Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xác định đặc trưng phát thải của xe buýt tại Hà Nội

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:219

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng chu trình lái đặc trưng cho xe buýt tại Hà Nội. Xác định hệ số phát thải đặc trưng của xe buýt tại Hà Nội dựa trên chu trình lái đã được xây dựng. Góp phần tạo cơ sở khoa học cho công tác quản lý chất lượng không khí ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu xác định đặc trưng phát thải của xe buýt tại Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Yến Liên NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG PHÁT THẢI CỦA XE BUÝT TẠI HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Yến Liên NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG PHÁT THẢI CỦA XE BUÝT TẠI HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nghiêm Trung Dũng Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 04 năm 2019 GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nghiêm Trung Dũng Nguyễn Thị Yến Liên i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực hiện luận án này. Cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trƣờng, Viện Cơ khí Động lực đã luôn hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hƣớng dẫn PGS.TS. Nghiêm Trung Dũng đã luôn hỗ trợ, động viên và hƣớng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn GS. TS. Lê Anh Tuấn, PGS.TS Phạm Hữu Tuyến, Viện Cơ khí Động lực, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình giúp đỡ về mặt chuyên môn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Ngọc Dũng, Khoa Công nghệ thông tin, Trƣờng Đại học Giao thông vận tải; cảm ơn TS. Emil Torp, Khoa Kỹ thuật điện, Trƣờng Đại học Linköpings, Thụy Điển, đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình xây dựng mã lệnh để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Chân thành cảm ơn Bộ Môi trƣờng Nhật Bản đã cung cấp thuật toán chuyển đổi từ chu trình lái của phƣơng tiện sang chu trình chuyển tiếp của động cơ. Xin chân thành cảm ơn Tổng công ty vận tải Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thu thập thông tin và dữ liệu hành trình của hệ thống xe buýt tại Hà Nội. Chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Giao thông vận tải, Khoa Môi trƣờng và An toàn Giao thông đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc tham gia chƣơng trình đào tạo này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hƣớng nghiên cứu trong lai. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tham gia chƣơng trình đào tạo này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Yến Liên ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ........................................................................ viii DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... xi MỞ ĐẦU ...........................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................6 1.1. Ô nhiễm không khí từ hoạt động của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ ......................6 1.1.1. Các dạng phát thải từ hoạt động của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ ......................... 6 1.1.2. Tác động của các chất ô nhiễm không khí từ phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ ........... 7 1.1.3. Lộ trình áp dụng tiêu chuẩn về khí xả đối với phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ.......... 8 1.2. Hệ số phát thải của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ và phƣơng pháp xác định .........9 1.2.1. Khái niệm......................................................................................................................... 9 1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ số phát thải .................................................................. 10 1.2.3. Các phƣơng pháp xác định hệ số phát thải của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ ...... 13 1.2.4. Tình hình nghiên cứu xây dựng bộ hệ số phát thải đặc trƣng .................................. 