Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

`

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÂN TÍCH
KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Sinh viên thực hiện: VĂN QUỐC

Đà Nẵng – Năm 2019


`

TÓM TẮT
Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong.
Nhóm sinh viên thực hiện
Tên sinh viên

Số thẻ sinh viên

Lớp

Lê Thanh Phong

103150065

15C4A

Phạm Phúc Nhật

103150062

15C4A

Trương Ngọc Thắng

103150078

15C4A

Văn Quốc

103150070

15C4A

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương sau:
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Tổng quan ô nhiễm môi trường hiện nay, tác hại của thành phần khí phát thải đến mơi
trường và sức khỏe con người. Tổng quan máy phân tích khí thải.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ chế hình thành các chất phát thải ơ nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức. Một số
yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí xả. Các tiêu chuẩn về khí thải động cơ đốt trong.
Lượng khí thải theo lý thuyết, cơ sở kĩ thuật đo lường, lý thuyết tín hiệu và cảm biến.
Chương 3: CHẾ TẠO MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Thiết kế chế tạo các bộ phận cần thiết cho máy phân tích khí thải động cơ đốt trong.
Chương 4: CHUẨN MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI VÀ ĐO THỰC NGHIỆM
Chuẩn máy phân tích khí, đo thực nhiệm và đánh giá khả năng sai số của thiết bị.

So sánh và đánh giá kết quả.


`

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Văn Quốc
Lớp: 15C4A

Khoa: Cơ khí giao thơng

Số thẻ sinh viên: 103150070
Ngành: Kĩ thuật cơ khí

1. Tên đề tài đồ án:
Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
- Hỗn hợp khí thải động cơ xe Honda WAVE RSX 110cc có chứa các chất CO2,
CO, HC, NOx, O2, N2
- Đề tài chỉ tập trung phân tích nồng độ các chất CO2, CO, HC
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Chuẩn khí CO2 trong máy phân tích khí thải và đo thực nghiệm
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
- Bản vẽ kết cấu các cảm biến (1A3)
- Bản vẽ mạch điện module các cảm biến (1A3)
- Bản vẽ sơ đồ thuật toán (1A3)
- Bản vẽ mạch điện tử trong máy phân tích khí thải (1A3)
- Bản vẽ sơ đồ bố trí máy phân tích khí thải (1A3)
- Bản vẽ sơ đồ bố trí đo thực nghiệm (1A3)
- Bản vẽ đồ thị biểu diễn nồng độ phát thải theo độ mở bướm ga (1A3)
- Bản vẽ mô phỏng biến thiên môi chất cơng tác trong các q trình của động cơ (1A3)
- Bản vẽ đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên các chất
(1A3)
6. Họ và tên người hướng dẫn: GS.TSKH. Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/09/20119
8. Ngày hoàn thành đồ án: 18/12/2019


`

Trưởng Bộ môn

Đà Nẵng, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Người hướng dẫn

Kỹ thuật Ơ tơ và Máy động lực

PGS.TS. Dương Việt Dũng

GS.TSKH.Bùi Văn Ga ThS. Võ Anh Vũ


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

LỜI NĨI ĐẦU

Trong sự phái triển của lồi người, con người ln tìm hiểu, sáng tạo ra các thiết
bị sản phẩm nhằm thoả mãn các nhu cầu của mình. Sự đi lại là một trong những nhu cầu
thiết yếu đó. Chính vì vậy, động cơ ô tô đã ra đời phục vụ cho nhu cầu này. Cùng với sự
phái triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật động cơ, ơ tơ càng ngày càng hồn thiện.
Tuy nhiên ngồi những mặt tích cực cịn có mặt tiêu cực đó là sự ơ nhiễm do
động cơ sinh ra. Sự ơ nhiễm đó càng ngày càng nghiêm trọng ảnh hưởng tới mơi trường
sống của con người. Chính vì vậy, các nhà khoa học cùng với các nhà sản suất ngày nay
đang nghiêm cứu, áp dụng các phương pháp mới để tăng hiệu quả, hiệu suất của động
cơ cùng với việc giảm sự ô nhiễm do động cơ gây ra.
Một trong những phương hướng giải quyết vấn nạn này là kiểm sốt các loại
động cơ ơ tơ đang hoạt động, kiểm sốt các loại động cơ ơ tơ nhập khẩu và sản xuất
phải đảm bảo thân thiện với môi trường. Như vậy cần có một hệ thống thiết bị đánh giá
đo lường tình trạng khí thải của động cơ, đặc biệt cần có một lớp cán bộ kỹ sư đủ trình
độ, khả năng sử dụng thiết bị quản lý theo dõi tình trạng chung của các loại xe và phân
tích xử lý các vấn đề liên quan. Nhưng hiện nay trên thị trường chỉ có các loại máy phân
tích khí thải của các hảng sản xuất từ Hàn Quốc, Mỹ, Đức ... và những thiết bị này có
giá thành rất cao. Vậy nên cần có một thiết bị đáp ứng các nhu cầu trên và đảm bảo được
tính kinh tế cho sản phẩm.
Với những suy nghĩ như vậy, em đã mạnh dạn xin được chọn đề tài :“Nghiên cứu
chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong”
Giới hạn nghiên cứu của đề tài:
- Máy đo dùng chủ yếu để đo giá trị tương đối của các chất ơ nhiễm, nói cách khác

