Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải trên động cơ ôtô (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải trên động cơ ôtô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN NGHĨA NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH XỬ LÝ KHÍ THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ ÔTÔ NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ÐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 5 0 7 5 Tp. Hồ Chí Minh, 2016
2. ới lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới V PGS. TS. Nhà giáo ưu tú Đỗ Văn Dũng – Hiệu trưởng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng Thầy vẫn dành nhiều sự quan tâm, và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong Ban Giám Hiệu, phòng Đào tạo Sau Đại Học, các Thầy khoa cơ khí Động lực, các anh, và các bạn trong lớp cao học CKD14B – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí minh đã tận tình giúp đỡ, và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Ngọc Đảm, ThS. Thái Văn Phước cùng tất cả các thành viên Phòng nghiên cứu năng lượng và môi trường đã hết lòng giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các anh ở Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới 50-06V. Đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em có thể tiến hành đo đạc thực nghiệm. Con xin gửi lời biết ơn chân thành đến Bố Mẹ, và gia đình đã luôn bên cạnh ủng hộ, hết lòng động viên, tạo điều kiện tốt nhất để con có thể yên tâm học tập, làm việc và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Mặc dù đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể, nhưng không tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, chia sẻ ý kiến và kinh nghiệm của quý Thầy, Cô cùng các anh, các bạn để đề tài có thể hoàn thiện và phát triển ở mức cao hơn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện i
3. TÓM TẮT Xử lý khí thải, giảm nồng độ các chất độc hại có trong khí thải do động cơ đốt trong thải ra môi trường là vô cùng cần thiết ở thời điểm hiện tại. Các phương pháp xử lý hiện tại còn nhiều hạn chế như hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao, việc lắp đặt và vận hành phức tạp. Trong nghiên cứu này mô hình xử lý khí thải động cơ đốt trong ứng dụng công nghệ Plasma lạnh được thiết kế, chế tạo nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Kết quả thí nghiệm được đo kiểm tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới 50-06V, sử dụng thiết bị đo MAHA theo qui định của Bộ GTVT. Kết quả đạt được sau xử lý, nồng độ CO giảm 97%, CO2 giảm 95%, HC giảm 83%, NOx giảm 22%. Thiết bị được thiết kế với các thông số như sau: nguồn điện cấp 220V/50Hz, kích thước: 260x400x140 mm, trọng lượng 8 kg. ABSTRACT Decreasing concentration of air pollution from internal combustion engine is more interested. The current treatment methods have many disadvantages, such as low effect treatment, high cost, and complex operation. Therefore, in this paper the model treatment air pollution from Internal Combustion Engines treatment by non- thermal Plasma is designed and manufactured to solve above problems. The results of experiments were measured by using Maha Emission testers for Diesel, Gasoline and Gas Engines at the Center motor vehicle registration 50-06V. The results show that after treatment, concentration of CO was decreased 97%, HC – 83% and NOx – 22%. The model was designed to use main electricity 220V/50Hz, 260x400x140 mm of size and 8kg of weight. ii
