2.1. Hệ thống thử nghiệm khí thải xe máy
2.1.4. Tủ phân tích khí CEBII và các bộ phân tích
Tủ phân tích khí xả CEBII (Combustion Emission Bench), hình 2.3, là hệ thống bao gồm toàn bộ các môdun thực hiện quá trình phân tích các thành phần khí xả (các bộ phân tích) và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển, các thiết bị phân tích khí… Ngoài ra, tủ phân tích còn được lắp đặt một máy tính công nghiệp với phần mềm điều khiển GEM110. Việc kết nối máy tính điều khiển với các bộ phân tích
được thực hiện thông qua các tín hiệu số, tùy thuộc vào bộ phân tích mà có thể thực hiện qua mạng CAN, LON hay qua cáp nối tiếp RS232.
Các bộ phân tích được lắp đặt trong tủ được sử dụng để đo các thành phần có trong khí xả như: carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), nitrogen oxides ( NO và NOx), carbon hydrides (HC).
Việc điều khiển các thành phần có liên quan đến hệ thống khí như: Bơm, các van, bộ điều khiển nhiệt độ, bộ kiểm tra hệ thống các cảm biến thông qua thiết bị điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Controller).
Hình 2.3. Tủ CEBII
1. Máy tính tích hợp trong tủ. 3. Các bộ phân tích.
2. Khối SCU. 4. Bảng đồng hồ khí.
2a. HCU khối làm nóng. 5. Công tắc hệ thống.
2b. Khối làm lạnh. 6. Khối chuẩn đoán.
2c. Khối điều khiển SCU. 7. Các đường khí và nguồn điện.
2d. Vùng dành cho ERG.
+ Các môđun trong tủ phân tích:
Ngăn thứ nhất: Thường được dùng để lắp bộ tuyến tính hóa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO (Diagnostic Unit). Do hệ thống này không cần thường xuyên sử dụng vì thế để tiết kiệm chi phí, bộ tuyến tính hóa và đo hiệu suất chuyển đổi NO2 thành NO được lắp trên một giá đỡ di động, do đó ngăn này có khi là ngăn trống.
Ngăn thứ hai: được đặt một máy tính tích hợp là bộ điều khiển trung tâm trong hệ thống đo lường của tủ CEBII. Máy tính công nghiệp này hoạt động trên nền Windows NT với phần mền được cài đặt sẵn là phần mền GEM 110. Dữ liệu được nhập vào từ các phím được gắn bên phải màn hình, các phím chức năng ở dưới màn hình hoặc có thể dùng chuột. Việc truy cập tới tất cả các máy tính kết nối được thực hiện thông qua màn hình và bàn phím, nó được cài như một hệ thống riêng và có thể di chuyển được. Bên cạnh máy tính tích hợp là một hệ thống các đồng hồ đo áp suất các chất khí khi vào bộ phân tích, ba đồng hồ phía trên đo khí H2/He, khí N2 và khí systh air, các khí này có áp suất quy định khi vào tủ CEBII là 4 bar. Hai đồng hồ phía dưới chỉ áp suất khí nén compr air, và khí làm sạch blackflush, áp suất chỉ định là 6 bar. Phía dưới các đồng hồ đo áp suất là các đầu nối khí vào được sử dụng trong quá trình tuyến tính hóa bộ phân tích.
Ngăn thứ ba: Ở dưới của máy tính là bộ phân tích O2 có dải đo từ 1% đến 25%.
Tùy theo hàm lượng O2 như thế nào mà hệ thống sẽ chọn dải đo phù hợp.
Ngăn thứ tư: Dưới bộ phân tích O2 là hai bộ phân tích CO và CO2. Bộ phân tích CO được chia làm hai loại CO low với khoảng đo là 30ppm tới 2500ppm và CO hight có khoảng đo là 0,5% đến 10%. Bộ phân tích CO2 thì có chung một khoảng đo đó là 0,5% đến 20%. Bên cạnh bộ phân tích CO và CO2 có hệ thống các van kim để điều chỉnh lưu lượng khí vào các bộ phân tích, lưu lượng này được thể hiện thông qua các ống chỉ lưu lượng đặt ở phía dưới các van kim.