14 1.3. Chu trình lái và các phƣơng pháp xây dựng ...........................................................17 1.3.1. Khái niệm....................................................................................................................... 17 1.3.2. Tầm quan trọng của chu trình lái................................................................................. 18 1.3.3. Các phƣơng pháp xây dựng chu trình lái.................................................................... 19 1.3.4. Các thông số đặc trƣng của chu trình lái..................................................................... 21 1.4. Phƣơng pháp thu thập dữ liệu lái ngoài thực tế ......................................................23 1.5. Kỹ thuật xử lý sai số trong dữ liệu GPS .................................................................25 1.6. Dữ liệu chuỗi thời gian và quá trình ngẫu nhiên dừng ...........................................30 1.6.1. Chuỗi thời gian .............................................................................................................. 30 1.6.2. Quá trình ngẫu nhiên dừng........................................................................................... 31 1.7. Thuật toán phân cụm phân cấp gộp ........................................................................31 iii
1.8. Quá trình Markov ...................................................................................................33 1.8.1. Tính Markov.................................................................................................................. 33 1.8.2. Ma trận xác suất chuyển dịch trạng thái ..................................................................... 33 1.8.3. Tính chất Markov của dữ liệu lái ngoài thực tế ......................................................... 34 1.9. Giới thiệu chung về hệ thống xe buýt tại Hà Nội ...................................................35 1.10. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................36 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................38 2.1. Quy trình thực hiện nghiên cứu ..............................................................................38 2.2. Xác định loại chu trình lái ......................................................................................38 2.3. Lựa chọn tuyến .......................................................................................................38 2.4. Thu thập dữ liệu ......................................................................................................40 2.5. Phân tích dữ liệu .....................................................................................................41 2.5.1. Kiểm định tính dừng ..................................................................................................... 41 2.5.2. Tiền xử lý dữ liệu GPS ................................................................................................. 42 2.5.3. Xử lý dữ liệu .................................................................................................................. 42 2.5.4. Trích chọn các thông số đặc trƣng .............................................................................. 43 2.6. Xây dựng chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt tại Hà Nội ......................................44 2.6.1. Quy trình xây dựng chu trình lái ................................................................................. 45 2.6.2. Xây dựng ma trận xác suất chuyển trạng thái (TPM) ............................................... 45 2.6.3. Tổng hợp chu trình lái dựa trên lý thuyết chuỗi Markov .......................................... 47 2.6.4. Đánh giá sự phù hợp ..................................................................................................... 48 2.6.5. Lựa chọn và đánh giá chu trình lái đặc trƣng ............................................................. 49 2.7. Xây dựng chu trình thử cho động cơ xe buýt .........................................................50 2.7.1. Xây dựng chu trình thử dạng chuyển tiếp đối với động cơ ...................................... 50 2.7.2. Xây dựng chu trình thử tĩnh đối với động cơ ............................................................. 57 2.8. Thử nghiệm phát thải trên động cơ xe buýt............................................................58 2.8.1. Đối tƣợng thử nghiệm .................................................................................................. 58 2.8.2. Thiết bị thử nghiệm....................................................................................................... 59 2.8.3. Điều kiện thử nghiệm ................................................................................................... 62 2.9. Xử lý kết quả thử nghiệm .......................................................................................63 2.9.1. Tính suất phát thải của động cơ ................................................................................... 63 iv