4. MỤC LỤC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân Lời cam đoan Lời cảm ơn i Tóm tắt ii Mục lục iii Danh mục hình ảnh .vi Danh mục bảng biểu .viii Danh mục các chữ viết tắt . ix Chương 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài. 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. 5 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 5 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước: 7 1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 8 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu: 8 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu: 8 1.4 Phạm vi nghiên cứu. 9 1.5 Phương pháp nghiên cứu. 9 Chương 2 THÀNH PHẦN VÀ TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT CÓ TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 10 2.1 Khái niệm cơ bản và lịch sử phát triển của động cơ đốt trong. 10 iii
5. 2.2 Thành phần các chất có trong khí thải động cơ và ảnh hưởng của chúng đối với sức khỏe con người và môi trường[7]. 11 2.2.1 Các thành phần chính có trong khí thải động cơ đốt trong. 11 2.2.2 Cơ chế hình thành và tỉ lệ các chất có trong khí thải[8]. 13 2.2.2.1 Đối với động cơ xăng: 13 2.2.2.2 Đối với động cơ Diesel: 17 2.2.3 Ảnh hưởng của các chất có trong khí thải động cơ đốt trong đối với con người và môi trường[9] 20 2.3 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu và lộ trình áp dụng tiêu chuẩn ở Việt Nam. 23 2.3.1 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu[10]. 23 2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải ở Việt Nam[11]. 23 Chương 3 TỔNG QUAN VỀ PLASMA 28 3.1 Giới thiệu về plasma[12]. 28 3.2 Phân loại plasma. 31 3.3 Một số đặc tính cơ bản của plasma 32 3.3.1 Tính giả định trung tính. 32 3.3.2 Khối cầu Debye. 32 3.3.3 Tần số dao động plasma (e). 33 3.4 Khái quát về sự tương tác của các hạt trong plasma [16]. 34 3.4.1 Sự va chạm đàn hồi, không đàn hồi và siêu đàn hồi. 34 3.4.2 Sự khuếch tán trong plasma. 39 3.5 Ứng dụng của plasma trong thực tế. 41 Chương 4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLASMA XỬ LÝ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 43 4.1 Plasma phóng điện khí. 43 iv
6. 4.2 Thiết kế thiết bị xử lý khí thải ứng dụng công nghệ plasma. 46 4.2.1 Cấu tạo của thiết bị: 46 4.2.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị: 50 4.3 Tiến hành đo đạc thực nghiệm. 52 4.3.1 Đối với động cơ Diesel 53 4.3.2 Đối với động cơ xăng 58 4.4 Kết quả thực nghiệm 62 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 5.1 Kết luận 66 5.2 Kiến nghị 67 Tài liệu tham khảo 68 Phụ lục 71 v
7. DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Hoạt động giao thông vận tải (Nguồn: 1 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống CRT của Volvo Trucks[2] 2 Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử của động cơ Diesel, sử dụng cảm biến Lambda[3] 3 Hình 1.4 Mô hình động cơ Scuderi[4] 4 Hình 2.1 Tỉ lệ (khối lượng) các chất độc hại trong khí xả động cơ xăng 13 Hình 2.2 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo hệ số dư lượng không khí a 14 Hình 2.3 Đặc tính các chất độc hại trong khí thải động cơ Diesel theo a. 17 Hình 2.4 Cơ chế hình thành các chất độc hại của động cơ Diesel truyền thống không hình thành hỗn hợp trước 18 Hình 3.1 Các trạng thái của vật chất 28 Hình 3.2 Môi trường plasma[13] 29 Hình 3.3 Minh họa khối cầu Debye và bán kính Debye[15]. 