Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm góp phần tạo cơ sở khoa học cho công tác quản lý tổng hợp chất lượng không khí ở Việt Nam. Góp phần lập dựng phương pháp xác định hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí cho nguồn động bằng thực nghiệm, phản ánh đúng điều kiện thực tế của Việt Nam.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Thị Yến Liên
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG PHÁT THẢI
CỦA XE BUÝT TẠI HÀ NỘI
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Trung Dũng
Phản biện 1: GS.TS Hoàng Xuân Cơ
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 33
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1 Nghiêm Trung Dũng, Lý Bích Thủy, Nguyễn Thị Yến Liên, Nguyễn Thị Thu Thủy, Đỗ
Khắc Uẩn, Nguyễn Thị Thu Hiền (2015) Nghiên cứu xây dựng hệ số phát thải phục vụ công tác kiểm kê khí thải Hội thảo Khoa học công nghệ trong lĩnh vực bảo vệ môi trường
(trong khuôn khổ Hội nghị Môi trường toàn quốc lần thứ IV)
2 Nguyễn Thị Yến Liên, Bùi Lê Hồng Minh (2015) Ứng dụng phần mềm Copert nghiên cứu ảnh hưởng của chu trình lái tới khả năng phát thải qua một số thông số đặc trưng Tạp chí Khoa học giao thông vận tải, Số đặc biệt - 11/2015.Trường Đại học giao thông
vận tải
3 Nguyễn Thị Yến Liên, Nghiêm Trung Dũng, Cao Minh Quý (2015) Tầm quan trọng của chu trình lái trong các nghiên cứu về đo đạc phát thải của phương tiện cơ giới đường bộ Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học công nghệ: Nghiên cứu ứng dụng KHCN, nâng cao chất lượng hoạt động của ngành GTVT hướng tới sự hài lòng hơn của người dân và doanh nghiệp NXB Giao thông Vận tải
4 Nghiem Trung Dung, Nguyen Thi Yen Lien, Nguyen Viet Thuy Linh, Vu Pham Huyen
(2016) Determination of Markov property of the real-world driving data and its application in the development of the driving cycle Proceedings International
Conference: Environmental engineering and management for sustainable development
5 Nguyen Thi Yen Lien, Nghiem Trung Dung, Cao Minh Quy (2016) Impact of the driving cycle on exhaust emissions of buses in Hanoi Journal of Vietnamese
Environment, 8(4), 247-251 Technische Universitat Dresden, Germany
6 Nguyễn Thị Yến Liên, Bùi Lê Hồng Minh, Cù Thị Thục Anh (2017) Ứng dụng phần mềm IVE nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc trung bình tới hệ số phát thải của xe buýt hà
nội Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, 57, 25-30 Trường Đại học giao thông vận tải
7 Nguyễn Thị Yến Liên, Nghiêm Trung Dũng (2017) Tổng quan về phương pháp xác định
hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí của phương tiện giao thông cơ giới đường bộ
Khoa học và Công nghệ, 162(2), 219-223 Đại học Thái Nguyên
8 Nghiem Trung Dung, Nguyen Thi Yen Lien, Tran Thu Trang (2017) Characterization of Bus Emissions – A Case Study in Hanoi, Vietnam: Driving cycles, emission factors and co-benefits LAMBERT Academic Publishing
9 Nguyen Thi Yen Lien, Nghiem Trung Dung (2017) The determination of driving characteristics of Hanoi bus system and their impacts on the emission Journal of Science
and Technology, 55(1), 74-83
Trang 4DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
10 Nguyen Thi Yen Lien, Nghiem Trung Dung (2018) Markov property analysis of the real-world driving data and its application Journal of Science & Technology Technical
Universities, 126, 54-58 Hanoi University of Science and Technology
11 Nguyen Thi Yen Lien, Nghiem Trung Dung (2018) Health co-benefits of climate change mitigation for the bus system of Ha Noi Vietnam Journal of Science and Technology,
56(3), 312-323