chỉ so sánh mức độ phát thải của chúng trong những trường hợp vận hành khác
nhau của động cơ
- Nghiên cứu chuẩn máy đo dựa vào kết quả cho bởi máy đo chuyên dụng, không
sử dụng khí tinh khiết
- Máy đo chỉ dùng để đo giá trị tương đối của 3 chất ơ nhiễm chính: CO, HC và
CO2
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Ths. Võ Anh Vũ và
thầy GS.TSKH Bùi Văn Ga người đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện
thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt đồ án này.
i


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với
bất kỳ đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây. Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính
tốn đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định.
Sinh viên thực hiện

Văn Quốc

ii


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu ........................................................................................................................i
Cam đoan ........................................................................................................................ ii
Mục lục .......................................................................................................................... iii
Danh sách các hình vẽ .....................................................................................................v
Danh sách các bảng……………………………………………….……………………vi
Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt ............................................................................. viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI...............................................................................2
1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay ...................................................................2
1.2. Tác hại của thành phần khí phát thải đến mơi trường và sức khỏe con người 3
1.2.1 Đối với sức khỏe con người ...................................................................................3
1.2.2. Đối với mơi trường ................................................................................................ 5
1.3. Tổng quan máy phân tích khí thải ........................................................................7
1.3.1. Giới thiệu chung ....................................................................................................7
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy phân tích khí thải ...................................7
1.3.3 Phân loại máy phân tích khí thải ..........................................................................10
1.4. Kết luận .................................................................................................................15
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................16
2.1. Cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng
bức .................................................................................................................................16
2.1.1. Cơ chế hình thành COx .......................................................................................16
2.1.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC) .......................................................................18
2.1.3. Sự hình thành NOx .............................................................................................. 22
2.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến thành phần khí xả ..............................................24
2.2.1. Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển động cơ ......................................................24
2.2.2. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng ............................................................ 24
2.2.3. Ảnh hưởng từ trạng thái vận hành động cơ .........................................................26
2.3. Các tiêu chuẩn về khí thải động cơ đốt trong ....................................................26
2.3.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu .................................................................................26

iii


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

2.3.2. Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác .......................................................... 30
2.3.3 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam ...................................................................32
2.3.4. Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam ......................................35
2.4 Lượng khí thải theo lý thuyết ...............................................................................35
2.4.1. Phản ứng cháy nhiên liệu hydrocarbon ............................................................... 35
2.4.2 Mô phỏng phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy 110cc .............................. 36
2.5. Cơ sở kỹ thuật đo lường .......................................................................................40
2.5.1. Khái niệm về kỹ thuật đo lường và đặc trưng .....................................................40
2.5.2. Cơ sở kĩ thuật đo lường .......................................................................................41
2.6. Lý thuyết tín hiệu và cảm biến ............................................................................44
2.6.1. Lý thuyết tín hiệu.................................................................................................44
2.6.2. Lý thuyết cảm biến .............................................................................................. 45
2.7. Phân tích và chọn cảm biến CO2 .........................................................................46
2.7.1 Cảm biến khí CO2 (MG811)……………………………………………………46
2.7.2 Sơ đồ thuật tốn và chương trình viết cho cảm biến CO2 ………………………48
2.8. Kết luận. ................................................................................................................51
Chương 3: CHUẨN KHÍ CO2 TRONG MÁY PHÂN TÍCH KHÍ THẢI VÀ ĐO
THỰC NGHIỆM .........................................................................................................52
3.1. Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải .....................................................52
3.2. Chuẩn máy phân tích khí theo thang tương đối ................................................52
3.3. Chuẩn khí CO2 dựa kết quả máy đo chuẩn của Trung tâm Đăng kiểm xe cơ
giới Đà Nẵng .................................................................................................................55
3.3.1. Phương pháp chuẩn ............................................................................................. 55
3.3.2. Bố trí thực nghiệm ............................................................................................... 55
3.3.3. Xây dựng phương trình nồng độ phát thải cho máy đo chế tạo .......................... 56