33 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch nguồn xung flyback[20] 44 Hình 4.2 Mô hình buồng plasma 45 Hình 4.3 Cấu tạo của thiết bị xử lý khí thải bằng công nghệ plasma 47 Hình 4.4 Cấu tạo của thiết bị xử lý khí thải bằng công nghệ plasma 47 Hình 4.5 Cấu tạo của thiết bị xử lý khí thải bằng công nghệ plasma 48 Hình 4.6 Thiết bị hoàn thiện thực tế 48 Hình 4.7 Sơ đồ cấp điện của thiết bị xử lý khí thải 49 Hình 4.8 Đặc tính của bộ nguồn cao áp tạo tia lửa điện[24] 49 Hình 4.9 Vùng plasma được tạo ra trong ống thạch anh 50 vi
8. Hình 4.10 Sơ đồ khối kết nối các thiết bị theo qui trình 52 Hình 4.11 Sơ đồ khối kết nối các thiết bị có thiết bị xử lý khí thải 52 Hình 4.12 Thiết bị đo độ đục khí thải động cơ Diesel MDO 2 52 Hình 4.13 Nguyên lý làm việc của MDO 2 54 Hình 4.14 Xe Dongfeng tải trọng 7 tấn 54 Hình 4.15 Đăng kiểm viên gắn ống lấy mẫu khí thử 55 Hình 4.16 Nối ống lấy mẫu khí thử với thiết bị xử lý khí thải 55 Hình 4.17 Kết quả kiểm tra khí xả xe động cơ Diesel 56 Hình 4.18 Lắp đặt thiết bị xử lý khí thải với thiết bị đo MAHA MDO2 56 Hình 4.19 Thiết bị xử lý khí thải đang hoạt động 57 Hình 4.20 Kết quả kiểm tra khí xả động cơ Diesel sau khi lắp thiết bị xử lý khí thải 57 Hình 4.21 Thiết bị kiểm tra khí xả động cơ xăng MGT 5 58 Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị MGT 5 58 Hình 4.23 Xe Mekong Pronto MT 1995 59 Hình 4.24 Gắn ống lấy mẫu khí thử 60 Hình 4.25 Gắn cảm biến tốc độ động cơ 61 Hình 4.26 Kết quả đo khí thải xe động cơ xăng 61 Hình 4.27 Kết quả đo khí thải sau khi xử lý bằng công nghệ plasma 62 Hình 4.28 Biểu đồ độ đục khí thải trước và sau xử lý bằng công nghệ plasma 63 Hình 4.29 Biểu đồ nồng độ các khí CO, CO2, NOx trước và sau xử lý 64 Hình 4.30 Biểu đồ lượng HC dư có trong khí thải trước và sau xử lý 64 vii
9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng thống kê các chất có trong khí thải của động cơ 12 Bảng 2.2 Bảng tác hại của CO theo nồng độ. 20 Bảng 2.3 Bảng tác hại của NOx theo nồng độ 21 Bảng 3.1 Năng lượng ion hóa một số chất[14] 30 Bảng 3.2 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các electron 39 Bảng 3.3 Các phản ứng xảy ra trong chất khí tạo ra các ion và các hạt trung hòa 40 Bảng 4.1 Kết quả xử lý khí thải xe động cơ Diesel 62 Bảng 4.2 Kết quả xử lý khí thải xe động cơ xăng 62 viii
10. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa của từ 0C degree of Celsius Độ Celsius 0F degree of Fahrenheit Độ Fahrenheit K degree of Kelvin Độ Kelvin CO Monoxyde Carbon Các-bon Mô-nô-xít CO2 Dioxyde Carbon Các-bon Đi-ô-xít EPA Environmental Protection Agency Cơ quan bảo vệ môi sinh Mỹ EGR Exhaust Gas Recirculation Hồi lưu khí thải HC Hydro Carbon Hi-đrô Các-bon LPG Liquified Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng NOx Oxyde Nito Ô-xít Ni-tơ NGV Natural Gas Vehical Khí tự nhiên PM Particulates Matter Chất thải dạng hạt ppm part per million Phần triệu SOx Oxyde of Sulfur Ô-xít lưu huỳnh ix
11. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài. Xe ôtô luôn được xem là tác nhân ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống của con người. Xã hội càng phát triển, hệ thống giao thông vận tải càng được mở rộng đầu tư. Đi cùng với đó là sự gia tăng số lượng các phương tiện giao thông để phục vụ nhu cầu của con người. Hình 1.1 Hoạt động giao thông vận tải (Nguồn: Theo thống kê của Mỹ vào năm 2010 toàn thế giới có 1,015 tỷ chiếc xe đang lưu thông trên đường. Theo dự đoán thì đến năm 2050 sẽ có khoảng 2,5 tỷ chiếc. Chúng ta thử làm một phép tính nhỏ, trong một tỷ chiếc xe tạm cho rằng mỗi chiếc chỉ chạy 10 Km/ngày và thải ra trung bình 250g CO2/Km. Như vậy, một ngày sẽ có khoảng 2,5 triệu tấn CO2 thải ra từ xe ôtô – một con số đáng báo động[1]. 1