2.9.2. Tính hệ số phát thải theo lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ................................................... 67 2.9.3. Tính hệ số phát thải theo quãng đƣờng di chuyển ..................................................... 68 2.10. Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................69 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................71 3.1. Kết quả phân tích dữ liệu........................................................................................71 3.1.1. Kết quả kiểm định tính dừng ....................................................................................... 71 3.1.2. Kết quả xử lý dữ liệu GPS ........................................................................................... 72 3.1.3. Kết quả trích chọn các thông số đặc trƣng ................................................................. 86 3.2. Chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt tại Hà Nội ......................................................94 3.3. Chu trình thử cho động cơ xe buýt .......................................................................103 3.3.1. Chu trình thử dạng chuyển tiếp đối với động cơ ..................................................... 103 3.3.2. Chu trình thử tĩnh đối với động cơ xe buýt Hà Nội (HBSC).................................. 108 3.3.3. Phi chuẩn hóa các điểm thử ....................................................................................... 112 3.4. Đặc trƣng phát thải của xe buýt tại Hà Nội ..........................................................114 3.4.1. Nồng độ các chất ô nhiễm.......................................................................................... 114 3.4.2. Suất phát thải của động cơ ......................................................................................... 116 3.4.3. Hệ số phát theo lƣợng nhiên liệu tiêu thụ ................................................................. 117 3.4.4. Hệ số phát thải theo quãng đƣờng di chuyển ........................................................... 119 3.5. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................129 PHỤ LỤC .......................................................................................................138 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu Air - fuel ratio AQI Chỉ số chất lƣợng không khí Air quality index BSEF Suất phát thải của động cơ Brake-specific emission factor BSFC Suất tiêu hao nhiên nhiệu Brake-specific fuel consumption CSEF Hệ số phát thải đặc trƣng quốc gia Country-specific emission factor DBEF Hệ số phát thải theo khoảng cách Distance based emission factor EF Hệ số phát thải Emission factor ESC Chu trình thử tĩnh của châu Âu European sationary cycle ETC Chu trình chuyển tiếp của châu Âu European transient cycle FBEF Hệ số phát thải theo nhiên liệu Fuel based emission factor GPS Hệ thống định vị toàn cầu Global position system GTVT Giao thông vận tải HBDC Chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt tại Hà Nội HBSC Chu trình thử tĩnh cho động cơ xe buýt Hà Nội HBTC Chu trình thử chuyển tiếp cho động cơ xe buýt Hà Nội HDV Xe hạng nặng Heavy duty vehicle IPCC Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí Intergovernmental Panel on hậu Climate Change OECD Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế Organization for economic co- operation and development PM Bụi Particulate Matter PTCGĐB Phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ PTVT Phƣơng tiện vận tải vi
TPM Ma trận xác suất chuyển dịch Transition Probability Matrix TRANSERCO Tổng công ty vận tải Hà Nội VOC Hợp chất hữu cơ bay hơi Volatile organic compound VSP Công suất riêng của xe Vehicle specific power WHO Tổ chức Y tế Thế giới World Health Organization WHTC Chu trình chuyển tiếp đặc trƣng toàn thế World Harmonized Transient giới Cycle WF Hệ số trọng số Weight factor vii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ Ký hiệu Đơn vị Thuật ngữ  - Hệ số dƣ không khí ai m/s2 Gia tốc tức thời tại thời điểm i ares m/s2 Độ phân giải của gia tốc C ppm Nồng độ chất ô nhiễm FSN - Độ khói Gair kg/h Lƣu lƣợng không khí nạp vào Gexh kg/h Lƣu lƣợng khí xả Gfuel kg/h Lƣu lƣợng nhiên liệu tiêu thụ n Vòng/phút Tốc độ động cơ nhi Vòng/phút Tốc độ động cơ mà tại đó công suất bằng 70% công suất định mức nidle Vòng/phút Tốc độ của động cơ ở chế độ không tải nlo Vòng/phút Tốc độ động cơ mà tại đó công suất bằng 50% công suất định mức nrated Vòng/phút Tốc độ danh định n_norm % Tốc độ động cơ đã đƣợc chuẩn hóa P kW Công suất của động