3.3.4. Kết quả chuẩn máy đo theo máy phân tích khí thải của Trung tâm đăng kiểm xe
Cơ giới Đà Nẵng. ...........................................................................................................56
3.4. Đánh giá khả năng sai số của thiết bị đối với khí CO2 ......................................57
3.5. So sánh và đánh giá kết quả. ...............................................................................58
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60
PHỤ LỤC

iv


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phổ bức xạ từ mặt trời ......................................................................................5
Hình 1.2 Phổ bức xạ từ mặt đất .......................................................................................6
Hình 1.3 Hiệu ứng nhà kính ............................................................................................ 6
Hình 1.4 Máy phân tích khí 3 pipette ..............................................................................8
Hình 1.5 Máy phân tích khí 1 pipette ..............................................................................8
Hình 1.6 Hình minh họa của loại thiết bị phân tích bằng phương pháp này ...................9
Hình 1.7 Máy phân tích khí F5000 ................................................................................10
Hình 1.8 Thiết bị đo và phân tích khí thải Testo 350 ....................................................11
Hình 1.9 Thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng CAP3200 Class 0 .............................. 11
Hình 1.10 Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng - Opus 400 .....................................12
Hình 1.11 Máy đo nồng độ khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000(Hàn Quốc) ....13
Hình 1.12 Bộ đo khói động cơ diesel AT605 ................................................................ 14
Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đến nồng độ CO .......................... 16
Hình 2.2 So sánh nồng độ CO trên đường thải cho bởi mơ hình và thực nghiệm ..............17
Hình 2.3 So sánh nồng độ CO trên đường thải theo tỷ lệ hỗn hợp ............................... 17
Hình 2.4 So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm cho bởi mơ hình và thực nghiệm

.......................................................................................................................................18
Hình 2.5 Biến thiên nồng độ các Hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu ..................19
Hình 2.6 Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy ............................ 19
Hình 2.7 Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức ............................... 20
Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đến sự ..........................................23
Hình 2.9 Mơ phỏng phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy 110cc ........................38
Hình 2.10 Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến biến thiên CO2 theo góc quay trục
khuỷu ............................................................................................................................. 39
Hình 2.11 Ảnh hưởng tốc độ động cơ đến biến thiên CO2 theo góc quay trục khuỷu ..40
Hình 2.12 Sơ đồ biến đổi đo thẳng. ..............................................................................42
Hình 2.13 Sơ đồ đo kiểu so sánh. ..................................................................................43
Hình 2.14 Cảm biến MG-811 ........................................................................................46
Hình 2. 15 Cấu trúc cảm biến MG811 ..........................................................................47
Hình 2.16 Mạch điện module cảm biến MG811 ........................................................... 48
Hình 2. 17 Sơ đồ thuật toán ........................................................................................... 49

v


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

Hình 3.1 4lít khí CO2 .....................................................................................................53
Hình 3.2 4 lít khí CO2 và 16 lít khơng khí được hịa trộn đều ......................................53
Hình 3.3 Chuẩn nồng độ khí CO2 ..................................................................................54
Hình 3.4 Bố trí thực nghiệm trên xe Wave RSX tại Trung Tâm Đăng Kiểm Xe Cơ Giới
Đà Nẵng .........................................................................................................................55
Hình 3.5 Mối quan hệ của điện áp và nồng độ khí CO2 ................................................56
Hình 3.6 Đồ thị diễn biến nồng độ phát thải CO2 của xe gắn máy Ware RSX theo %
bướm ga .........................................................................................................................57

vi


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km ........................................................26
Bảng 2.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ ............................ 27
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel, g/kWh) .......29
Bảng 2.4 Tiêu chuẩn liên bang về giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải ....................30
Bảng 2.5 Tiêu chuẩn khí thải cho xe con ......................................................................30
Bảng 2.6 Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diezen .................31
Bảng 2.7 Tiêu chuẩn khí thải ơtơ vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL ............31
Bảng 2.8 Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải ...........................................31
Bảng 2.9 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả của các phương
tiện vận tải. ....................................................................................................................33
Bảng 2.10 Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 – 2001 ..............33
Bảng 2.11 Quy định thành phần khí thải cho phép cho động cơ xăng .......................... 34
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải chế tạo .....................................52
Bảng 3.2 Sai số tương đối và tuyệt đối của khí CO2 .....................................................58

vii


Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
PPM

Đơn vị đo mật độ thường dành cho các mật độ tương đối thấp.