12. Ngành giao thông vận tải được xem là mạch máu của nền kinh tế nhưng vấn nạn ô nhiễm môi trường do nó mang lại đang từng ngày, từng giờ ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của con người. Nếu không có những chính sách kịp thời quy định về tiêu chuẩn khí thải, và những phương pháp xử lý khí thải kịp thời áp dụng cho ngành vận tải thì những hậu quả do mặt trái của nó mang lại sẽ vô cùng khủng khiếp. Hiện nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đặc biệt ở các quốc gia phát triển đã đặt ra các tiêu chuẩn và quy định rất khắc khe để giảm ô nhiễm do khí thải động cơ gây ra. Như ở Mỹ có hệ thống tiêu chuẩn khí thải Tier do cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ EPA quy định, ở châu Âu có tiêu chuẩn khí thải Euro được áp dụng rất nhiều tại các quốc gia khác nhau trên thế giới. Do đó, ngành công nghiệp ôtô cũng không ngừng nghiên cứu và phát triển để đáp ứng các yêu cầu khắc khe do chính phủ đặt ra nhằm tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế tối đa các chất ô nhiễm có trong thành phần khí thải. Có rất nhiều nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới về vấn đề này. Một số giải pháp xử lý khí thải động cơ hiện đại trên thế giới: . Sử dụng hệ thống phin lọc: Như hệ thống CRT (Continously Regenerating Trap) của hãng Volvo Trucks cho phép giảm 80 – 90% tỷ lệ CO, HC, NO và các phần tử cứng trong khí thải. Bộ phin này được thiết kế cho động cơ xe tải và đã trở thành cấu trúc không thể thiếu đối với hầu hết xe bus chạy trong thành phố. Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống CRT của Volvo Trucks[2] 2
13. . Cải thiện quá trình đốt nhiên liệu trong xylanh: Xu hướng này được các hãng ôtô Đức và Nhật đặc biệt chú trọng. Gần đây, hãng Bosch ra mắt loại cảm biến Lambda dùng cho động cơ Diesel, sau đó chế tạo thành công hệ thống điện tử điều khiển động cơ Diesel EDS (Electronic Diesel Control). Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử của động cơ Diesel, sử dụng cảm biến Lambda[3]. . Ứng dụng động cơ mới: Scuderi Group đã đưa ra một loại động cơ mới với tên gọi Split-cycle (phân chia chu trình). Trên động cơ Split-cycle sẽ bố trí các xylanh theo từng cặp, trong đó một xylanh đóng vai trò nạp và nén (compression cylinder) và xylanh kia chỉ đóng vai trò cháy sinh công và xả khí thải ra ngoài (power cylinder). Giữa hai xylanh này sẽ có một ống dẫn ngang qua (crossover passage). Theo Scuderi Group động cơ này có thể tăng khoảng 15 – 30% tính kinh tế nhiên liệu và giảm khoảng 50 – 80% hàm lượng NOx trong khí thải. 3
14. Hình 1.4 Mô hình động cơ Scuderi[4] Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đang theo hướng tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính năng của nhiên liệu truyền thống hoặc sử dụng các loại “nhiên liệu sạch” như: . Sử dụng khí hóa lỏng LPG . Sử dụng khí thiên nhiên NGV . Sử dụng ôtô điện . Sử dụng pin nhiên liệu – fuel cell. Tại Việt Nam, Ô nhiễm môi trường và đặc biệt là ô nhiễm không khí do phương tiện tham gia giao thông gây ra đã được các chuyên gia trong và ngoài nước cảnh báo. Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh, Hải Phòng ô nhiễm không khí do giao thông vận tải gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%. Nhưng những quy định về tiêu chuẩn khí thải ở nước ta còn nhiều hạn chế, những phương tiện giao thông vẫn chưa đáp ứng được những yêu cầu về khí thải khi tham gia giao 4
