thiết kế, chế tạo mô hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học tập

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG PIN
MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP

Mã số: T2019 - 06 - 120

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh

Đà Nẵng, 09/2020

2


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE ĐIỆN SỬ DỤNG
PIN MẶT TRỜI PHỤC VỤ HỌC TẬP
Mã số: T2019 - 06 - 120

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)

ThS. Hồ Trần Ngọc Anh

3


DANH SÁCH
NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
STT

1

Họ và tên

HỒ TRẦN NGỌC ANH

Đơn vị công tác và
lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu
cụ thể được giao

Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật, Khoa Cơ khí, Bộ mơn
Cơng nghệ Cơ khí Ơ tơ

- Trực tiếp nghiên
cứu, tính tốn lý
thuyết, thiết kế và chế
tạo mơ hình
- Trình bày báo cáo
đề tài trước hội đồng


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1- TỔNG QUAN......................................................................................... 3
1.1. TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY .......................................................... 3
1.1.1. Tổng quan tình hình năng lượng............................................................... 3
1.1.2. Tình hình ơ nhiễm khơng khí.................................................................... 6
1.1.3. Tình hình phát triển xe sạch trong và ngồi nước .................................. 12
1.2. KHẢO SÁT Ơ TÔ ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........... 21
1.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 21
1.2.2. Nhu cầu sử dụng xe điện trong đời sống ................................................ 21
1.2.3. Hệ thống điện và điều khiển trên xe điện ............................................... 25
1.2.4. Ơ tơ chạy bằng năng lượng mặt trời ....................................................... 27
Chương 2: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...................................................... 30
2.1. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 30
2.1.1. Cấu tạo .................................................................................................... 30
2.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................... 32
2.1.3. Ứng dụng của năng lượng mặt trời ......................................................... 34
2.2. TÍNH TỐN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................................... 40
2.2.1. Tính chọn pin năng lượng mặt trời ......................................................... 40
2.2.2. Tính chọn bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời .................................. 41

Chương 3: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC MƠ HÌNH Ơ TƠ CỠ NHỎ ........ 42
3.1. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN................................................ 42

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

3.2. PHÂN TÍCH, CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................. 44
3.3. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHO BỘ NGUỒN ẮC QUY ...................... 48
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 50
4.1. CHẾ TẠO MƠ HÌNH...................................................................................... 50
4.2. THỬ NGHIỆM, ĐO ĐẠC THÔNG SỐ ........................................................ 52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 54

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay đổi
giai đoạn 1997 – 2017 ....................................................................................................... 4
Hình 1.2. Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ
1992 – 2017 ....................................................................................................................... 5
Hình 1.3. Nguồn khí thải do cháy rừng ............................................................................. 7
Hình 1.4. Nguồn khí thải từ ơ tơ........................................................................................ 8
Hình 1.5. Ơ nhiễm mơi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người.................. 10
Hình 1.6. Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với 1940-1980
......................................................................................................................................... 12

Hình 1.7. Xu hướng phát triển ơ tơ sạch ......................................................................... 13
Hình 1.8. Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec .................................................... 14
Hình 1.9. Động cơ Skyactiv của Mazda .......................................................................... 15
Hình 1.10. Xe buýt sử dụng nhiên liệu LPG ................................................................... 16
Hình 1.11. Xe taxi chạy bằng LPG của hãng taxi Cửu Long .......................................... 17
Hình 1.12. Xe buýt chạy bằng CNG tại Thành phố Hồ Chí Minh .................................. 18
Hình 1.13. Mẫu xe điện Tesla model S ........................................................................... 19
Hình 1.14. Toyota Prius, mẫu xe hybrid bán chạy nhất trên thế giới ............................. 20
Hình 1.15. Mẫu xe Immortus đang được nghiên cứu phát triển ..................................... 21
Hình 1.16. Ơ tơ điện của hãng Nissan ............................................................................. 22
Hình 1.17. Ơ tơ điện sử dụng ở Chicago ......................................................................... 22
Hình 1.18. Xe đạp điện của Vinfast sản xuất .................................................................. 22
Hình 1.19. Tàu điện tự hành tốc độ cao tuyến Paris – Lyon ........................................... 23
Hình 1.20 Tàu điện ngầm tiện dụng ở Pháp .................................................................... 23
Hình 1.21. Xe điện của hãng Mai Linh ở Đà Lạt ............................................................ 24
Hình 1.22. Xe điện sử dụng trong sân golf ..................................................................... 24
Hình 1.23. Hệ thống điện và điều khiển trên ô tô điện hiện đại...................................... 25
Hình 1.24. Ngun lý làm việc của ơ tơ sử dụng năng lượng mặt trời ........................... 28

