong khơng khí đóng vai trị nhƣ là chất xúc tác cho các chuyển hóa, hóa học khác nhau.

(2.15) (2.16) (2.18) (2.17) (2.19) (2.20)

46

Chƣơng 3

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN Ơ TƠ BẰNG CƠNG NGHỆ

PLASMA PHI NHIỆT

3.1 Mơ hình xử lý khí thải bằng cơng nghệ Plasma phi nhiệt

3.1.1 Mơ hình chung

Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển hệ thống xử lý khí thải bằng cơng nghệ

Plasma phi nhiệt

(a)Mơ hình cơ bản của động cơ, (b)Hệ thống điều khiển xử lý khí thải bằng cơng

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 ra

ngồi mơi trường.

Sơ đồ hình 3.1 mơ tả ngun lý hoạt động của mơ hình điều khiển hệ thống xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma. Khí thải trên đƣờng ống thải (6) sẽ đi qua cảm biến oxy (3), dựa vào nồng độ oxy của khí thải, cảm biến oxy sẽ nhận biết đƣợc thành

47

phần tỷ lệ hịa khí đƣa vào đƣờng ống nạp (5) là bao nhiêu ( nghèo nhiên liệu hay giàu nhiên liệu), và xác trạng thái hoạt động của động cơ. Tín hiệu từ cảm biến oxy sẽ đƣợc gửi về mạch điều khiển (2) ở dạng điện áp.

Do vi xử lý trên mạch điều khiển (2) không nhận biết đƣợc trực tiếp nồng độ các chất độc hại (HC, CO, NOX,…) nên ta chỉ dựa vào tín hiệu điện áp của cảm biến oxy gửi về để xác định trạng thái hoạt động của động cơ.

Dựa vào chế độ hoạt động của động cơ, ta xác định đƣợc nồng độ các chất độc hại có trong khí thải bằng q trình đo đạc thực nghiệm khí thải. Và từ đây ta có thể làm cho vi xử lý trong mạch điều khiển (2) nhận biết đƣợc nồng độ khí thải thơng qua tín hiệu của cảm biến oxy.

Từ tín hiệu đầu vào ở dạng điện áp, mạch điều khiển (2) sẽ phát tín hiệu đầu ra để điều khiển cƣờng độ xử lý của buồn plasma đối với từng chế độ hoạt động của động cơ.

Buồng plasma sẽ hoạt động kết hợp với bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô. Và tùy theo trạng thái hoạt động của ô tô, cũng nhƣ cách thức làm việc của bộ chuyển đổi xúc mà buồng plasma sẽ hoạt động ở cƣờng độ xử lý cao hoặc thấp hoặc có thể ngừng hoạt động.

3.1.2 Cấu tạo thiết bị xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma

Các bộ phận chính của thiết bị bao gồm: Buồng plasma, bộ nguồn cao áp một chiều, van điều khiển lƣu lƣợng, các công tắc điều khiển, ampe kế và quạt làm mát.

48

Hình 3.3 Thiết bị thực tế [16]

Hình 3.4 Sơ đồ cấp điện cho hệ thống xử lí khí thải [16]

1 – Biến áp tự ngẫu; 2 – Biến áp chuyển đổi điện áp 220/110V; 3 – Cầu Diod; 4 – Biến thế tăng áp; 5 – Bộ phát xung.

Để đảm bảo dịng phóng điện tạo môi trƣờng plasma ổn định, nguồn cao áp thiết kế theo kiểu xung tần số cao từ (15 ÷ 16) kHz đƣợc đƣa vào cuộn sơ cấp của biến thế, đầu ra thứ cấp đƣợc nắn thành một chiều bằng diode và san độ mấp mô bằng cuộn kháng, công suất P = 150W, điện áp đầu ra một chiều tối đa U = 30 kV có khả năng điều chỉnh mịn. Thiết bị này đƣợc bán sẵn trên thị trƣờng và làm việc rất ổn định.