AC
DC

Dòng điện xoay chiều.
Dòng điện một chiều.

Ф
HSU

Tỉ lệ hỗn hợp.
Độ khói.

CC
fi
MG811

Dung tích cơng tác của động cơ.
Hệ số tương đương của động cơ.
Cảm biến phát hiện khí CO2.

Vcc

Điện thế dương.

GRD
AOUT

Chân tiếp đất.
Tín hiệu đầu ra của chân analog.

DOUT
X

Tín hiệu đầu ra của chân digital.
Đại lượng cần đo.

X0
Ax

Đơn vị đo.
Giá trị bằng số của đại lượng cần đo.

CHỮ VIẾT TẮT:
LPG (Liquefied Petroleum Gas) Khí hóa lỏng.
CNG (Compressed Natural Gas) Khí nén tự nhiên.
RON (Research Octane Number) Chỉ số Octan.
PWM (Pulse Width Modulation) là những chân có thể băm xung.
ĐCT (Điểm chết trên) Điểm chết mà tại đó pit-tơng ở xa tâm trục khuỷu nhất.
ĐCD (Điểm chết dưới) Điểm chết mà tại đó pit-tơng ở gần tâm trục khuỷu nhất.
WHO (World Health Organization) Tổ chức y tế thế giới

viii


MỞ ĐẦU

I. MỤC ĐÍCH LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Để kiểm sốt các loại động cơ ô tô đang hoạt động, kiểm sốt các loại động cơ
ơ tơ nhập khẩu và sản xuất phải đảm bảo thân thiện với môi trường. Như vậy cần có một
hệ thống thiết bị đánh giá đo lường tình trạng khí thải của động cơ.
Xuất phát từ thực tế đó thì đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải
động cơ đốt trong góp phần tạo ra một thiết bị giá rẻ, và độ chính xác cao.
II. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu chế tạo thiết bị phân tích khí thải động cơ đốt trong.
- Tìm hiểu về các loại cảm biến, vi điều khiển Arduino và mối quan hệ của chúng.
- Tính tốn các sai số của thiết bị.
III. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
1. Phạm vi nghiên cứu
- Máy phân tích khí thải trên động cơ đốt trong.
- Máy đo được các loại khí thải như HC, CO, CO2.
- Tính tốn, thiết kế vỏ, khung máy.
2. Đối tượng nghiên cứu
Máy phân tích khí thải động cơ đốt trong.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Về lý thuyết
- Sử dụng các giáo trình, tài liệu nước ngoài, các bài báo, các trang web về vi điều
khiển, cảm biến và các máy đo khí thải khác.
- Sử dụng excel để tính tốn, xây dựng biểu đồ.
- Sử dụng các phần phềm thiết kế Catia, CAD để thiết kế máy phân tích khí thải.
2. Về thực nghiệm
- Sau khi chế tạo xong phần vỏ máy thì tiến hành lắp đặt các hệ thống khác lên
máy phân tích khi thải.
- Sử dụng phần mềm Arduino để lập trình cho các cảm biến đo được chuẩn xác.
- Chạy thử nghiệm sau khi lắp đặt.
- Kiểm tra độ ổn định của hệ thống trong máy phân tích khí thải để tiến hành điều
chỉnh cho hợp lí.
- Đo đạc các thơng số và tiến hành điều chỉnh chương trình để máy hoạt động ổn

định.
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

1


Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay
Ngày 7/5/2014, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã ra báo cáo bày tỏ lo ngại trước
thực trạng chất lượng khơng khí tại các thành phố trên toàn thế giới đang ngày càng xấu
đi, vượt quá mức độ cho phép về độ ô nhiễm và gây tác động xấu tới sức khỏe con người.
Số liệu kiểm định chất lượng khơng khí của Tổ chức y tế thế giới (WHO) tại 1.600 thành
phố thuộc 91 quốc gia và vùng lãnh thổ trên tất cả các châu lục cho thấy chỉ có 12% dân
số ở những nơi này được sống trong bầu khơng khí đạt các tiêu chuẩn quy định của
WHO.
Số còn lại phải sống ở những nơi có khơng khí ơ nhiễm nặng nề, khiến họ thường
xun mắc các bệnh về hô hấp và các trọng bệnh khác.
Theo thống kê của WHO, chỉ tính riêng trong năm 2012, trên tồn thế giới có 3,7
triệu người dưới 60 tuổi vì mắc các bệnh do ơ nhiễm khơng khí gây ra.
So với những năm trước đây, chất lượng không khí tại tất cả các thành phố trên
thế giới đều đang "xuống dốc" và đương nhiên, điều đó khiến cho số nạn nhân tiếp tục
tăng lên. Lý do được WHO đưa ra để lý giải cho tình trạng này là khí thải từ các phương
tiện giao thơng vận tải ở đô thị ngày càng tăng.[7]
Ở Việt Nam, theo công bố của Cục Đăng kiểm Việt Nam kết quả về khảo sát
nghiên cứu về mơi trường đơ thị thì hầu hết các loại khí độc hại như HC, CO, CO2, SO2,
NOx trong mơi trường khơng khí tại các đơ thị Việt Nam đều vượt tiêu chuẩn cho phép.