12 Nguyen Yen-Lien T, Nghiem Trung-Dung, Le Anh-Tuan and Bui Ngoc-Dung (2019)
Development of the typical driving cycle for buses in Hanoi, Vietnam Journal of the Air
& Waste Management Association, 69(4), pp 423-437
Trang 5
MỞ ĐẦU
1 Sự cần thiết của đề tài
Giao thông vận tải (GTVT) là một phần rất quan trọng của cuộc sống hiện đại, tuy nhiên nó lại là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu tại các đô thị lớn Tại Hà Nội, ước tính tổng lượng phát thải các chất ô nhiễm CO, VOC, NOx, SOx và PM từ hoạt động của các xe ô
tô con và xe buýt năm 2010 là 50,02 Gg, phát thải CO là cao nhất (39,5 Gg) Trong đó,
xe buýt sử dụng diesel là nguồn phát thải chính đối với các chất ô nhiễm như bụi (PM) và
BC (black carbon), đây là mối quan tâm chính hiện nay Định lượng được lượng thải từ nguồn thải này sẽ đảm bảo cho các dự án về chất lượng không khí được thiết kế và thực hiện một cách hiệu quả nhất
Hệ số phát thải (Emission Factor, EF) là một công cụ rất hiệu quả và đơn giản để ước tính mức độ phát thải các chất ô nhiễm không khí khi có đủ các thông tin về nguồn phát thải Mỗi quốc gia nên có bộ dữ liệu EF riêng phù hợp với điều kiện của quốc gia (country-specific emission factor, CSEF) Việc sử dụng CSEF không chỉ cải thiện được
độ chính xác của các kết quả kiểm kê phát thải mà còn giúp cho các nước dễ dàng hơn khi áp dụng kiểm kê phát thải ở cấp cao hơn (Tier 2) theo hướng dẫn của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC).Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu xây dựng cơ sở
dữ liệu về EF đặc trưng cho điều kiện Việt Nam là hết sức cần thiết Mặc dù vậy, ở Việt Nam, việc nghiên cứu xây dựng EF phù hợp với điều kiện của Việt Nam còn hạn chế, đặc
biệt đối với nguồn động Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu xác định đặc trưng phát thải của xe buýt tại Hà Nội” được thực hiện nhằm góp phần vào việc nghiên cứu
phát thải các chất ô nhiễm không khí từ nguồn động, tạo cơ sở khoa học cho công tác quản lý chất lượng không khí ở Việt Nam
2 Mục đích nghiên cứu
- Góp phần tạo cơ sở khoa học cho công tác quản lý tổng hợp chất lượng không khí
ở Việt Nam
- Góp phần lập dựng phương pháp xác định hệ số phát thải các chất ô nhiễm không
khí cho nguồn động bằng thực nghiệm, phản ánh đúng điều kiện thực tế của Việt Nam
- Phát triển và bổ sung bộ hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí cho phương
tiện cơ giới đường bộ ở nước ta
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trang 6- Đối tượng nghiên cứu của luận án là xe buýt Hà Nội, nghiên cứu thí điểm đối với
loại xe có sức chứa 80 chỗ, chủng loại Daewoo BC212
- Động cơ được sử dụng trong đo phát thải là động cơ diesel D1146TI
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn đối với hoạt động của hệ thống xe buýt trong khu
vực nội thành Hà Nội, trên loại động cơ diesel D1146TI với công suất cực đại 150kW
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam đã xây dựng được các chu trình lái và chu trình thử đặc trưng cho xe hạng nặng dựa trên dữ liệu lái ngoài thực tế
Dựa trên các chu trình thử đã được xây dựng, luận án đã xác định được bộ hệ số phát thải đặc trưng cho hệ thống xe buýt tại Hà Nội Đây là bộ hệ số phát thải đặc trưng cho xe buýt lần đầu tiên được công bố tại Việt Nam Kết quả thu được có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các nhà quản lý có những quyết định tích cực hơn trong việc ứng dụng các giải pháp để bảo vệ môi trường đối với hoạt động của hệ thống xe buýt tại Hà Nội
5 Các đóng góp mới của luận án
Về phương pháp
Đã có một số đóng góp cho phương pháp xây dựng chu trình lái như sau:
- Kiểm định tính dừng của dữ liệu chuỗi thời gian (vận tốc tức thời theo thời
gian) trước khi sử dụng trong xây dựng chu trình lái
- Xử lý các sai số trong dữ liệu GPS bằng một công cụ mới chưa được ứng dụng
trong các nghiên cứu xử lý dữ liệu vận tốc tức thời theo thời gian, đó là thuật toán ước lượng dữ liệu thiếu của Ivan Selesnick
- Lần đầu tại Việt Nam, đã nghiên cứu và áp dụng chuỗi Markov để xây dựng
được chu trình lái đặc trưng cho hệ thống xe buýt
- Lần đầu tiên tại Việt Nam, việc xác định hệ số phát thải các chất ô nhiễm không
khí phản ánh điều kiện thực tế của hệ thống xe buýt đã được nghiên cứu xác định bằng thực nghiệm dựa trên chu trình thử đặc trưng
Về kết quả cụ thể
Lần đầu tiên, chu trình lái đặc trưng cho hệ thống xe buýt được xây dựng
Các chu trình thử đối với động cơ xe hạng nặng, bao gồm chu trình thử dạng
Trang 7 Bộ hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí (CO, PM, NOx, HC, CO2) cho hệ thống xe buýt tại Hà Nội, bao gồm cả 3 dạng hệ số phát thải (g/kWh, g/kg-nhiên liệu, và g/km)
Mô hình toán mô tả tương quan giữa tốc độ phát thải và công suất động cơ
6 Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm 137 trang (không kể phục lục) với 34 bảng, 45 hình, 104 tài liệu tham khảo Bố cục của luận án như sau: mở đầu (05 trang), tổng quan (32 trang), phương pháp nghiên cứu (33 trang), kết quả và thảo luận (53 trang), kết luận và kiến nghị (03 trang), danh mục các công trình đã công bố (02 trang), tài liệu tham khảo (09 trang)
TỔNG QUAN CHƯƠNG 1.
1.1 Ô nhiễm không khí từ hoạt động của các phương tiện cơ giới đường
bộ
1.1.1 Các dạng phát thải từ hoạt động của phương tiện cơ giới đường bộ
Phần lớn đối với các PTCGĐB hiện nay, năng lượng để chúng chuyển động được là
do đốt cháy nhiên liệu trong động cơ đốt trong Do vậy, ô nhiễm từ PTCGĐB chủ yếu là
do các sản phẩm của quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ, gọi là khí xả (exhaust), hoặc do nhiên liệu tự bay hơi Ngoài ra, còn có sự phát thải bụi do quá trình ma sát, và các dạng ô nhiễm khác như ô nhiễm nhiệt và tiếng ồn
1.1.2 Tác động của các chất ô nhiễm không khí từ phương tiện cơ giới
đường bộ
PTCGĐB là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng tới môi trường
và sức khỏe con người PTCGĐB đã được xác định là nguồn quan trọng nhất liên quan đến phát thải các chất ô nhiễm mà cần được quan tâm đặc biệt như NOx, benzen và CO Gần đây, phát thải PM từ PTCGĐB cũng đã thu hút nhiều sự quan tâm của con người
1.1.3 Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn về khí xả đối với phương tiện cơ giới
đường bộ
Các loại xe ôtô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng:
- Tiêu chuẩn khí thải mức 4 (tương đương Euro IV) từ ngày 01/01/2017
- Tiêu chuẩn khí thải mức 5 (tương đương Euro V) từ ngày 01/01/2022
Các loại xe môtô hai bánh sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải áp dụng tiêu chuẩn khí thải mức 3 (tương đương Euro III) từ ngày 01/01/2017
Trang 8Riêng đối với ô tô chạy bằng diesel, sẽ áp dụng tiêu chuẩn Euro IV từ năm 2018 theo Thông báo số 126/TB-VPCP ngày 10/03/2017 của Thủ tướng Chính phủ
1.2 Hệ số phát thải của phương tiện vận tải và phương pháp xác định
1.2.3 Các phương pháp xác định hệ số phát thải của phương tiện cơ giới
đường bộ
Hệ số phát thải thường được xây dựng dựa trên dữ liệu đo đạc thực nghiệm thu được từ các dự án đo phát thải của phương tiện Theo V.Franco và cộng sự (2013), thí nghiệm trên băng thử động lực học là các kỹ thuật rất chặt chẽ mà có thể cho rằng đó là nguồn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính để phát triển các mô hình EF cho PTCBĐB trong những năm tới khi đã xây dựng được chu trình lái đặc trưng
