.4 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các electron

e–+ A → A + e– Tán xạ đàn hồi Các electron nhiệt e–+ A → A+ + e–+ e– Ion hóa Dẫn điện

e–+ A → A* + e– Kích thích

e– + A* → A + e– + hv Khử kích thích Phát ánh sáng e– + A* → A+ + e– + e– Ion hóa bƣớc 2 Hiệu suất ion hóa e– + AB → A + B + e– → A+ +

e– + B + e– → A– + B

Phân mảnh ion hóa Phân li

Kết hợp phân li

35

e– + A+ + B → A + B Tái hợp môi trƣờng

Suy giảm plasma và trạng thái ổn định

Bảng 2.5 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hịa

A+ + B → B+ + A “ cộng

hƣởng” Với A = B Trao đổi điện tích Phổ năng lƣợng ion A+ + B → B + A+ Tán xạ đàn hồi Phổ năng lƣợng ion A+ + B → A+ + B* + e– Sự kích thích Hiệu suất ion hóa A+ + B → A+ + B+ + e– Sự ion hóa Hiệu suất ion hóa A + B* → A+ + B + e– Sự ion hóa Penning Hiệu suất ion hóa

A+ + BC → A+ + B + C–

Sự phân mảnh/ Sự

phân li Phân tích khí cịn dƣ e– + A+ + B → A + B Tái hợp môi trƣờng Suy giảm plasma

A± + B → AB± Có chút kim loại Các phổ khối lƣợng ion

36

Trong đó: e là electron; A, B là nguyên tử; A+ , B+, C– là ion một điện tích; A*, B* là nguyên tử kích thích; AB, BC là phân tử.

Để ứng dụng công nghệ Plasma phi nhiệt một cách hiệu quả trong xử lý khí thải, ta cần tạo một bộ điều khiển để thiệt bị tạo Plasma hoạt động phù hợp với trạng thái hoạt động của động cơ ơ tơ. Vì vậy, ta sẽ tìm hiểu qua cơng nghệ vi điều khiển Arduino để làm rõ thêm vấn đề cần giải quyết của đề tài.

2.3 Giới thiệu về vi điều khiển Arduino 2.3.1 Lịch sử về arduino 2.3.1 Lịch sử về arduino

Arduino [24] ra đời tại thị trấn Ivrea, nƣớc Ý và đƣợc đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin.

Nó chính thức đƣợc đƣa ra giới thiệu vào năm 2005 nhƣ là một công cụ cho sinh viên học tập của giáo sƣ Massimo Banzi, một trong những ngƣời phát triển Arduino tại trƣờng Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Dù hầu nhƣ khơng có một sự tiếp thị hay quảng cáo nào nhƣng tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vơ vàn lời truyền miệng tốt đẹp của những ngƣời dùng đầu tiên. Hiện nay, arduino phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới và cả Việt Nam, và nó đã trải qua rất nhiều thế hệ ( phụ lục 1).

2.3.2 Giới thiệu về Arduino nano

Arduino Nano là một loại đơn giản và tiện dụng, có thể lập trình bằng máy tính (nhƣ vi điều khiển arduino R3)và đặc biệt ở đây là về kích thƣớc. Kích thƣớc của nó cực kỳ nhỏ (1,85cm × 4,3cm), rất thích hợp cho các newbie, vì giá rẻ hơn Arduino Uno nhƣng dùng đƣợc các thƣ viện của mạch này.

37

Hình 2.20 Arduino Nano

Các thơng số kỹ thuật

Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)

Điện áp hoạt động 5V – DC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi

bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Kích thƣớc 1,85cm x 4,3cm

Các thông số kỹ thuật của Arduino Nano hầu nhƣ giống hoàn toàn với Arduino Uno R3, vì vậy các thƣ viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Aduino Nano.Tuy

38

nhiên, ở Arduino Nano có một lợi thế rất quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đƣợc sự dụng rất nhiều trong các dự án DIY, đó chính là kích thƣớc của nó.Ngồi ra,Arduino Nano cịn có số chân Analog nhiều hơn Arduino Uno (hai chân A6,A7 chì dùng để đọc) cùng với dòng ra tối đa của mỗi chân IO lên tới 40mA. Nhƣng mạch Nano cần đến 2KB bộ nhớ cho bootloader( ở Uno là 0.5KB ).Tuy nhiên, Nano có đến 30KB bộ nhớ flash để lập trình.