Ở những nơi mật độ giao thơng cao, tình trạng ùn tắc giao thơng thường xun
thì mức độ ơ nhiễm và các chất độc hại trên tăng gấp hơn hai lần so với tiêu chuẩn cho
phép.
Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm khơng khí chính là khí xả của động cơ
bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn. Trong đó, khí thải do đốt nhiên
liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn nhất.
Môi trường không khí bị ơ nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con người
đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trước thực trạng lượng xe cơ giới ngày một tăng
và trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường khơng khí thì
cách tốt nhất là phải kiểm soát được việc phát thải của các phương tiện cơ giới tham gia
giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học
cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

2


1.2. Tác hại của thành phần khí phát thải đến môi trường và sức khỏe con người
Đối với môi trường: góp phần làm biến đổi khí hậu như thay đổi nhiệt độ khí
quyển, gây hiệu ứng nhà kính, băng tan ở vùng Bắc và Nam cực ... có nguy cơ làm gia
tăng sự hủy hoại lớp ozone cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời, hủy hoại thảm
thực vật trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mịn các cơng trình kim loại...
1.2.1. Đối với sức khỏe con người
Q trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbon với khơng khí chỉ sinh ra CO2,
H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như
do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong q trình cháy nên trong

khí xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như
oxyde nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các
hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng. Nồng độ các chất ô
nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vận hành.[1]
Một trong những thơng số có tính tổng quát ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô
nhiễm của động cơ là hệ số tương đương fi. Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là
một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến thành phần các chất ơ nhiễm vì nó ảnh hưởng
mạnh đến động học phản ứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng.
Nói chung tất cả những thơng số kết cấu hay vận hành nào của động cơ có tác
động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp hay gián
tiếp đến sự hình thành các chất ơ nhiễm trong khí xả. Trong số các chất ơ nhiễm chính
trong khí thải động cơ trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe con người thì CO, HC và NOx
là các chất đáng quan tâm nhất.
Cacbon monoxit, cơng thức hóa học là CO, là một chất khí khơng màu, khơng
mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy khơng hồn toàn
của cacbon và các hợp chất chứa cacbon. Cacbon monoxit là cực kỳ nguy hiểm, do việc
hít thở phải một lượng quá lớn
CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh
cũng như có thể gây tử vong. Nồng độ chỉ khoảng 0,1% cacbon monoxit trong khơng
khí cũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng. CO là chất khí khơng màu, khơng mùi và
khơng gây kích ứng nên rất nguy hiểm vì người ta không cảm nhận được sự hiện diện
của CO trong khơng khí.
CO có tính liên kết với hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần
so với oxy nên khi được hít vào phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do đó máu
khơng thể chun chở oxy đến tế bào. CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với
myoglobin của cơ tim.[8]
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

3


Hydrocarbon (HC): Hydrocarbon(HC) hiện diện trong khí thải do quá trình cháy
khơng hồn tồn do thiếu oxy hoặc do một số hiện tượng cháy khơng bình thường khác.
Hydrocarbon thơm (CnH2n-6) là nhóm hydrocarbon gây tác hại mạnh nhất đến sức khỏe
con người. Từ lâu người ta đã phát hiện được vai trò của hydrocacbon thơm đa vòng
(Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques -HAP) trong 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.
Hydrocarbon thơm cịn có thể là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan.
Oxit nitơ (NOx): là sản phẩm oxy hoá nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao trên 1100 0C.
Oxit nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng NO và NO2, trong đó NO chiếm tỷ lệ lớn nhất. NO
là khí khơng màu, khơng mùi, khơng gây hại nhưng nó dễ biến đổi thành NO2 trong điều
kiện tự nhiên. NO2 là khí có màu nâu đỏ, mùi gắt, 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 hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hư hại các tế bào của cơ quan
hô hấp. Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3. [1]
Ngồi các chất ơ nhiễm gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người thì trong
khí thải động cơ cịn có CO2 là chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Carbonic là chất khí có
dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong
suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng
ngoại từ mặt đất. Hiệu ứng nhà kính đã và đang gây tác động mạnh mẽ đến biến đổi khí
hậu. Mực nước biển dâng là một trong những hậu quả do biến đổi khí hậu gây ra mà
Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất.
Vì vậy nghiên cứu tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải ơ nhiễm môi
trường luôn là vấn đề thời sự trên thế giới. Để đánh giá được mức độ phát thải của động
cơ đốt trong ngươi ta phải sử dụng các thiết bị phân tích khí. Các thiết bị này có độ nhạy
và độ chính xác cao nên rất đắt tiền. Do tiếp xúc với các chất ăn mòn nên thiết bị hỏng
hóc nhanh chóng. Điều này gây khó khăn đáng kể cho công tác nghiên cứu động cơ đốt