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

Hình 2.1: Một cell pin mặt trời ........................................................................................ 30
Hình 2.2. Các loại cấu trúc tinh thể của pin mặt trời ...................................................... 31
Hình 2.3. Các vùng năng lượng....................................................................................... 33
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời .......................................... 34
Hình 2.5. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời và sơ đồ điển hình lắp đặt hệ
thống điện pin mặt trời nối lưới....................................................................................... 36

Hình 2.6. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................................ 37
Hình 2.7. Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời ..................................................... 38
Hình 2.8. Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời ......................................... 39
Hình 2.9. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời .................................................... 39
Hình 2.10. Sơ đồ hệ thống năng lượng mặt trời trên mơ hình ........................................ 40
Hình 2.11. Hình ảnh cách bố trí 2 tấm pin mặt trời ........................................................ 40
Hình 2.12. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời ......................................................... 41
Hình 3.1: Sơ đồ ngoại lực tác dụng lên xe ...................................................................... 42
Hình 3.2. Đường đặc tính cơ của 3 loại động cơ điện ..................................................... 45
Hình 3.3. Động cơ điện 48V-350W ................................................................................ 45
Hình 0.4. Kết cấu của động cơ điện MY1020ZX .................................................................. 46
Hình 0.5. Bộ điều khiển động cơ điện ............................................................................. 46
Hình 0.6. Sơ đồ đấu nối mạch điện bộ điều khiển động cơ điện .................................... 47
Hình 0.7. Sơ đồ đấu nối tiếp 2 bình ắcquy (12V- 35AH) ............................................... 49
Hình 4.1. Sơ đồ tổng thể mơ hình ................................................................................... 50
Hình 4.2. Sơ đồ các bước thược hiện lắp ráp mô hình .................................................... 51

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel. ....................................... 9
Bảng 2.1. Cơ cấu nguồn điện năng lượng mặt trời theo Quy hoạch điện VII .......... 35
Bảng 2.2. Tiềm năng lý thuyết của năng lượng mặt trời .......................................... 36

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo mơ hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ học
tập
- Mã số: T2019 - 06 - 120
- Chủ nhiệm: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh
- Thành viên tham gia: Không
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: Từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 8 năm 2020
2. Mục tiêu:
- Chế tạo hồn chỉnh mơ hình ơ tơ sử dụng năng lượng mặt trời.
- Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống.
3. Tính mới và sáng tạo:
Kết hợp hai nguồn năng lượng từ ắc quy và pin mặt trời để cung cấp cho hệ
thống điều khiển mơ hình ơ tơ phục vụ học tập
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
Thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô tô điện cỡ
nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mơ hình tạo tiền đề cho việc nghiên
cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời
5. Tên sản phẩm:
- Mơ hình hệ thống truyền động trên ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời
- Báo cáo tổng kết
- Bài báo “Tổng quan về ứng dụng năng lượng mặt trời cho hệ thống điều
hòa khơng khí trên ơ tơ” đăng trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Tập 225,
số 06, 2020 - Đại học Thái Nguyên

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp
dụng:
Đề tài đã thiết lập được cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và điều khiển ô
tô điện cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời, chế tạo được mơ hình tạo tiền đề cho
việc nghiên cứu chế tạo xe ô tô cỡ nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời
Đề tài hướng đến việc ứng dụng các thiết bị thực tế trong quá trình giảng dạy
thực hành cho sinh viên chuyên ngành, đồng thời tăng cường số tín chỉ học thực
hành trong chương trình mơn học.