15. thông. Vì vậy, việc giải quyết bài toán ô nhiễm do khí thải ôtô gây ra là vô cùng cấp thiết hiện nay. Trong nghiên cứu của mình, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải trên động cơ ôtô” để làm đề tài cho luận văn. Hiện nay, động cơ xăng và động cơ Diesel được sử dụng hầu hết trên các phương tiện giao thông trên thế giới. Những ưu điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng và Diesel đã được kiểm chứng trong thời gian rất dài. Nhưng bên cạnh đó lượng khí thải do nó phát thải ra môi trường gây ô nhiễm đặc biệt nghiêm trọng, ảnh hưởng ngày càng nhiều đến cuộc sống của con người. Do vậy, học viên nhận thấy việc khắc phục nhược điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng và Diesel trong việc xử lý khí thải do nó thải ra, góp phần giảm lượng khí thải độc hại, bảo vệ môi trường đang ngày càng bị ô nhiễm là vô cùng cần thiết. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Lĩnh vực xử lý khí thải do động cơ ôtô gây ra đã và đang được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Riêng lĩnh vực xử lý khí thải bằng plasma trên thế giới đã có một số nghiên cứu: . J.-O. Chae, “Non-thermal plasma for diesel exhaust treatment”, Journal of Electrostatics 57 (2003) 251– 262. - Tác giả ứng dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý khí thải động cơ Diesel. Thông qua bài báo tác giả giới thiệu về các quá trình phản ứng trong hệ thống bộ xúc tác plasma, từ đó cho thấy được những lợi ích khi dùng plasma lạnh để xử lý khí thải từ động cơ Diesel. . P. Talebizadeh, M. Babaie, R. Brown, H. Rahimzadeh, Z. Ristovski, M. Arai, “The role of non-thermal plasma technique in NOx treatment: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 40 (2014) 886 – 901. 5
16. - Bài báo đề cập tới vai trò của plasma lạnh trong việc xử lý NOx. Bài báo cũng nêu lên những ảnh hưởng đến sức khỏe con người và những tác động đến môi trường của NOx có trong khí thải động cơ Diesel. Bài báo cũng thống kê được các kết quả thí nghiệm của nhiều nhà khoa học trên thế giới về xử lý NOx. Tác giả cũng chỉ ra rằng công nghệ plasma còn khá mới mẻ, vì vậy cần nhiều những nghiên cứu về nó để có thể áp dụng nhiều hơn vào cuộc sống. . Marcin Holub, Stanislaw Kalisiak, Tadeusz Borkowski, Jaroslaw Mysków, Ronny Brandenburg “The Influence of Direct Non-Thermal Plasma Treatment on Particulate Matter (PM) and NOx in the Exhaust of Marine Diesel Engines”, Polish J. of Environment, Stud. Vol. 19, No. 6 (2010), 1199 – 1211. - Nội dung của bài báo chứng minh tầm ảnh hưởng của plasma lạnh trong việc xử lý các hạt vật chất ô nhiễm (PM) và NOx trong khí xả động cơ Diesel tàu thủy. Nhóm tác giả đã thiết kế và ứng dụng lò phản ứng plasma cho động cơ tàu thủy. Nhóm tác giả cũng đã chứng minh mối quan hệ giữa công suất động cơ với tốc độ ảnh hưởng đến nồng độ khí thải qua đó xây dựng được các phương trình, các đồ thị thể hiện mối quan hệ đó. . Roy McAdams et al “Non-thermal plasma based technologies for after- treatment of automotive exhaust particulates and marine diesel exhaust th NOx”, Deer 2003, Newport, Rhode Island, 28 August 2003. - Nhóm tác giả chỉ ra xu hướng mà các nhà sản xuất động cơ phải chú trọng trong tương lai khi ngày càng nhiều luật bảo vệ môi trường được áp dụng. Đồng thời qua bài báo nhóm tác giả cũng đưa ra hai hệ thống xử lý, hệ thống lọc các hạt bụi ô nhiễm và hệ thống bộ lọc xúc tác dùng để khử NOx. 6