1.2.4 Tình hình nghiên cứu xây dựng bộ hệ số phát thải đặc trưng
Tại các nước phát triển
- Kỹ thuật và kinh nghiệm trong xây dựng EF ngày càng đạt trình độ cao
Tại châu Á
- Hầu hết các nước chưa có bộ EF riêng, đặc biệt trong lĩnh vực GTVT
- Ở Việt Nam: rất mới, đang giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm với một số hướng nghiên cứu như sau: sử dụng mô hình có sẵn để mô phỏng phát thải; sử dụng mô hình tính ngược; đo phát thải dựa trên chu trình lái đặc trưng (mới chỉ nghiên cứu trên xe máy và xe hạng nhẹ)
1.3 Chu trình lái và các phương pháp xây dựng
Trang 9Chu trình lái là bức tranh về mối liên hệ giữa vận tốc – thời gian của phương tiện tham gia giao thông trong điều kiện nhất định
1.3.1 Các phương pháp xây dựng chu trình lái
Các phương pháp xây dựng chu trình lái phổ biến trước đây (gọi là các phương pháp truyền thống) đều dựa trên việc tổng hợp nhiều phân đoạn nhỏ mà được biết đến như là “snippet” hoặc “microtrip” Cách tiếp cận này chưa tối ưu và không phản ánh được bản chất ngẫu nhiên của dữ liệu Do vậy, để khắc phục hạn chế của phương pháp truyền thống, người ta đã đưa ra một phương pháp tiếp cận mới có khả năng phân tích mạnh mẽ hơn trong xây dựng chu trình lái, xây dựng chu trình lái dựa trên lý thuyết quá trình Markov, đây là một quá trình mang tính ngẫu nhiên Xử lý dữ liệu lái như là một quá trình ngẫu nhiên sẽ cũng cung cấp một cách nhìn khác về dữ liệu vận tốc và thời gian
Do vậy, trong luận án này, lý thuyết chuỗi Markov đã được sử dụng để xây dựng
chu trình lái đặc trưng cho hệ thống xe buýt tại Hà Nội
1.3.2 Các thông số đặc trưng của chu trình lái
Trong nghiên cứu này, VSP cũng được sử dụng như là một trong các thông số của chu trình lái (Bảng 1.6, quyển thuyết minh luận án)
1.4 Phương pháp thu thập dữ liệu lái ngoài thực tế
Ba phương pháp thường sử dụng: Sử dụng xe đuổi theo xe khảo sát (car-chase); thực hiện đo đạc trên xe (on-board); sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Trong nghiên cứu này, công nghệ GPS đã được ứng dụng để thu thập dữ liệu lái ngoài thực tế vì những ưu điểm của nó như đã trình bày chi tiết trong thuyết minh luận
án
1.5 Kỹ thuật xử lý sai số trong dữ liệu GPS
Nguyên lý cơ bản của các kỹ thuật làm trơn là bổ sung hoặc giảm bớt các điểm dữ liệu bất thường bằng cách thay thế giá trị của các biến số đầu vào Ba kỹ thuật làm trơn được sử dụng phổ biến trong các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực giao thông bao gồm phương pháp xấp xỉ spline theo tiêu chí bình phương nhỏ nhất (Least squares spline approximation), phương pháp nhân làm trơn (smoothing kernel) và phương pháp lọc Kalman
Trang 101.6 Dữ liệu chuỗi thời gian và quá trình ngẫu nhiên dừng
1.6.1 Chuỗi thời gian
Chuỗi dữ liệu vận tốc tức thời của phương tiện theo thời gian được sử dụng trong các nghiên cứu xây dựng chu trình lái đặc trưng cũng là một chuỗi thời gian
1.6.2 Quá trình ngẫu nhiên dừng
Quá trình ngẫu nhiên là cơ sở lý thuyết quan trọng trong xây dựng chu trình lái Xử
lý dữ liệu lái như là một quá trình ngẫu nhiên cũng cung cấp một cách nhìn khác về dữ liệu vận tốc và thời gian
1.7 Thuật toán phân cụm phân cấp gộp
Trong nghiên cứ u này, tôi sử dụ ng phư ơ ng pháp phân cụm phân cấp chọn các thông số đặc trưng của chu trình lái
1.9 Giới thiệu chung về hệ thống xe buýt tại Hà Nội
Một số thông tin: Quãng đường đi chuyển trung bình trong một ngày của 1 xe: 152 km/ngày; tuổi trung bình của xe buýt Hà Nội hiện nay là 7,5 năm, Daewoo BC212 là một trong số các chủng loại xe phổ biến
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2.