4


7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính
Pin năng lượng mặt trời

Công
tắc
phanh
điện

Khóa
điện
Bàn
đạp
ga
Cần
đảo
chiều

? C QUY

? C QUY

12V
20AH

12V
20AH

IC

MOTOR

Sơ đồ hệ thống điều khiển và truyền động mơ hình xe điện sử dụng năng lượng mặt trời

Mơ hình thực tế
Hội đồng KH&ĐT đơn vị
(ký, họ và tên)

Ngày 20 tháng 06 năm 2020
Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

Hồ Trần Ngọc Anh
XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

5


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Design and manufacture electric vehicle models using solar cells
for education
Code number: T2019 - 06 - 120
Coordinator: MSc Ho Tran Ngoc Anh
Implementing institution: University of Technology and Education, The
University of Danang
Duration: from August 2019 to August 2020
2. Objective(s):
- Complete manufacturing of automobile models using solar energy
- Run tests and evaluate the results of the system.
3. Creativeness and innovativeness:
- Combining two sources of energy from batteries and solar cells to supply
the car model control system for learning
4. Research results:
- Establishing the basis for designing the power transmission and control
system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a
premise for the research and manufacture of small cars using solar energy
5. Products:
- Drive system model of small cars using solar energy
- Final Report;
- Article published in scientific journal.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
The project has established the basis for designing the powertrain and control
system of small electric cars using solar energy, creating a model to create a
premise for the research and manufacture of small cars using Solar
The thesis aims to apply practical equipment in hands-on teaching process
for specialized students, while increasing the number of hands-on credits in the
subject curriculum.

6


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
Tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường là hai vấn đề được quan tâm hiện nay.
Tiêu hao nhiên liệu, ơ nhiễm mơi trường chính là từ các ngành cơng nghiệp và khí thải từ
động cơ đốt trong. Vì thế ngày nay hàng loạt các công ty sản xuất ô tô, xe máy, động cơ
đốt trong... khi sản xuất phải đảm bảo thành phần khí xả đáp ứng được tiêu chuẩn bảo vệ
môi trường. Một số giải pháp được nhiều nhà khoa học nghiên cứu là sử dụng nhiên liệu
thay thế, đặc biệt là các loại nhiên liệu sạch. Xe chạy bằng điện chính là giải pháp tốt để
giảm ô nhiễm môi trường và nguồn năng lượng điện là nguồn năng sạch lấy từ các tấm
pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên xe điện sử dụng năng lượng mặt trời chưa phổ biến ở
Việt Nam và trên thế giới vì giá thành q đắt. Bên cạnh đó các mơ hình xe điện sử dụng
pin năng lượng mặt trời để cho sinh viên thực tập tại các trường đại học cịn nhiều hạn
chế. Chính vì thế đề tài Thiết kế, chế tạo mơ hình xe điện sử dụng pin mặt trời phục vụ
học tập là thực sự cấp thiết về trang thiết bị thực tập, đáp ứng về xu thế phát triển nguồn
nhiên liệu mới và giảm ô nhiễm môi trường.
Mục tiêu đề tài:
- Chế tạo hồn chỉnh mơ hình ô tô sử dụng năng lượng mặt trời.
- Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu:
- Nghiên cứu mô hình ơ tơ điện cỡ nhỏ phục vụ học tập
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên mơ hình tự chế.

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Tiến hành nghiên cứu lý thuyết.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

- Chế tạo mơ hình để nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh

2


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

3

Chương 1- TỔNG QUAN
Sự phát triển của các loại ô tô sử dụng động cơ đốt trong là một trong những thành
tựu lớn nhất của công nghệ hiện đại. Ngành cơng nghiệp ơ tơ đã có những đóng góp to
lớn vào sự phát triển của xã hội, đáp ứng nhu cầu đi lại và vận tải trong cuộc sống hàng
ngày. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp ô tô, không giống như của
bất kỳ ngành công nghiệp khác, để lại dấu ấn sự tiến bộ của xã hội con người từ những
thời kỳ đầu công nghiệp đến một xã hội công nghiệp phát triển như ngày nay. Ngành
công nghiệp ô tô và các ngành cơng nghiệp phụ trợ của nó tạo thành xương sống của nền