trong.
Trong thực tế áp dụng, rất nhiều trường hợp chúng ta chỉ cần biết một cách định
tính sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm khi thay đổi chế độ vận hành hay thành phần
nhiên liệu. Trong những trường hợp đó, chúng ta khơng cần dùng đến các thiết bị chính
xác đắc tiền mà chỉ cần thiết bị cho phép so sánh nồng độ tương đối các chất ô nhiễm.
Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung thiết kế, chế tạo máy so sánh nồng độ các chất
CO, HC và CO2.

SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

4


1.2.2. Đối với mơi trường
➢ Thay đổi nhiệt độ khí quyển
Sự hiện diện của các chất ô 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. Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí
gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:
Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phần nhiệt
lượng mà nó nhận được. Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bày trên các
hình 1.1 và hình 1.2. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (có
bước sóng trong khoảng 0,4-0,73μm) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng
hồng ngoại (7-15μm).
Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau. Do đó, thành phần các

chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả
đất và khơng gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng
15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ
quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất (hình 1.3). Một phần nhiệt lượng do
lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất làm nóng thêm bầu khí quyển theo
hiệu ứng nhà kính.

Hình 1.1 Phổ bức xạ từ mặt trời

SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

5


Hình 1.2 Phổ bức xạ từ mặt đất

Hình 1.3 Hiệu ứng nhà kính
Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người
ta dự đốn vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đơi. Khi
đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân
bằng nhiệt trên quả đất:
- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C.
- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước
biển.
- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất.[1]
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

6


➢

Ảnh hưởng đến sinh thái

Ơ nhiễm mơi trường có ảnh hưởng đến hệ sinh thái, nơi mà tất cả chúng ta đang
sinh sống. Khi đất bị ô nhiễm sẽ làm đất đai cằn cỗi, cây cối không thể phát triển được,
ảnh hưởng đến rất nhiều các loài sinh vật. Đất bị ơ nhiễm có thể trở nên cằn cỗi, khơng
thích hợp cho cây trồng. Điều này sẽ ảnh hưởng đến các cơ thể sống khác trong lưới
thức ăn.
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 của
mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa.[1]
Bên cạnh đó, ô nhiễm không khí gây ra mưa axit, gây ra hiện tượng khói bụi che
chắn làm giảm ánh sáng mặt trời, ảnh hưởng đến sự quang hợp và phát triển của thực
vật…Lưu huỳnh điơxít và các ơxít của nitơ có thể gây mưa axít làm giảm độ pH của đất.
Hiện tượng ơ nhiễm mơi trường cũng khiến các lồi động vật có thể xâm lấn,cạnh
tranh chiếm mơi trường sống và làm nguy hại cho các lồi địa phương, từ đó làm giảm
đa dạng sinh học. Khí CO2 sinh ra từ các nhà máy và các phương tiện qua lại còn làm
tăng hiệu ứng nhà kính, làm Trái Đất ngày một nóng dần lên, các khu sinh thái sẵn có
dần bị phá hủy.[9]
Với những chia sẻ trên, bài viết hi vọng đã đem đến những thơng tin hữu ích,
giúp bạn trả lời câu hỏi ô nhiễm môi trường gây ra những hậu quả gì và tác hại của hiện

tượng này đến đời sống con người và sinh vật.
1.3. Tổng quan máy phân tích khí thải
1.3.1. Giới thiệu chung
Máy đo khí thải động cơ là một thiết bị phát hiện sự hiện diện của các chất khí
trong một khu vực. Đây là loại thiết bị được sử dụng để phát hiện rò rỉ hay hàm lượng
của một chất khí trong mơi trường, khi phát hiện ra khí máy có thể tạo ra một âm thanh
báo động cho các nhà khai thác trong khu vực nơi bị rò rỉ xảy ra, cho họ cơ hội để rời
khỏi khu vực. Loại máy dị khí này là rất quan trọng bởi vì có rất nhiều loại khí có thể
gây hại cho cuộc sống con người và động vật.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng máy phân tích khí thải
Từ những năm 30 của thế kỉ XX, người ta đã phân tích hỗn hợp khí nhờ sự khác
biệt về tính dẫn nhiệt của các thành phần. Phương pháp này đã nhận được rất nhiều sự
chú ý. Tuy nhiên, trong trường hợp các loại khí có độ dẫn nhiệt cao như hydro hoặc heli,
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