cơ SAFDdiff % Độ lệch trong phân bố tần suất gia tốc – vận tốc t s Thời gian đo T_norm % Mô men động cơ đã đƣợc chuẩn hóa Te Nm Mô men của động cơ Temax Nm Mô men cực đại của động cơ Ts s Bƣớc thời gian V km/h Vận tốc xe vi km/h Vận tốc tức thời của xe ở thời điểm i vres km/h Độ phân giải của vận tốc WF % Hệ số trọng số viii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Giới hạn hàm lƣợng các chất ô nhiễm trong khí xả PTCGĐB hạng nặng theo tiêu chuẩn châu Âu ........................................................................................9 Bảng 1.2. Ảnh hƣởng của lƣu huỳnh và các hợp chất vòng thơm tới sự phát thải của động cơ xăng ...............................................................................................10 Bảng 1.3. Ảnh hƣởng của đặc tính nhiên liệu tới sự phát thải của động cơ diesel ......11 Bảng 1.4. Ảnh hƣởng của chế độ hoạt động đến tốc độ phát thải ................................12 Bảng 1.5. Các tiêu chí sử dụng trong phân loại chu trình lái .......................................18 Bảng 1.6. So sánh tiêu hao nhiên liệu và phát thải từ xe ôtô tại Thái Lan theo các chu trình lái khác nhau .......................................................................................19 Bảng 1.7. Các thông số động học thƣờng sử dụng xác định đặc trƣng chu trình lái ...22 Bảng 2.1. Thông tin về các tuyến xe buýt sử dụng trong nghiên cứu ...........................39 Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của động cơ diesel D1146TI ...........................................58 Bảng 2.3. Các thông số sử dụng trong tính toán hệ số phát thải ...................................63 Bảng 2.4. Giá trị u đối với từng chất khí trong không khí thô ......................................64 Bảng 3.1. Kết quả lọc dữ liệu GPS ................................................................................82 Bảng 3.2. Một số thông số thống kê mô tả của dữ liệu trƣớc và sau khi qua bộ lọc Kalman .........................................................................................................83 Bảng 3.3. So sánh dữ liệu thô và dữ liệu đã qua xử lý thông qua một số thông số đặc trƣng của chu trình lái ..................................................................................85 Bảng 3.4. Biểu đồ tích tụ các biến vào trong các cụm ..................................................86 Bảng 3.5. Kết quả phân cụm trên không gian các biến ứng với trƣờng hợp 1 ..............89 Bảng 3.6. Các biến đại diện cho các cụm ứng với trƣờng hợp 1 ..................................89 Bảng 3.7. Kết quả phân cụm trên không gian các biến ứng với trƣờng hợp 2 ..............90 Bảng 3.8. Các biến đại diện cho các cụm ứng với trƣờng hợp 2 ..................................91 Bảng 3.9. Các thông số đặc trƣng của chu trình lái .......................................................92 Bảng 3.10. So sánh kết quả trích chọn thông số đặc trƣng ...........................................93 Bảng 3.11. Giá trị SAFDdiff của các chu trình đề xuất ..................................................95 Bảng 3.12. So sánh các thông số đặc trƣng của chu trình lái giữa HBDC và dữ liệu lái ngoài thực tế .................................................................................................97 ix
Bảng 3.13. Các thông số kỹ thuật của phƣơng tiện .....................................................103 Bảng 3.14. Dữ liệu mômen cực đại của động cơ ........................................................104 Bảng 3.15. Tốc độ động cơ đã đƣợc chuẩn hóa tại các tốc độ A, B và C ...................110 Bảng 3.16. Các chế độ thử trong chu trình thử tĩnh đối với động cơ xe buýt Hà Nội .......................................................................................................110 Bảng 3.17. Trọng số của các chế độ thử tĩnh đối với động cơ xe buýt Hà Nội ..........110 Bảng 3.18. Tốc độ và mô men của động cơ tại các chế độ thử ...................................113 Bảng 3.19. Suất phát thải của động cơ xe buýt Hà Nội...............................................116 Bảng 3.20. Hệ số phát thải theo lƣợng nhiên liệu tiêu thụ của xe buýt Hà Nội ..........118 Bảng 3.21. Nhu cầu công suất của động cơ xe buýt....................................................119 Bảng 3.22. Mô hình toán mô tả liên hệ giữa công suất và tốc độ phát thải ................120 Bảng 3.23. Hệ số phát thải theo quãng đƣờng di chuyển của xe buýt Hà Nội............120 x