Ngăn thứ năm: có bộ phân tích HC cùng có khả năng đo lượng HC trong khoảng 9ppm đến 30%. Tuy nhiên để tiết kiệm, các bộ phân tích lại được chia ra để đo lượng HC cao, với điều này có thể sử dụng chung 2 đến 3 bình khí nén có hàm
lượng phù hợp với cả hai bộ phân tích. Bên cạnh bộ phân tích này có các đồng hồ chỉ áp suất H2/He, khí cháy và đồng hồ chỉ áp suất khí nền. Ngoài ra còn có một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phân tích và có một ống chỉ lưu lượng khí.
Ngăn thứ sáu: được để một bộ phân tích NO và NOx, bộ phân tích này có khoảng đo 50ppm đến 10000ppm. Bên cạnh ngăn thứ sáu tượng tự như ngăn thứ năm có các đồng hồ chỉ áp suất khí H2/He, khí cháy và đồng hồ chỉ áp suất khí nền. Ngoài ra còn có một van kim điều chỉnh lượng O2 vào bộ phân tích và có một ống chỉ lưu lượng khí nhưng tất cả đều dùng để đo cho bộ phân tích HC còn lại.
Ngăn thứ bẩy: là khối SCU. Bộ sấy nóng khí mẫu SCU (Sample Conditioning Unit) bao gồm tất cả các thành phần thực hiện và điều chỉnh sấy mẫu khí.
• Với bộ phân tích HC và bộ phân tích NOx hơi nước không làm sai lệch kết quả đo, nhiệt độ đo yêu cầu phải cao để tránh sai số khi đo vì vậy cần phải sấy nóng khí mẫu. Khối làm nóng khí mẫu (heat sample unit): kết hợp đường làm nóng và một bơm khí làm nóng với một bộ lọc sơ cấp và một bộ lọc thứ cấp tại đường vào. Bơm có thể có hai đường vào một đường dùng để đo trực tiếp khí xả không pha loãng lấy trực tiếp từ ống xả động cơ qua bộ lọc frefilter vào tủ, một đường lấy khí xả đã pha loãng lấy từ hệ thống CVS. Các van điều khiển đường đi của khí qua bộ ion hóa ngọn lửa FID và bộ phân tích quang hóa CLD cũng được tích hợp vào trong khối này.
• Còn với các bộ phân tích CO, CO2, O2 thì ngược lại, để đo chính xác lại phải làm lạnh mẫu khí để loại bỏ đi hơi nước bởi vì hơi nước trong trường hợp này có ảnh hưởng lớn tới kết quả đo. Nó là nguyên nhân sinh ra sai số trong trường hợp này. Vì vậy cần tính toán nhiệt độ của khí để loại bỏ nước trong khí xả mẫu. Yêu cầu này được áp dụng cho tất cả các bộ phân tích không làm nóng như CO, CO2, O2.
• Khối điều khiển SCU chứa tất cả các bộ phận để điều khiển đường đi và điều chỉnh dòng khí như các van hoặc bộ điều chỉnh áp suất, nguồn điện và các bộ cảm ứng để giám sát trạng thái của SCU. Việc điều khiển bằng tay được thực hiện bởi
PLC, vì vậy SCU điều khiển độc lập và chỉ dẫn dữ liệu tới máy tính kết nối là được trình bày theo yêu cầu.
Các bộ phân tích được đặt ở giữa tủ phân tích và có vỏ bọc bên ngoài, các vỏ này không thường xuyên mở ra. Ở đó các bộ phận của bộ phân tích và tất cả các bộ phận liên qua tới khí yêu cầu đều được định vị trên các rãnh trượt.