kinh tế với việc tạo ra hàng triệu việc làm trên toàn thế giới. Tuy nhiên, với số lượng ô tô
lớn sử dụng trên khắp thế giới đã và đang gây ra các vấn đề nghiêm trọng về mơi trường
và cuộc sống của chính con người. Ơ nhiễm khơng khí, sự nóng lên tồn cầu và sự suy
giảm nhanh chóng các nguồn tài nguyên dầu mỏ của trái đất bây giờ là vấn đề quan tâm
hàng đầu. Trong những năm gần đây, nhiều cuộc nghiên cứu và phát triển các hoạt động
liên quan đến giao thông vận tải đã thúc đẩy sự phát triển các công nghệ với hiệu suất
cao, thân thiện mơi trường và an tồn trong giao thông vận tải. Xe điện, xe điện lai ghép
và xe sử dụng pin nhiên liệu đã được đề xuất để thay thế trong tương lai gần. Chương này
sẽ đưa ra một số dẫn chứng và đánh giá các vấn đề về ơ nhiễm khơng khí, lượng phát thải
khí gây nóng lên tồn cầu và sự suy giảm nguồn tài nguyên dầu khí. Đồng thời cũng cung
cấp một số nhận xét về sự phát triển, xu hướng của ngành công nghiệp ơ tơ trên thế giới
1.1. TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU HIỆN NAY
1.1.1. Tổng quan tình hình năng lượng
Đại đa số các loại nhiên liệu sử dụng cho giao thông vận tải là nhiên liệu lỏng có
nguồn gốc từ dầu mỏ. Dầu mỏ là một nhiên liệu hóa thạch, là kết quả từ sự phân hủy của
sự sống đã bị chôn vùi hàng triệu năm trước trong lớp địa chất ổn định. Quá trình này bao
gồm các khoảng thời gian sau đây: sinh vật (chủ yếu là cây) chết và dần dần được bao
phủ bởi lớp trầm tích, theo thời gian các trầm tích tích lũy tạo thành lớp dày và biến đổi
thành đá. Các thành phần này bị chôn vùi xuống sâu dưới lòng đất hay đại dương, nơi
chúng gặp áp suất và nhiệt độ cao và từ từ biến đổi thành các hydro cacbon hoặc than, tùy
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

4

thuộc vào tính chất của chúng mà quá trình này mất hàng triệu năm. Điều này lý giải tại
sao tài nguyên nhiên liệu hóa thạch của trái đất hữu hạn. Lượng dự trữ được các định từ
thông tin khảo sát địa chất và kỹ thuật cho thấy một cách hợp lý rằng chắc chắn khó có

thể phục hồi trong tương lai gần với tốc độ phát triển của nền kinh tế phát triển nhanh
chóng như hiện tại.
Lượng dự trữ dầu mỏ tính theo năm khai thác được xác định trong ước tính hằng
năm của tổ chức đánh giá trạng thái năng lượng của thế giới (hình 1.1) đặc trưng bởi tỉ lệ
R/P. Tỷ lệ R/P (Reserves/ Productions) là số năm mà lượng dầu mỏ dự trữ được xác định
sẽ cạn kiệt nếu khai thác tiếp tục ở mức hiện nay.

Hình 1.1. Biểu đồ tỉ lệ R/P [Năm] theo khu vực năm 2017 và biểu đồ lịch sử thay
đổi giai đoạn 1997 – 2017
Trong đó:
Bắc Mỹ

Trung đơng

Nam và Trung Mỹ

Châu Phi

Châu Âu

Châu Á - Thái Bình Dương

Liên Bang Nga
Ở một số vùng mà khí hậu và mối quan tâm sinh thái là trở ngại lớn để tiến hành khai
thác hoặc khảo sát dầu mỏ thì việc dự tốn, xác định chính xác lượng dự trữ tất cả của trái
đất là một nhiệm vụ khó khăn vì lý do chính trị và kỹ thuật.
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

5

Mặc dù tỷ lệ R/P không bao gồm những khám phá trong tương lai, nhưng đó là một dữ
liệu quan trọng đánh giá thực trạng để có những giải pháp kịp thời.