7


ngay cả với một lượng nhỏ, sẽ có sự khác biệt đáng kể về độ dẫn nhiệt tổng thể, hoặc độ
dẫn so với khơng khí. Nhiều ứng dụng của ngun lý phân tích độ dẫn nhiệt đã được
thực hiện và gần đây phương pháp này đã được đề xuất và chế tạo được thiết bị để phân
tích khí thải từ động cơ ơ tơ( hình 1.4 và 1.5).

Hình 1.4 Máy phân tích khí 3 pipette

Hình 1.5 Máy phân tích khí 1 pipette
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

8


Trong thiết bị này, các công cụ phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt do sự khác biệt giữa
hydro và carbon dioxide, vì hydro tăng và carbon dioxide làm giảm độ dẫn nhiệt của
hỗn hợp khí. Giới hạn phạm vi của các thiết bị như vậy là xấp xỉ ở tỷ lệ nhiên liệu khơng
khí là 17, tại đó giảm hàm lượng CO2, khơng có hydro và tăng hàm lượng khơng khí
cho một sự khác biệt tối đa ở khí của một hỗn hợp lý thuyết hoàn hảo.
Ngoài ra, người ta cịn phân tích khí theo phương pháp phân tích đốt cháy: Về
mặt phong phú của một hỗn hợp hoàn hảo về mặt lý thuyết, có một lượng đáng kể các
khí dễ cháy. Lượng khí như vậy (CO, H2, CH4) tăng lên khi hỗn hợp trở nên giàu hơn
và thực tế này đã được sử dụng làm cơ sở cho các cơng cụ đốt cháy phần cịn lại cháy
và xác định nhiệt giải phóng. Q trình đốt cháy được thực hiện bằng cách thừa nhận
khơng khí cùng với khí thải và sau đó đốt cháy chất xúc tác dễ cháy trên bề mặt của dây
bạch kim nóng hoặc chất xúc tác khối. Trong cả hai trường hợp, sự gia tăng nhiệt độ cho
dấu hiệu định lượng. Các công cụ như vậy đòi hỏi phải điều tiết lưu lượng nếu kết quả
là chỉ định. Thành công được đánh dấu đã dẫn đến việc ứng dụng chung các công cụ
này vào động cơ ơ tơ như một tính năng dịch vụ thơng thường.[6]

Hình 1.6 Hình minh họa của loại thiết bị phân tích bằng phương pháp này
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

9

1.3.3. Phân loại máy phân tích khí thải
Ngày nay, với sự phát triển khoa học và kĩ thuật, nhiều loại máy đo khí thải động
cơ đốt trong đã được ra đời với nhiều phương pháp đo như phương pháp đo nồng độ
chất khí theo điện áp, sử dụng các cảm biến để nhận biết nồng độ khí thải.
Trên thị trường hiện nay có 2 loại máy phân tích khí thải:
1.3.3.1. Máy phân tích khí thải động cơ xăng
Máy phân tích khí F5000 dùng để đo và phân tích khí thải dạng cầm tay được
thiết kế chuyên biệt để kiểm tra độ an toàn, sự hoạt động của động cơ để tuân thủ các
tiêu chuẩn về khí thải của các phương tiện vận tải, xe cơ giới, xe nâng, ô tô, xe tải, xe
buýt xe máy… và các phương tiên khác. F5000 phù hợp để theo dõi khí thải từ các
phương tiện chạy diesel, xăng, Propan, khí LGP và CNG.[10]

Hình 1.7 Máy phân tích khí F5000
Các loại khí có thể đo:
• Khí CO2 (0 … 20 %) NDIR
• Khí CO (0 … 15 %) NDIR
• Khí HC (Hydrocarbons) (0 … 10,000 ppm) NDIR
• Khí O2 (Oxy) (0 … 25 %)
• Khí NO (Nitro monoxide) (0 … 5000 ppm)
• Khí NO2 (Nitro dixide) (0 … 1000 ppm)
• AFR (Air:Fuel Ratio) & Lambda (λ) Calculations
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