Nguyên lý đo các thành phần độc hại + Bộ phân tích CO (hình 2.4):
Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO
1. Một buồng phát tia hồng ngoại; 2. Màn chắn; 3. Đĩa khoét các rãnh; 4. Buồng chứa khí mẫu; 5. Buồng chứa khí CO được ngăn chắn bằng một màng cao su; 6. Thiết bị đo độ võng của màn; 7. Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một tấm màng cao su; 8. Buồng chứa khí mẫu.
CO hấp thụ bức xạ hồng ngoại ở bước súng khoảng 4,7àm. Khớ mẫu cú CO được đưa vào buồng (4). Sau đó cho đốt đèn hồng ngoại (1). Tia hồng ngoại đi qua buồng (4) và buồng (8), do buồng (4) có CO nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, còn buồng (8) chỉ có chứa N2 vì vậy tia hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau đĩa (3) được điều khiển quay, trên đĩa (3) có xẻ các rãnh sao cho thời gian cho tia hồng ngoại qua rãnh trong và rãnh ngoài là
bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và (8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai buồng này có chứa toàn CO, lúc này tia hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi CO và làm tăng nhiệt độ của khối khí trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng áp suất. Hai buồng (5) và (7) được ngăn cách với nhau bằng một màng cao su. Trong hai chùm tia hồng ngoại thì chùm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đã bị hấp thụ một phần tại đó vì vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ít hơn buồng (7) do đó có sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng. Sự chênh lệch áp suất này làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong có thể tính được độ chênh lệch áp suất. Qua tính toán chênh áp suất sẽ biết được lượng CO đã hấp thụ tia hồng ngoại. Lượng CO đó chính là lượng CO có trong khí xả.
Khi đo CO trong khí xả bằng phương pháp hồng ngoại phải tính đến các điều kiện gây sai số, đặc biệt là sự hấp thụ của nước. Vì vậy phải có biện pháp hiệu chỉnh giá trị đo.
+ Bộ phân tích NO và NOx (hình 2.5) Bộ phân tích bao gồm các bộ phận:
1. Bộ phận tạo ôzôn trong không khí.
2. Bộ phận chuyển đổi NO2 thành NO.
3. Buồng phản ứng đo NOx có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu.
4. Buồng phản ứng đo NO có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu.
5. Bộ phận hủy ôzôn trước khi đưa ra ngoài môi trường.
6. Bộ phận đo cường độ sáng.
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng quang hóa để xác định hàm lượng NO và NOx. Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO2 hoạt tính sinh ra. NO2 hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng sau:
NO + O3 = NO2* + O2
Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx
Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, O2 trong không khí được tạo thành O3 nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng phản ứng.
Để đo lượng NO có trong khí xả, khí xả được đưa trực tiếp vào buồng phản ứng.
Trong buồng phản ứng có O3 vì vậy một phần NO có trong khí xả mẫu sẽ phản ứng với O3 và tạo ra NO2*, NO2 hoạt tính tồn tại không lâu trong điều kiện bình thường vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO2 không hoạt tính bằng cách phóng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng. Đo cường độ tia sáng thu được và dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng có thể tính ra lượng NO có trong khí xả mẫu.
Để đo lượng NOx có trong khí xả mẫu, cho tất cả khí xả mẫu đi qua một bộ chuyển đổi từ NO2 thành NO. Phần lớn NO2 chuyển đổi thành NO, sau đó tất cả khí xả đã qua chuyển đổi được đưa tới buồng phản ứng. Tương tự như với NO, trong buồng phản ứng một lượng NO có trong khí xả sẽ phản ứng với O3 và tạo thành NO2 hoạt tính. NO2 hoạt tính có năng lượng cao sẽ chuyển về mức năng lượng thấp và phát ra ánh sáng, căn cứ vào cường độ ánh sáng thu được ta tính ra được lượng NOx có trong khí xả.