Hình 1.2. Tổng lượng dầu tiêu thụ theo khu vực trên thế giới [tỉ tấn] giai đoạn từ
1992 – 2017
Châu Á - Thái Bình Dương

Châu Âu

Châu Phi

Nam và Trung Mỹ

Trung đông

Bắc Mỹ

Liên Bang Nga
Nội dung hình 1.2 cho thấy trữ lượng và xu hướng tiêu thụ dầu của các khu vực
trên thế giới hằng ngày. Mặc dù lượng dầu tiêu thụ ở khu vực Đông Âu và Liên Bang
Nga giảm nhẹ nhưng xu hướng chung tiêu thụ dầu của thế giới rõ ràng đang tăng lên đều
đặn và với tốc độ nhanh chóng, như minh hoạ trong hình 1.2 cho thấy lượng tiêu thụ đã
tăng từ 68 tỉ tấn lên đến 98 tỉ tấn từ năm 1992 – 2017, tăng 44,1% trong vòng 25 năm.
Khu vực phát triển nhanh nhất là Châu Á - Thái Bình Dương, lý do là hầu hết dân
số thế giới sống ở đây và khu vực này cũng bao gồm hầu hết các quốc gia đang trên đà
phát triển mạnh trong đó có Việt Nam. Một vụ bùng nổ tiêu thụ dầu đã và đang xảy ra, đi
kèm theo đó là tỉ lệ tăng lên lượng phát thải các chất ô nhiễm môi trường và carbon

dioxide gây ra mối lo ngại về vấn đề bảo vệ môi trường và hệ sinh thái trên toàn thế giới.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

6

1.1.2. Tình hình ơ nhiễm khơng khí
1.1.2.1. Ơ nhiễm khơng khí
Ơ nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ khơng phải riêng
của một quốc gia nào. Mơi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh
hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Hàng năm, con người khai thác và sử dụng
hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt. Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng
lớn các chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp
làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng.
Theo định nghĩa của các nhà khoa học “Ơ nhiễm khơng khí là sự có mặt một chất lạ
hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần khơng khí, làm cho khơng khí khơng
sạch hoặc gây sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa (do bụi)”.
Dưới đây là số liệu thống kê hàng năm khối lượng các chất thải có:
- 20 tỉ tấn CO2
- 1,53 triệu tấn SiO2
- Hơn 1 triệu tấn Niken
- 700 triệu tấn bụi
- 1,5 triệu tấn Asen
- 900 tấn Coban
- 600.000 tấn kẽm (Zn), thuỷ ngân (Hg), hơi chì (Pb) và các chất độc hại
khác.
Ơ nhiễm mơi trường khí quyển tạo nên sự ngột ngạt và "sương mù", gây nhiều bệnh

tật ở người. Nó cịn tạo ra mưa axít làm huỷ diệt rừng và các cánh đồng.
Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào khơng khí các loại khí độc như: CO2,
NOX, CH4, CFC gây hiệu ứng nhà kính. Theo nghiên cứu, chất khí quan trọng gây hiệu
ứng nhà kính là CO2, nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%,
Ozon tầng đối lưu là 7%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3% ...
Nếu như chúng ta không ngăn chặn được hiện tượng hiệu ứng nhà kính thì trong vịng
30 năm tới mặt nước biển sẽ dâng lên từ 1,5 – 3,5 m. Nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ
tăng khoảng 3,6°C, và mỗi thập kỷ sẽ tăng 0,3°C. Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong
vịng hơn 130 năm qua nhiệt độ trái đất tăng 0,4°C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu
được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm
2050 nhiệt độ của trái đất sẽ tăng thêm 1,5 – 4,5°C nếu con người khơng có biện pháp
hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Một hậu quả nữa của ơ nhiễm khí

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

7

quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn gây hậu quả xấu cho sức khoẻ của con người và
các sinh vật sống trên mặt đất.
1.1.2.2. Các nguồn gây ơ nhiễm khơng khí
a. Nguồn tự nhiên

Hình 1.3. Nguồn khí thải do cháy rừng
- Núi lửa: Núi lửa phun ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua,
mêtan và những loại khí khác.
- Cháy rừng: Các đám cháy rừng và đồng cỏ thường lan truyền rộng, phát thải nhiều
bụi và khí.