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Minh họa các dạng phát thải từ hoạt động của phƣơng tiện vận tải ................6 Hình 1.2. Quy trình xây dựng chu trình lái dựa trên chuỗi Markov ............................21 Hình 1.3. Chu trình lọc Kalman ...................................................................................29 Hình 1.4. Bức tranh hoàn chỉnh về bộ lọc Kalman ......................................................29 Hình 1.5. Tỷ lệ phân bố tuổi và sức chứa của xe buýt Hà Nội......................................36 Hình 2.1. Quy trình thực hiện nghiên cứu .....................................................................38 Hình 2.2. Bản đồ các tuyến xe buýt đƣợc sử dụng trong thu thập dữ liệu lái ...............39 Hình 2.3. Thiết bị GPS sử dụng trong thu thập dữ liệu hành trình của xe buýt ............40 Hình 2.4. Quy trình tổng hợp chu trình lái sử dụng chuỗi Markov ...............................45 Hình 2.5. Minh họa ma trận TPM .................................................................................47 Hình 2.6. Thuật toán phát triển chu trình lái .................................................................48 Hình 2.7. Sơ đồ khối của mô hình hệ thống truyền động .............................................52 Hình 2.8. Thiết lập các tham số và chế độ hoạt động của xe ........................................55 Hình 2.9. Tính toán các tham số của xe ứng với từng chế độ hoạt động đã đƣợc xác định .........................................................................................................56 Hình 2.10. Động cơ D1146TI ........................................................................................58 Hình 2.11. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ...................................................................59 Hình 2.12. Băng thử động lực học cao ..........................................................................60 Hình 2.13. Tủ phân tích khí AVL CEB II .....................................................................61 Hình 2.14. Thiết bị đo độ khói ......................................................................................62 Hình 3.1. Kết quả kiểm định nghiệm đơn vị .................................................................71 Hình 3.2. Quy trình xử lý dữ liệu GPS ..........................................................................73 Hình 3.3. Minh họa các bƣớc thực hiện trên bộ dữ liệu gốc ETC-part1 .......................80 Hình 3.4. Độ lệch giữa giá trị thực và giá trị ƣớc lƣợng ...............................................81 Hình 3.5. Đồ thị vận tốc – thời gian của dữ liệu thô và dữ liệu đã qua xử lý ...............81 Hình 3.6. Kết quả làm trơn và khử nhiễu của bộ lọc Kalman .......................................83 Hình 3.7. Phân bố tần suất gia tốc – vận tốc của dữ liệu trƣớc và sau khi xử lý ..........84 Hình 3.8. Phân cụm các biến trên phần mềm SPSS ......................................................86 xi
Hình 3.9. Đồ thị phân cụm trên không gian các thông số mô tả chu trình lái ..............88 Hình 3.10. Mảng cấu trúc chứa TPM ............................................................................95 Hình 3.11. Chu trình lái đặc trƣng của xe buýt tại Hà Nội............................................96 Hình 3.12. So sánh phân bố các chế độ hoạt động giữa HBDC và dữ liệu lái ngoài thực tế ...........................................................................99 Hình 3.13. So sánh phân bố tần suất gia tốc – vận tốc ................................................100 Hình 3.14. Độ lệch trong phân bố tần suất gia tốc – vận tốc giữa chu trình lái đặc trƣng với dữ liệu lái ngoài thực tế .......................................................................100 Hình 3.15. So sánh tỉ lệ thời gian ở các chế độ hoạt động khác nhau giữa các chu trình lái của xe buýt ............................................................................................102 Hình 3.16. So sánh phân bố tần suất gia tốc – vận tốc giữa HBDC và ETC-part 1 ....102 Hình 3.17. Đồ thị mô men và công suất động cơ của chu trình thử dạng chuyển tiếp đối với động cơ xe buýt của Hà Nội ..........................................................105 Hình 3.18. Phân bố tần suất tốc độ định mức – mômen định mức của động cơ của chu trình thử HBTC, ETC và WHTC ..................................................106 Hình 3.19. So sánh giá trị vận tốc thực và giá trị vận tốc ƣớc lƣợng .........................107 Hình 3.20. Các tốc độ đặc trƣng của động cơ .............................................................108 Hình 3.21. Phân bố phần trăm tải tại các dải tốc độ A, B và C ...................................109 Hình 3.22. Chu trình thử tĩnh cho động cơ xe buýt Hà Nội ........................................111 Hình 3.23. Đƣờng đặc tính ngoài của động cơ D1146TI ............................................113 Hình 3.24. Nồng độ trung bình của các chất ô nhiễm tại các chế độ thử nghiệm .......115 Hình 3.25. Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm trong toàn bộ chu trình thử ............115 Hình 3.26. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm ...............................................121 xii