17. . Ravi Srivastara, William Maxwell “Using Non-Thermal Plasma to Control Air Pollutants” Unites States Environmental Protection Agency, EPA-456/R-05-001, 2005. - Bản báo cáo này do cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ đưa ra giới thiệu về công nghệ plasma, đặc biệt là về công nghệ plasma lạnh. Bản báo cáo nêu lên quá trình nghiên cứu và hướng ứng dụng trong tương lai của công nghệ plasma lạnh. Ứng dụng đang được trung tâm công nghệ không khí sạch (CATC) đầu tư nghiên cứu là áp dụng công nghệ plasma lạnh xử lý không khí ô nhiễm. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước: Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thế giới, nước ta cũng có những bước tiến nhất định với khởi đầu là những công trình nghiên cứu trong các trường Đại học và của một số nhà khoa học. Nhưng đối với lĩnh vực xử lý khí thải, đặc biệt là ứng dụng plasma để xử lý khí thải còn khá mới mẻ. Ở Việt Nam, ứng dụng plasma lạnh mới được bắt đầu nghiên cứu, chỉ một vài nơi công bố các kết quả nghiên cứu theo hướng này: . Nguyễn Trọng Hiếu, Vũ Văn Chiến: “Plasma - một số tính chất và ứng dụng”, Tạp chí KH & CNN, số 67, trang 23, 01/2006. - Bài báo mô tả khái quát về khái niệm và một số tính chất cơ bản của plasma, các tác giả ứng dụng plasma trong việc phủ bảo vệ bề mặt các chi tiết chịu nhiệt. . TS. Nguyễn Trọng Hiếu, “ plasma nhiệt độ thấp và một số ứng dụng”, Tạp chí KH & CNN, trang 12 - 14, 05/2004 - Bài báo xác định và phân loại plasma, bài báo cũng đưa ra một số tính chất của plasma, tác giả đã ứng dụng plasma trong việc thiết kế hệ thống đánh lửa plasma trên xe của hãng Ford. . Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ plasma lạnh hoạt động ở điều kiện khí quyển thông 7
18. thường” để khử trùng, bảo quản hoa quả mà không cần sử dụng hóa chất độc hại. . TS. Trần Ngọc Đảm, Phòng Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM) chế tạo và thử nghiệm thành công ở quy mô phòng thí nghiệm các thiết bị tạo plasma xử lý bề mặt, plasma Jet và xử lý không khí. - Một số đề tài TS. Trần Ngọc Đảm ứng dụng công nghệ plasma lạnh: . Máy xử lý nước thải y tế tự động . Xử lý bề mặt sản phẩm cơ khí sau gia công . Xử lý dụng cụ y tế . Xử lý khí thải . Xử lý nước 1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu. 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu: . Cơ chế hình thành khí thải trong buồng đốt. . Nghiên cứu những đặc tính quan trọng của plasma. . Cách tạo ra plasma trong điều kiện bình thường. . Các phương trình phản ứng xảy ra bên trong lò phản ứng. Qua đó, ứng dụng công nghệ để xử lý các chất ô nhiễm, độc hại có trong khí thải động cơ ôtô thải ra môi trường. Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra. 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu: . Thành phần các chất có trong khí thải của động cơ xăng và động cơ Diesel. Ảnh hưởng của các chất có trong khí thải đối với sức khỏe của con người và môi trường. . Công nghệ plasma. 8