10

Máy phân tích khí thải động cơ xăng mexa 554J được hảng Banzai của Nhật sản
xuất. Máy có thể đo được các nồng độ các chất như CO, CO2, O2, HC..
Máy đo khí thải Testo 350 có xuất xứ từ Đức được chấp nhận bởi các tổ chức
TÜV (Đức), MCERTS (Anh), EPA (Mỹ) đo các thông số như nồng độ khí O2, CO, NO,
NO2, NOx, SO2, CO2, H2S, CxHy, nhiệt độ, vận tốc lưu lượng khí thải, áp suất, …

Hình 1.8 Thiết bị đo và phân tích khí thải Testo 350

Hình 1.9 Thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng CAP3200 Class 0
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

11


Đặc tính thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng:
• Đáp ứng tiêu chuẩn OIML R99 Class 0, ISO 3930
• Màn hình hiển thị LCD lớn với 5 phím, có khả năng hiển thị các các thành phần
khí xả O2, CO2, CO, HC, tính tốn và hiển thị chỉ số lambda, hiển thị nhiệt độ
dầu động cơ, tốc độ vịng quay động cơ.
• Có cảm biến đo tốc độ vịng quay động cơ kiểu cảm ứng (kẹp bugi).
• Có cảm biến đo tốc độ vòng quay động cơ lấy tín hiệu xung nạp điện trên ắc quy,
chuyền vào máy chính bằng bluetooth.
• Có máy in nhiệt
• Chức năng tự động tách hơi nước ngưng tụ.
• Tự động điều chỉnh về 0 sau 30 phút,
• Có cảm biến đo nhiệt độ dầu động cơ, chuyền vào máy bằng bluetooth.

• Nhiệt độ hoạt động: 0oC ~ 40oC
• Thời gian làm nóng: < 5 phút với 20oC
• Nguồn điện: 90 - 260 VAC, 50/60 Hz. [11]

Hình 1.10 Thiết bị phân tích khí xả động cơ xăng - Opus 400
Máy phân tích khí xả động cơ xăng OPUS 400 là dòng sản phẩm nâng cấp từ
máy Opus 40 với nhiều tính năng nhiều hơn đặc biệt có thời gian khởi động ngắn hơn
nhiều so với Opus 40 và được trang bị hệ thống bảo vệ hư hại do nước (Aqua Sense).
OPUS 400 được chế tạo đạt tiêu chuẩn chất lượng cao sẽ là sự lựa chọn hàng đầu cho
các trung tâm đăng kiểm và thử nghiệm xe cơ giới, các phịng thí nghiệm về động cơ,
các dây truyền kiểm tra xe trong các nhà máy lắp ráp ô tô, xe máy, các gara và các trung
tâm dịch vụ.
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

12


Các loại khí có thể đo và dải đo:
• Đo nồng độ khí CO với giải đo 0 – 15 vol.%
• Đo nồng độ HC với giải đo 0 – 15000 ppm
• Đo nồng độ CO2 với giải đo 0 – 20 vol.%
• Đo nồng độ O2 với giải đo 0 -25 vol.%
• Đo hệ số lambda với giải đo 0.6-1.7
• Đo hệ số AFR với giải đo 0-35
• Đo nồng độ NOx với giải đo 0-5000 vol.ppm
• Đo tốc độ động cơ (2 kỳ hoặc 4 kỳ) với giải đo 0-9999 vịng/phút.
• Đo nhiệt độ dầu với giải đo 0-1600C. [12]

1.3.3.2. Máy phân tích khí thải động cơ diesel
Máy đo khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000 là sản phẩm có chức năng đo
khí diesel hồn tồn tự động và giúp kỹ thuật viên đưa ra đánh giá chính xác về nồng độ
khí thải của từng dịng xe, động cơ. Sản phẩm được KINGTECH nhập khẩu và phân
phối trên tồn quốc và đặc biệt sản phẩm này sẽ ln có mức chiết khấu tốt nhất dành
cho những khách hàng thân thiết. [14]

Hình 1.11 Máy đo nồng độ khí thải động cơ diesel Qrotech QDO6000(Hàn Quốc)
Các loại khí có thể đo và dải đo:
+ CO, HC, CO2: Phân tích hồng ngoại phân tán (NDIR)
+ O2, NOx: Phân cực điện hóa
• CO: Dải đo:0.00 ~ 9.99%
Độ chính xác: 0.01%
SVTH: Văn Quốc

Hướng dẫn: GS.TSKH Bùi Văn Ga
ThS. Võ Anh Vũ

13