- Bão bụi: gây nên do gió mạnh và bão, mưa bào mịn đất sa mạc, đất trồng và gió
thổi tung lên thành bụi. Nước biển bốc hơi và cùng với sóng biển tung bọt mang theo bụi
muối lan truyền vào khơng khí.
- Các q trình phân huỷ, thối rữa xác động, thực vật tự nhiên: phát thải nhiều chất
khí, các phản ứng hố học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit, các
loại muối v.v...Các loại bụi, khí này đều gây ơ nhiễm khơng khí.
b. Nguồn nhân tạo
Nguồn gây ơ nhiễm nhân tạo rất đa dạng, nhưng chủ yếu là do hoạt động cơng nghiệp,
đốt cháy nhiên liệu hố thạch và hoạt động của các phương tiện giao thông.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

8

Hình 1.4. Nguồn khí thải từ ô tô.
Nguồn ô nhiễm công nghiệp do hai quá trình sản xuất gây ra:
- Quá trình đốt nhiên liệu: thải ra rất nhiều khí độc đi qua các ống khói của các nhà
máy vào khơng khí.
- Do bốc hơi, rị rỉ, thất thoát: trên dây chuyền sản xuất sản phẩm và trên các đường
ống dẫn tải. Nguồn thải của quá trình sản xuất này cũng có thể được hút và thổi ra ngồi
bằng hệ thống thơng gió.
- Các ngành cơng nghiệp chủ yếu gây ơ nhiễm khơng khí bao gồm: nhiệt điện, vật
liệu xây dựng, hố chất và phân bón, dệt và giấy, luyện kim, thực phẩm ….
Các hợp chất ơ nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm: khí và hạt rắn.
Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO, HC,
…) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất
ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời.

Nhìn chung chất gây ơ nhiễm mơi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau:
- Dioxyde de carbone (CO2), sản phẩm của q trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu
- Monoxyde de carbone (CO), đến từ q trình oxi hóa khơng hồn tồn nhiên liệu
- Oxyde d’azote (NOx), gồm: monoxyde d’azote (NO) và dioxyde d'azote (NO2).
- Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

9

- Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composés organiques volatils), là các hợp
chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện bình thường có thể bay
hơi một lượng đáng kể vào khơng khí. Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các
hydrocarbure (như alcane, alcène, aromatique,..)
- Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP),
như benzoapyrene
- Dioxyde de sulfure (SO2), hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu.
- Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu.
* Thành phần khí thải của động cơ Diesel
Động cơ Diesel chuyển đổi năng lượng hóa học (carburant, gazole) thành năng lượng
cơ học. Gazole là hỗn hợp của các hydrocarbure mà trong quá trình cháy lý tưởng, nó chỉ
sinh ra CO2 và H2O. Trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn
khác. Điều này liên quan một phần đến sự có mặt của các tạp chất chứa trong các HC
(như các hợp chất chứa lưu huỳnh) và mặt khác liên quan đến sự phức tạp của các phản
ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy. Bảng 1.1 sau giới thiệu thành phần điển hình
của khí thải động cơ Diesel:
Bảng 1.1: Thành phần cơ bản của khí thải động cơ Diesel

CO2
2÷12%
H2 O
2÷12%
O2
3÷17%
NOX
50÷1000ppm
HC
20÷300 ppm
CO
10÷500 ppm
SO2
10÷30 ppm
N2 O
≈3 ppm
* Các thành phần khí thải từ động cơ xăng
- HC (unburned hydro cacbon)
- CO (carbon monoxide)
- NOx (nitơ oxit)
- CO2 (carbon dioxide) và H2O
- SOx (oxit lưu huỳnh) sẽ được tạo ra khi lưu huỳnh (S) trong nhiên liệu được ràng
buộc với oxy (O) trong khơng khí do cháy, nếu nhiên liệu có chứa lưu huỳnh. Tuy nhiên,
kể từ khi xăng hiện nay là desulfurized gần như hồn tồn, SOx khơng được đánh giá là
thành phần của lượng phát thải tự động ngay bây giờ.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

10

- Đối với bồ hóng, bồ hóng là vi hạt gây nguy hiểm, độc hại cho sức khỏe con người
nhưng chỉ được quy định cho động cơ Diesel mà không được quy định cho động cơ xăng.
Bồ hóng có thể là những vi hạt thải ra từ động cơ xăng, nó là một trong những thành phần
mà khơng được kiểm sốt. Ngồi ra, cịn có các thành phần khác tương tự bồ hóng cũng
thải từ động cơ xăng.
- Ngoài các thành phần quy định trong phát thải tự động như HC, CO, NOx và PM
(cho động cơ Diesel), vẫn còn các thành phần nhỏ khác tuy khơng được quy định nhưng
có thể có hại cho cơ thể con người. Ví dụ: toluen, benzen, formaldehyde, acetaldehyde,
1,3-butadien, SO2, formic acid, N2O, vv. Đây sẽ là một tiêu chuẩn tương ứng với PRTR
(Nhật Bản), trong đó có thể điều chỉnh các thành phần phụ trong phát thải tự động trong
tương lai.
c. Những tác hại do ơ nhiễm khí thải gây ra
* Đối với sức khỏe con người