19. 1.4 Phạm vi nghiên cứu. Xử lý khí thải động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và Diesel nhằm đảm bảo hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải trước khi thải vào môi trường phải nhỏ hơn giới hạn cho phép đã được quy định trong các điều luật. 1.5 Phương pháp nghiên cứu. . Tìm hiểu tài liệu về động cơ đốt trong, thành phần các chất có trong khí thải của động cơ ôtô. . Tìm hiểu công nghệ plasma. . Áp dụng công nghệ plasma lạnh xử lý khí thải do động cơ phát ra. . Thiết kế mô hình thử nghiệm. . Tiến hành thực nghiệm. . So sánh kết quả đạt được trước và sau khi áp dụng công nghệ plasma lạnh. 9
20. Chương 2 THÀNH PHẦN VÀ TÁC HẠI CỦA CÁC CHẤT CÓ TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1 Khái niệm cơ bản và lịch sử phát triển của động cơ đốt trong. Động cơ đốt trong (Intern Combustion Engine) nói chung, động cơ xăng và động cơ Diesel nói riêng kiểu piston chuyển động tịnh tiến thuộc loại động cơ nhiệt. Hoạt động nhờ quá trình biến đổi hóa năng sang nhiệt năng do nhiên liệu bị đốt cháy rồi chuyển sang cơ năng, quá trình này được thực hiện ở bên trong xylanh động cơ[5]. Nó là một phần tử cơ khí được sản xuất vô cùng phức tạp và tinh xảo. Mỗi một hãng xe có những bí quyết và kỹ thuật riêng để sản xuất ra những động cơ đặc trưng của riêng mình. Trong lịch sử phát triển động cơ đốt trong có một số cột mốc đáng ghi nhớ sau[6]: . 1863: Động cơ đốt trong đầu tiên ra đời do ông Lenoir – một nhà kỹ thuật nghiệp dư ở Paris chế tạo. Động cơ chạy khí đốt, có hiệu suất ηe = 2 ÷ 3 %. . 1876: Nikolas August Otto ở thành phố Koln thuộc nước Đức chế tạo một loại động cơ cũng chạy khí đốt nhưng đạt hiệu suất cao hơn với ηe = 10 %. . 1886: Hãng Daimler – Maybach cho xuất xưởng động cơ xăng đầu tiên có công suất Ne = 0,25 mã lực và tốc độ vòng quay n = 600 vòng/phút. . 1897: Động cơ Diesel đầu tiên ra đời có hiệu suất khá cao ηe = 26 %. . 1954: Động cơ piston quay do hãng NSU – Wankel chế tạo nổi bật về tính gọn nhẹ. Ngành chế tạo động cơ đốt trong phát triển rất mạnh. Hiện nay sản lượng hàng năm ước tính 40 triệu chiếc với dải công suất từ 0,1 đến khoảng 70.000 kW cho các lĩnh vực: giao thông vận tải, xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiệp, năng lượng và gia dụng 10
21. Cho đến nay, động cơ đốt trong không ngừng được cải tiến với các giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm và suất tiêu hao nhiên liệu. Các chuyên gia nghiên cứu động cơ đốt trong đã đề ra nhiều biện pháp khác nhau về kỹ thuật phun và điều khiển quá trình cháy nhằm hạn chế các chất ô nhiễm, phát huy được những ưu điểm của nó. Một số các giải pháp công nghệ được các chuyên gia đề xuất áp dụng cho động cơ đốt trong hiện nay: . Cải thiện quá trình cháy. . Linh hoạt hệ thống phun nhiên liệu áp suất cao. . Hệ thống tăng áp cho phép nén cao hơn. . Hệ thống hồi lưu khí thải. . Thay đổi hệ thống tạo xoáy trong buồng đốt. . Thay đổi tỉ số nén. . Điều khiển không khí nạp và nhiệt độ làm mát. . Tái tạo năng lượng có trong dòng khí thải 2.2 Thành phần các chất có trong khí thải động cơ và ảnh hưởng của chúng đối với sức khỏe con người và môi trường[7]. 2.2.1 Các thành phần chính có trong khí thải động cơ đốt trong. Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình oxi-hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra bên trong xylanh động cơ. Theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu nhiều ảnh hưởng. Trong quá trình cháy sẽ sinh ra hợp chất trung gian. Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy. Theo nguyên lý, quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O, và N2. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của các hiện tượng diễn ra bên trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4