2.1 Quy trình thực hiện nghiên cứu
Các bước cần thực hiện để đạt được mục tiêu nghiên cứu như Hình 2.1
2.2 Xác định loại chu trình lái
Với mục tiêu nghiên cứu của đề tài, loại chu trình lái hướng tới là chu trình lái tương ứng với đường nội đô, cho loại xe buýt tại Hà Nội
Trang 11Hình 2.1 Quy trình thực hiện nghiên cứu
- Kiểm định tính dừng chuỗi thời gian: Phần mềm EVIEWS 8
- Tiền xử lý dữ liệu GPS: bộ lọc được thiết kế riêng
- Trích chọn các thông số đặc trưng: Phần mềm SPSS
2.6 Xây dựng chu trình lái đặc trƣng cho hệ thống xe buýt tại Hà Nội
Quy trình tổng hợp chu trình lái từ bộ dữ liệu lái ngoài thực tế được thực hiện như Hình 2.5
2.6.1 Xây dựng ma trận xác suất chuyển trạng thái (TPM)
Kích thước của TPM được xác định như sau:
max r
v
v
Trang 12Trong đó: nr là số hàng, nc là số cột, ares và vres lần lượt là độ phân giải của gia tốc, vận tốc Trong nghiên cứu lựa chọn: ares = 0,1m/s2, vres = 1 km/h
2.6.4 Lựa chọn và đánh giá chu trình lái đặc trƣng
Đánh giá sự phù hợp của chu trình lái đề cử với dữ liệu lái ngoài thực tế được thực hiện thông qua việc xác định độ lệch trong phân tích sự phân bố tần suất gia tốc – vận tốc (Speed Acceleration Frequency Distribution, SAFD):
2 cycle data i
data i
Trang 13Trạng thái khởi tạo:
Truy cập đến ma trận con chứa trong TPM tại vị trí đã
2.7.1 Xây dựng chu trình thử dạng chuyển tiếp đối với động cơ
Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng bộ mã nguồn được cung cấp bởi Bộ môi trường Nhật Bản (JMOE) nhằm hỗ trợ hoạt động nghiên cứu xây dựng chu trình thử
2.7.2 Xây dựng chu trình thử tĩnh đối với động cơ
Quá trình chuyển đổi bao gồm các hoạt động sau: Xác định tốc độ động cơ ở dải tốc
độ A, B, C; xác định các chế độ thử nghiệm; Xác định hệ số trọng số của các chế độ thử
2.8 Thử nghiệm phát thải trên động cơ xe buýt
Quá trình thử nghiệm phát thải được thực hiện tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
2.8.1 Đối tƣợng thử nghiệm
Đối tượng được sử dụng để đo phát thải là động cơ diesel D1146TI (Hình 2.10) với các thông số kỹ thuật đặc trưng như Bảng 2.3
Trang 14Hình 2.10 Động cơ D1146TI
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của động cơ
diesel D1146TI Loại động cơ 6 xylanh thẳng
hàng, tăng áp
Thể tích làm việc 8071 mL Đường kính xi lanh 111 mm Hành trình iston 139 mm Công suất cực đại 150 kW
2.8.2 Thiết bị thử nghiệm
Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm như Hình 2.9
Hình 2.9 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 2.9 Phương pháp tính toán kết quả từ số liệu thử nghiệm
2.9.1 Tính suất phát thải của động cơ
Tính toán theo hướng dẫn trong: TCVN 6567 : 2015
Các thông số cần lưu trữ trong quá trình thử nghiệm để sử dụng trong tính toán kết quả hệ số phát thải theo công suất động cơ (BSEF) như Bảng 2.4 quyển thuyết minh luận
án
2.9.2 Tính hệ số phát thải theo lượng nhiên liệu tiêu thụ
brake specific fuel based
EF EF
(2.28)