Hình 1.5. Ơ nhiễm môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người.
Khơng khí ơ nhiễm có thể giết chết nhiều cơ thể sống trong đó có con người. Ơ
nhiễm khơng khí trong nhà và ngồi mơi trường tại Việt Nam là rất cao, điều này được lý
giải bằng việc bệnh lý có liên quan đến ơ nhiễm khơng khí ngày càng gia tăng. Ơ nhiễm
khơng khí gây bệnh đường hơ hấp, bệnh tim mạch, viêm vùng họng, đau ngực, tức thở. Ơ
nhiễm khơng khí khơng những gây nên các bệnh lý ở đường hơ hấp, mà cịn ảnh hưởng
lên sự phát triển của thai nhi, là nguyên nhân làm chậm phát triển hệ thần kinh, trí não và
tâm thần vận động ở trẻ em. Đặc biệt, trẻ dưới 5 tuổi là đối tượng bị ảnh hưởng nặng nề
nhất, bởi cơ thể trẻ đang trong giai đoạn tăng trưởng và phát triển, đồng thời ở lứa tuổi
này trẻ hoàn toàn bị thụ động trước các ảnh hưởng có hại của mơi trường do người lớn
gây ra.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh

Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

11

- CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, sinh ra
do ơ xy hố khơng hồn tồn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy. CO ngăn
cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy.
Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi nồng độ CO trong khơng khí
lớn hơn 1000 ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với
con người: khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn
và khi tỉ số này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
- NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx được hình
thành do N2 tác dụng với O2 ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 11000C). Monoxyde nitơ
(x=1) khơng nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxyde nitơ (x=2). NO2 là chất
khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong khơng khí
đạt khoảng 0,12 ppm. NO2 là chất khó hịa tan, do đó nó có thể theo đường hơ hấp đi sâu
vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế bào của cơ quan hơ hấp. Nạn nhân bị mất ngủ,
ho, khó thở. Protoxyde nitơ N2O là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển.
- Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do q trình cháy khơng
hồn tồn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường. Chúng gây tác
hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác
định được vai trò của benzen trong căn 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, đơi khi nó là ngun
nhân gây các bệnh về gan.
- SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hịa tan vào nước mũi,
bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu trong phổi.
Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của
các chất ơ nhiễm khác đối với nạn nhân.

- Bồ hóng: Bồ hóng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel.
Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 mm nên rất dễ
xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngồi việc gây trở ngại cho cơ quan
hơ hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong khơng khí, nó cịn là nguyên
nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề
mặt của chúng trong qua trình hình thành.
- Chì: Chì có mặt trong khí xả do Thétrắtyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào xăng để
tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay
vẫn còn là đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng
những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc theo đường
hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu.
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

12

Sự hiện hiện của chì gây xáo trộn sự trao đổi ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp
enzyme để hình thành hồng cầu. Đặc biệt hơn nữa, nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ
em chậm phát triển trí tuệ. Chì gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó
trong máu vượt q 200 đến 250mg/lít.
* Đối với mơi trường
- Thay đổi nhiệt độ khí quyển: Sự hiện diện của các chất ơ nhiễm, đặc biệt là những
chất khí gây hiệu ứng nhà kính, trong khơng khí trước hết ảnh hưởng đến q 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.

Hình 1.6. Dị thường nhiệt độ mặt đất trung bình thời gian 1999-2008 so với 1940-1980.