Trong tất cả các phản ứng của bộ phân tích NO và NOx đều xảy ra với hiệu suất nhất định. Do đó để biết được chính xác lượng NO và NOx có trong khí xả ta phải xác định được hiệu suất của phản ứng. Muốn vậy ta phải biết được lượng chất tham gia phản ứng. Chính vì vậy trong hệ thống CEBII có một bộ phận đo hiệu suất phản ứng tạo O3 và hiệu suất phản ứng tạo NO.
+ Bộ phân tích O2 (hình 2.6)
Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo O2
1. Một bộ nam châm vĩnh cửu; 2. Một con lắc có thể quay trong mặt phẳng nằm ngang được đặt trong từ trường của nam châm. Giữa con lắc có gắn một tấm gương phản chiếu tia sáng; 3. Một màn hứng tia sáng từ màn; 4. Một đèn photodiot; 5. Một bộ nhận lệnh từ bộ xử lý và điều khiển gương; 6. Một bộ xử lý tín hiệu; 7. Một bộ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu số; 8. Một bộ đánh giá so sánh sự sai lệch của hai màn chắn.
Bộ phận đo O2 dựa trên nguyên tắc: khi cho một luồng khí O2 đi vào trong từ trường của một nam châm thì các phần tử O2 và các hạt bụi sắt sẽ bị hút vào trong còn các phân tử nước sẽ bị đẩy ra ngoài.
Ban đầu cho một luồng khí có chứa O2 đi vào dọc theo chiều của nam châm. Các phân tử O2 sẽ bị hút vào giữa từ trường, sự di chuyển đó tạo ra một dòng khí. Tại
giữa của từ trường có một con lắc, dưới tắc dụng của dòng O2, con lắc chịu một lực tác dụng làm cho lệch đi một góc nào đó.
Khi có dòng khí đi vào từ trường, thì đèn photodiot cũng được hoạt động, nó tạo ra một tia sáng chiếu đến tấm gương gắn trên con lắc, tia sáng sẽ bị phản chiếu lại thành hai tia và bị chắn bởi màn chắn. Màn chắn cũng là một photodiot, nó cho dòng điện đi qua nhiều hay ít tùy thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu đến. Do tấm gương bị lệch vì thế hai tia sáng tới màn chắn là khác nhau, từ đó dòng điện đi qua cũng khác nhau.
Dòng điện đi qua hai màn chắn được đưa đến bộ so sánh. Bộ so sánh đánh giá hai dòng điện và đưa ra một giá trị điện gửi tới bộ chuyển đổi. Tại bộ chuyển đổi này giá trị điện sẽ chuyển thành tín hiệu số và đưa tới bộ phân tích.
Bộ phân tích nhận tín hiệu và phân tích đánh giá, đưa ra các chỉ thị gửi tới bộ phận chấp hành tác dụng một lực điều khiển tấm gương.
Tấm gương được điều khiển cho tới khi hai tia sáng có cường độ như nhau, thì khi đó các bộ phận mới thôi không điều chỉnh, bộ phận chấp hành giữ nguyên lực tác dụng. Đo lực tác dụng, qua đó có thể phân tích đánh giá ra giá trị của lượng O2
có trong luồng khí thổi vào.
+ Bộ đo CnHm (hình 2.7)
Hệ thống đo HC dựa vào hiện tượng khí hydrocacbon (CnHm) cháy trong môi trường đặc biệt sẽ tạo ra các ion. Đo lượng ion qua đó có thể xác định được lượng HC. Hệ thống đo HC có sơ đồ nguyên lý như hình dưới. Nó bao gồm các thành phần sau:
1. Hệ thống có ba đường dẫn khí vào. Một là đường dẫn khí mẫu vào, hai là đường dẫn khí cháy (hỗn hợp H/He), ba là đường khí tạo môi trường cháy.