Cổng kết nối: Arduino Nano sử dụng cổng Mini USB.Vì vậy, kích thƣớc các board mạch cũng giảm đi rất nhiều ( về chiều cao ), và có thể lập trình trực tiếp qua máy tính.

2.4 Tìm hiểu vể cảm biến Oxy, bộ chuyển đổi xúc tác, buồng Plasma 2.4.1 Cảm biến Oxy 2.4.1 Cảm biến Oxy

Cảm biến oxy đƣợc gắn trên đƣờng ống thải. Có hai loại cảm biến oxy, chúng khác nhau chủ yếu ở vật liệu chế tạo: Dioxide Zicronium (ZrO2) và Dioxide Titannium (TiO2).

2.4.1.1 Cảm biến oxy với thành phần Zircronium

 Cấu tạo

Hình 2.21 Cấu tạo cảm biến Oxy với thành phần Zircronium

(1)Thân cảm biến, (2) Đệm, (3)Dây dẫn, (4)Màng bảo vệ, (5)Chất điện phân, (6)Thanh tiếp xúc, (7)Vỏ bọc

39

Hình 2.22 Cảm biến Oxy với thành phần dioxide zirconium

(1)Chất điện phân khơ, (2)Điện cực ngồi và trong, (3)Thân cảm biến

Loại này đƣợc chế tạo chủ yếu từ chất Zicronium dioxide (ZrO2) có tính chất hấp thụ những ion oxy âm tính. Thực chất, cảm biến oxy loại này là một pin điện có suất điện động phụ thuộc vào nồng độ oxy trong khí thải với ZrO2 là chất điện phân. Mặt trong ZrO2 tiếp xúc với khơng khí, mặt ngồi tiếp xúc với oxy trong khí thải. Ở mỗi mặt của ZrO2 đƣợc phủ một lớp điện cực bằng platin để dẫn điện. Lớp platin này rất mỏng và xốp để oxy dễ khuyếch tán vào. Khi khí thải chứa lƣợng oxy ít do hỗn hợp giàu nhiên liệu thì số ion oxy tập trung ở điện cực tiếp xúc khí thải ít hơn số ion tập trung ở điện cực tiếp xúc khơng khí. Sự chênh lệch số ion này sẽ tạo một tín hiệu điện áp khoảng 0,2 đến 0,9V. Ngƣợc lại, khi độ chênh lệch số ion ở hai điện cực nhỏ (trong trƣờng hợp nghèo xăng), pin oxy sẽ phát ra tín hiệu điện áp thấp khoảng 0,1 đến 0,4V.

Thân cảm biến đƣợc giữ trong chân có ren, bao ngoài một ống bảo vệ và đƣợc nối với các đầu dây điện.

Bề mặt của chất ZrO2 đƣợc phủ một lớp platin mỏng, ở cả mặt trong lẫn mặt ngoài. Ngoài lớp platin là một lớp gốm rất xốp và kết dính, mục đích bảo vệ lớp platin khơng bị hỏng do va chạm với các phần tử rắn có trong khí thải. Một ống kim loại bảo vệ bao ngoài cảm biến. Tại đầu mối điện uốn kép giữ liền với vỏ ống này có một lỗ để bù trừ áp suất trong cảm biến và để đỡ lị xo đĩa. Để giữ cho muội than khơng đóng bám vào lớp gốm, đầu tiếp xúc khí thải của cảm biến có một ống đặc biệt có cấu tạo dạng rãnh để

40

khí thải và phần tử khí cháy đi vào sẽ bị giữ lại và không tiếp xúc trực tiếp với thân gốm.

Đặc điểm của pin oxy với ZrO2 là nhiệt độ làm việc phải trên 300oC. Do đó để giảm thời gian chờ, ngƣời ta dùng loại cảm biến có điện trở tự nung bên trong. Điện trở dây nung đƣợc lắp trong cảm biến và đƣợc nung cấp điện từ ác quy.

2.4.1.2 Cảm biến oxy với thành phần Titannium

 Cấu tạo

Hình 2.23 Cấu tạo cảm biến oxy với thành phần Titannium

(1)Ống bảo vệ, (2) Thân cảm biến, (3) Đệm, (4) Vỏ bọc, (5) Dây dẫn

Hình 2.24 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 còn 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 dịng 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 tơ

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 NOX cần thiết, tức là kiểm soát hệ số λ =1.

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 mơi 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 (dịng qua thứ cấp ln > 0) và chế độ gián đoạn (dịng qua thứ cấp ln 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 không 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