49

Hình 3.5 Vùng plasma đƣợc tạo ra từ ống thạch anh

3.1.3 Nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma

Trong môi trƣờng plasma, các chất trên dƣới tác động của các hạt electron chuyển động tự do sẽ xảy ra các phản ứng nhƣ sau [27]:

- 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, sẽ xảy ra các phản ứng hóa học phức tạp giữa các nguyên tử với nguyên tử, nguyên tử với phân tử trong môi trƣờng plasma. Các diễn biến chính bên trong lò phản ứng plasma có thể tóm tắt nhƣ sau [28]: - O2 + O* → O3 - NO + O3 → NO2 + O2 - NO + O* → NO2 - NO2 + N* → N2O + O - NO2 + N* → N2 + O2

50 - NO + OH → HNO2 - NO2 + OH → HNO3 - NO + H2O → NO2 + OH - Plasma + NO + HC + O2 → NO2 + HC-products - M* + CO2 → M + CO+ + O + e Với M*: H2O* hoặc OH*.

Thiết bị đƣợc vận hành đơn giản, dễ sử dụng. Tùy thuộc vào loại khí cần sử lý, ta điều chỉnh cƣờng độ dịng điện để tạo ra vùng plasma mạnh hay yếu để xử lý hiệu quả.

3.2 Mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma

3.2.1 Điều khiển thiết bị xử lý khí thải

Hình 3.6 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo hệ số dƣ lƣợng

51

Dựa vào bảng 3.1, ta có thể xác định đƣợc tín hiệu đầu vào cho mạch điều khiển và từ đó lập trình cho vi điều khiển. Cách thức điều khiển trạng thái hoạt động bộ xử lí khí thải của mạch nhƣ sau:

 Khi hỗn hợp lý tƣởng ( λ = 1), mạch sẽ điều khiển buồng plasma ngƣng hoạt

động. Vì lúc này, NOx, HC, CO đƣợc bộ chuyển đổi xúc tác xử lý rất tốt.

 Khi hỗn hợp hịa khí giàu ( λ < 1), lúc này khí thải sinh ra nhiều HC, CO và

rất ít NOx. Mạch sẽ điều khiển buồng plasma hoạt động với cƣờng độ cao nhất để xử lý.

 Khi hỗn hợp hịa khí nghèo (λ > 1), lúc này, lƣợng HC tăng, CO và NOx

giảm. Mạch sẽ điều khiển buồng plasma hoạt động với cƣờng độ thấp hơn để xử lý HC.

Bảng 3.1 Bảng mối liên hệ giữa trạng thái hỗn hợp hịa khí và tín hiệu điện áp từ

cảm biến Oxy

Trạng thái hỗn hợp hịa khí

Điện áp từ cảm biến Oxy ( trong khoảng

0.1 đến 0.9V )

Các chất độc hại hình thành từ động cơ đốt

trong

Hỗn hợp lý tƣởng ( λ 0.5 V Sinh ra nhiều NOx Hỗn hợp giàu ( λ < > 0.5 V Lƣợng NOx rất ít, nhiều

HC và CO

Hỗn hợp nghèo ( λ > < 0.5 V Lƣợng HC tăng, CO và NOx giảm

52

3.2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển

Hình 3.11 Sơ đồ khối mạch điều khiển hệ thống xử lý khí thải bằng cơng nghệ

plasma

Hình 3.11 mơ tả nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển hệ thống xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma. Mạch sẽ nhận tín hiệu ở dạng điện áp từ cảm biến oxy, và do điện áp từ cảm biến oxy gửi về khá nhỏ ( từ 0,1 đến 0,9 V ) nên cần phải qua bộ khuyếch đại để tăng giá trị điện áp lên mức từ 0 đến 5V giúp cho vi xử lý nhận biết đƣợc. Sau đó hiệu từ dạng tƣơng tự sẽ đƣợc chuyển sang dạng số thông qua bộ ADC. Vi xử lý arduino dựa vào tín hiệu điện áp đầu vào để xử lý và xuất tín hiệu đầu ra để điều khiển cƣờng độ xử lý của buồng plasma.

Tín hiệu đầu ra của mạch điều khiển ở dạng điện áp 5V, tín hiệu sẽ điều khiển