- Ảnh hưởng đến sinh thái: 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. Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acide
sulfuric, acide nitric hịa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù ... làm hủy hoại thảm
thực vật trên mặt đất (mưa acide), gây ăn mịn các cơng trình kim loại.
1.1.3. Tình hình phát triển xe sạch trong và ngoài nước
Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho ơ tơ nói chung
đã từ lâu. Sự phát triển ở các khu vực trên thế giới nói chung khơng giống nhau, mỗi
nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải
tiến cũng như chế tạo ra loại ô tô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

13

hao nhiên liệu, nhằm giải quyết tình trạng ơ nhiễm mơi trường ngày càng trầm trọng và
sự cạn kiệt nhiên liệu dầu mỏ như hiện nay. Yêu cầu đặt ra của ngành ô tô hiện nay là:
- Tối ưu hóa hệ thống điều khiển vận hành và nâng cao tiện nghi trong xe.
- Nâng cao hiệu suất và giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường.
- Từng bước thay thế các nguồn nhiên liệu sạch thay thế cho năng lượng dầu mỏ sắp
cạn kiệt.
Vì thế, ơ tô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) đang là xu thế của các nhà
nghiên cứu và chế tạo ô tơ ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được đưa ra, có 4 nhóm chính
là hồn thiện q trình cháy động cơ Diesel, động cơ xăng, sử dụng các loại nhiên liệu
thay thế như LPG, khí thiên nhiên, methanol, bioDiesel và động cơ sử dụng năng lượng
điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ơ tơ lai (hybrid)...

Hình 1.7. Xu hướng phát triển ơ tơ sạch.
1.1.3.1 Hồn thiện động cơ Diesel
Ngày nay, động cơ Diesel ngày càng được sử dụng rộng rãi và hồn thiện về mặt kết
cấu do có nhiều ưu điểm nổi trội hơn động cơ xăng. Nếu có cùng kích thước xy-lanh thì
động cơ Diesel có mơ-men lớn hơn, tiêu hao nhiên liệu ít hơn nhiều so với động cơ xăng.

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh


Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2019

14

Tuy nhiên động cơ Diesel sinh nhiều bụi than hơn, ồn hơn, khả năng tăng tốc kém hơn và
đồng thời giá thành cũng cao hơn động cơ xăng.
Những năm gần đây, trừ việc giá thành vẫn còn cao, còn lại cơ bản đã khắc phục
được các nhược điểm trên như: nồng độ phát thải đã được xử lý, động cơ hoạt động êm
hơn. Bằng chứng là nhiều mẫu xe sang như Mercedes-Benz E320 Bluetec, Jaguar S-Type
2.7, BMW 318d, 325d,… được trang bị động cơ Diesel.
Để có thể khắc phục các nhược điểm của động cơ Diesel truyền thống, các nhà
nghiên cứu đã sử dụng các giải pháp nhằm hoàn thiện hệ thống cung cấp nhiên liệu cho
động cơ, mang lại khả năng cung cấp nhiên liệu tối ưu như: sử dụng các loại bơm cao áp
PF, PE, VE… hoặc hệ thống phun Diesel điện tử Common Rail, lọc bồ hóng và xử lí khí
trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng (bộ xử lý đồng thời ba thành phần chất gây ô
nhiễm CO, HC và Nox), hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu Diesel
có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp (Diesel 0,001S-V đạt chuẩn EURO V của tập đoàn
xăng dầu Việt Nam Petrolimex).

Hình 1.8. Mẫu xe Mercedes-Benz E320 CDI Bluetec

Một trong những cải tiến đáng chú ý nhất và làm thay đổi động cơ Diesel chính là hệ
thống phun nhiên liệu điện tử Common Rail. Trong động cơ Diesel hiện đại, áp suất phun
được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng lẻ, nhiên liệu áp suất cao được chứa
trong đường ống chung (Common Rail) và được điều khiển phân phối đến từng vịi phun
theo u cầu. Lợi ích của vòi phun Common Rail là làm giảm mức độ tiếng ồn, nhiên liệu
được phun ra ở áp suất rất cao nhờ kết hợp điều khiển điện tử, kiểm soát lượng phun, thời
điểm phun. Do đó làm hiệu suất động cơ và tính kinh tế nhiên liệu cao hơn.
So với hệ thống cũ, hệ thống Common Rail khá linh hoạt trong việc đáp ứng thích
nghi để điều khiển phun nhiên liệu cho động cơ Diesel như:

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Hồ Trần Ngọc Anh