2. Một buồng phản ứng có gắn cảm biến nhiệt độ.
3. Một bộ đánh lửa để sinh tia lửa mồi.
4. Một cặp cực điện được nối với một bộ khuyếch đại và một bộ đo điện áp.
5. Một bộ cảm biến nhiệt độ PT100
6. Một bộ bơm khí nén tạo độ chân không để hút khí cháy ra.
Cảm biến nhiệt độ T100 Luồng khí nén
190độ C
áp suất chính xác 580mbar
Đo điện áp Bộ khuyếch đại
áp suất vào 680mbar
Hỗn hợp H/He (1050mbar) Khí tạo môi trƯờng cháy
(Symthetic Air)
Khí mẫu chứa HC
Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo CnHm
Khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống với áp suất 580mbar và lưu lượng 1500l/h. Nó được hòa trộn với khí cháy (hỗn hợp H2/He) được đưa vào ở đường ống thứ hai. Khí cháy có áp suất là 1050mbar, có lưu lượng là 30l/h. Khí mẫu và khí cháy được trộn với nhau và đưa và buồng cháy với áp suất là 680mbar.
Trong buồng phản ứng hỗn hợp khí (20% O2, 80% N2) được bơm vào làm môi trường cháy. Khi khí mẫu và khí cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy. Trong điều kiện như vậy khí HC không cháy mà bị bẻ gãy thành các ion.
Các ion sinh ra trong môi trường có từ trường của cặp điện cực, nó sẽ bị hút về hai bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Dòng điện được khuyếch đại khi đi qua bộ khuyếch đại và được đưa tới bộ đo điện áp.
Khí cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này được sinh ra do luồng khí nén thổi qua tại miệng hút.
Dựa vào cường độ dòng điện sinh ra có thể đánh giá được lượng HC có trong khí mẫu. Khi đo lượng HC có trong khí xả động cơ, các điều kiện đo rất được chú ý. Áp suất đầu vào phải đảm bảo chính xác, lưu lượng phải vừa đủ. Có như vậy thì quá trình đo mới đúng. Hệ thống sẽ đánh lửu 10 lần, trong 10 lần đó mà các điều kiện không đảm bảo thì hệ thống sẽ không đo được. Sau 10 lần đánh lửa mà không đo được thì hệ thống sẽ dừng lại và yêu cầu có sự kiểm tra sửa chữa.
+ Bộ đo P-M:
Trong thử nghiệm công nhận kiểu về khí thải, người ta dung phương pháp đo trực tiếp P-M trong khí thải của động cơ diesel để xác định lượng phát thải g/km (đối với xe con, xe tải nhẹ) hay g/kWh. Khí thải trước hết được làm loãng. Một phần hỗn hợp khí đã được làm loãng sẽ được hút qua phần tử lọc bằng giấy qui chuẩn, tại đây P-M bị giữ lại. Cân giấy lọc trước và sau khi thử nghiệm sẽ xác định được độ tăng khối lượng phần tử lọc đo được, qua đó sẽ cho biết hàm lượng P-M trong khí thải.
Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội có cân siêu chính xác: có dải đo 1mg – 2100mg với độ chính xác 0,001mg. Khi đo phải đặt cân trong một tủ vi khí hậu duy trì nhiệt độ và độ ẩm ổn định, đồng thời tránh ảnh hưởng của gió và rung động đến độ chính xác phép đo.
Ngoài ra, đối với một số thử nghiệm công nhận kiểu hoặc thử nghiệm khí thải khi nghiên cứu – phát triển và kiểm tra khí thải định kỳ, hàm lượng P-M có thể xác định gián tiếp thông qua xác định độ mở (Opacity) bằng thiết bị Opacimeter hoặc độ khói (smoke Value) bằng thiết bị Smoke Meter. Những thiết bị này đều có thể nối với máy tính của hệ thống thử nghiệm. Kết quả đo độ mờ hoặc độ khói về nguyên tắc có thể chuyển đổi thành hàm lượng P-M (mg/m3).
Thiết bị Opacimeter dung phương pháp so sánh cường độ thu được của cùng một nguồn sáng đi qua không khí tinh khiết và đi qua khí thải. Độ suy giảm ánh sang khi đi qua khí thải so với khi đi qua không khí tinh khiết phản ánh hàm lượng các hạt