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, con ngƣời ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào phƣơng tiện giao thông cơ giới. Điều đó đã làm gia tăng lƣợng nhiên liệu tiêu thụ, tăng mức phát thải các chất ô nhiễm không khí, và làm gia tăng nguy cơ phơi nhiễm của con ngƣời với các chất ô nhiễm mà có thể gây ra những ảnh hƣởng nghiêm trọng tới sức khỏe. Theo đánh giá của Tổ chức Y tế thế giới, GTVT là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí ở các đô thị, mà ô nhiễm không khí lại là nguyên nhân gây nên 3,7 triệu ca tử vong sớm năm 2012, chủ yếu do tiếp xúc với bụi PM10 và PM2,5 [1]. Ở các nƣớc có nền kinh tế phát triển thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), mức chi phí trung bình cho vấn đề ô nhiễm không khí do vận tải đƣờng bộ chiếm 50% tổng chi phí cho ô nhiễm không khí [2]. Còn ở các nƣớc không thuộc OECD, dự báo mức phát thải CO2 do GTVT có thể lên tới 46% tổng lƣợng thải vào năm 2030 [3]. Tại Hà Nội, ƣớc tính tổng lƣợng 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, với 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 nhƣ bụi (PM) và BC (black carbon), đây là mối quan ngại chính hiện nay [4]. Lƣợng phát thải các chất ô nhiễm không khí từ hoạt động của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ (PTCGĐB) vẫn tiếp tục tăng lên hàng năm cùng với sự gia tăng về số lƣợng các phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ. Do đó, chỉ số chất lƣợng không khí (Air quality index, AQI) ở nƣớc ta vẫn duy trì ở mức tƣơng đối cao, điển hình nhƣ ở Hà Nội. Tại Hà Nội, giai đoạn từ 2010 ÷ 2013, số ngày có AQI ở mức kém (AQI = 101 ÷ 200) chiếm tới 40 ÷ 60% tổng số ngày quan trắc trong năm và có những ngày chất lƣợng không khí suy giảm đến ngƣỡng xấu (AQI = 201 ÷ 300) và nguy hại (AQI>300) [5]. Qua đó có thể thấy phát thải từ hoạt động của các phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ cần phải đƣợc kiểm soát chặt chẽ. Định lƣợng đƣợc lƣợng thải từ nguồn thải này sẽ đảm bảo cho các dự án liên quan đến kiểm soát chất lƣợng không khí đƣợc 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 ƣớc tính mức độ phát thải các chất ô nhiễm không khí khi có đủ các thông tin về nguồn phát thải [6]. Vì vậy, EF đã và đang đƣợc sử rộng rãi để phục vụ công tác kiểm kê phát thải ở nhiều nƣớc trên thế giới. Chất lƣợng của kết quả kiểm kê phát thải phụ thuộc rất lớn vào EF. Trong khi đó, EF lại phụ thuộc vào đặc trƣng của nguồn thải 1
nhƣ: trình độ công nghệ, loại hình và thiết kế của nguồn thải, hệ thống kiểm soát ô nhiễm, tuổi và điều kiện vận hành,…[7]. Do đó, các EF cần phải phản ánh xác thực điều kiện cụ thể của mỗi quốc gia, mỗi khu vực. Nói cách khác, mỗi quốc gia nên có bộ dữ liệu EF riêng phù hợp với điều kiện của quốc gia, và bộ hệ số phát thải này đƣợc gọi là hệ số phát thải đặc trƣng quốc gia (country-specific emission factor, CSEF). Việc sử dụng CSEF không chỉ cải thiện đƣợc độ chính xác của các kết quả kiểm kê phát thải mà còn giúp cho các nƣớc dễ dàng hơn khi áp dụng kiểm kê phát thải ở mức cao hơn (Tier 2) theo hƣớng dẫn của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) [8]. Đến nay, việc nghiên cứu phát triển EF ở các nƣớc phát triển và các tổ chức lớn trên thế giới đã khá hoàn thiện, có những phƣơng pháp luận và quy trình thực hiện đạt trình độ khoa học công nghệ cao. Do đó, đã có rất nhiều nguồn cơ sở dữ liệu mở về EF mà có thể tiếp cận để sử dụng. Tuy nhiên, việc sử dụng EF của nƣớc khác (ví dụ nhƣ Mỹ, AP-42) vào nƣớc ta để thực hiện kiểm kê phát thải có thể gây ra sai số lớn do sự khác nhau về trình độ phát triển, nhiên liệu sử dụng, thói quen điều khiển phƣơng tiện... Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu về EF đặc trƣng 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 nƣớc ta còn hạn chế, đặc biệt đối với nguồn động. Đến thời điểm hiện tại, các nghiên cứu xây dựng EF cho nguồn động tại Việt Nam chủ yếu dựa trên việc mô phỏng phát thải của phƣơng tiện dựa trên các phần mềm mô phỏng của nƣớc ngoài, do đó các EF thu đƣợc chƣa phản ảnh đầy đủ đặc trƣng phát thải của Việt Nam. Hiện nay, chỉ có một vài nghiên cứu xác định EF bằng kỹ thuật đo phát thải trong điều kiện có kiểm soát tại phòng thử nghiệm, theo chu trình lái đặc trƣng – đây là kỹ thuật đƣợc đánh giá là lý tƣởng trong xây dựng CSEF đối với PTCGĐB – nhƣng kỹ thuật này mới chỉ áp dụng cho xe máy và xe hạng nhẹ tại Hà Nội. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu xác định đặc trưng phát thải của xe buýt tại Hà Nội” đã đƣợc 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 lƣợng không khí ở Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt tại Hà Nội. - Xác định hệ số phát thải đặc trƣng của xe buýt tại Hà Nội dựa trên chu trình lái đã đƣợc xây dựng. 2
- Góp phần tạo cơ sở khoa học cho công tác quản lý chất lƣợng không khí ở Việt Nam. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là xe buýt tại Hà Nội, nghiên cứu thí điểm đối với loại xe có sức chứa 80 chỗ, chủng loại Daewoo BC212. Đây là chủng loại xe chiếm tỷ lệ lớn thứ 2, chỉ sau chủng loại xe Daewoo S090DL, trong toàn bộ hệ thống xe buýt Hà Nội. Nếu chỉ xét riêng trong dòng xe có sức chứa 80 chỗ, số lƣợng xe thuộc chủng loại xe Daewoo BC212 chiếm tới 41%. - Động cơ đƣợc sử dụng để đo phát thải là động cơ diesel D1146TI. Đây là 1 trong 9 loại động cơ hiện đang đƣợc sử dụng trên dòng xe buýt của hãng Deawoo, hãng xe mà có số lƣợng xe chiếm tới 64% trong tổng số xe của hệ thống buýt tại Hà Nội. - 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 đƣợc các chu trình lái và chu trình thử đặc trƣng cho xe hạng nặng (Heavy duty vehicle, HDV) dựa trên dữ liệu lái ngoài thực tế để đáp ứng mục tiêu xây dựng bộ hệ số phát thải đặc trƣng cho HDV (xe buýt) dựa trên phƣơng pháp đo phát thải trong điều kiện có kiểm soát tại phòng thí nghiệm. Qua đó, nghiên cứu đã góp phần khẳng định tầm quan trọng của chu trình lái trong việc xây dựng hệ số phát thải đặc trƣng đối với các phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ. Phƣơng pháp luận xây dựng chu trình lái dựa trên dữ liệu GPS cũng đã đƣợc bổ sung, hoàn thiện hơn trong nghiên cứu này. Ngoài ra, luận án đã khẳng định, khi xây dựng chu trình lái đặc trƣng, việc lựa chọn các thông số đặc trƣng của chu trình lái cần đƣợc thực hiện trên chính bộ dữ liệu mà sẽ đƣợc sử dụng để xây dựng chu trình lái, thay vì lựa chọn một cách ngẫu nhiên hoặc dựa trên kinh nghiệm của các nghiên cứu trƣớc - điều mà hầu hết các nghiên cứu xây dựng chu trình lái hiện nay đang thực hiện. Dựa trên các chu trình thử đã đƣợc xây dựng, luận án đã xác định đƣợc bộ hệ số phát thải đặc trƣng cho xe buýt tại Hà Nội. Đây là bộ hệ số phát thải xác định bằng thực nghiệm, đặc trƣng cho xe buýt, lần đầu tiên đƣợc công bố tại Việt Nam. Các kết quả này có thể đƣợc áp dụng trong các nghiên cứu kiểm kê phát thải để đạt đƣợc kết quả kiểm kê phát thải ở mức cao hơn (Tier 2) theo hƣớng dẫn của Ủy ban Liên chính 3
phủ về biến đổi khí hậu; hoặc sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá hiệu quả về mặt kinh tế - năng lƣợng cho những cải tiến trên động cơ. Kết quả thu đƣợc có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các nhà quản lý có những quyết định tốt hơn trong việc ứng dụng các giải pháp để bảo vệ môi trƣờng đối với hoạt động của hệ thống xe buýt tại Hà Nội. 5. Các đóng góp mới của luận án  Về phƣơng pháp  Đã có một số đóng góp cho phƣơng pháp xây dựng chu trình lái nhƣ sau: - Kiểm định tính dừng của dữ liệu chuỗi thời gian (vận tốc tức thời theo thời gian) trƣớc khi sử dụng trong xây dựng chu trình lái. Sự kiểm định này là cần thiết để đảm bảo giá trị trung bình và phƣơng sai của chuỗi không đổi theo thời gian. Việc kiểm định này chƣa đƣợc thực hiện trong bất kỳ nghiên cứu nào đã đƣợc công bố trƣớc đây. - Xử lý các sai số trong dữ liệu GPS bằng một công cụ mới chƣa đƣợc ứng dụng trong các nghiên cứu xử lý dữ liệu vận tốc tức thời theo thời gian, đó là thuật toán ƣớc lƣợng dữ liệu thiếu của Ivan Selesnick. Theo đó, các điểm dữ liệu đƣợc nhận định là có chứa sai số ngẫu nghiên đã đƣợc xóa bỏ để tạo khoảng trống, sau đó dùng thuật toán ƣớc lƣợng dữ liệu thiếu của Ivan Selesnick thay vì sử dụng phƣơng pháp nội suy spline nhƣ trong các nghiên cứu về xử lý dữ liệu GPS đã công bố trƣớc đây.  Lần đầu tại Việt Nam, đã nghiên cứu và áp dụng chuỗi Markov để xây dựng đƣợc chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt.  Lần đầu tiên tại Việt Nam, hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí phản ánh điều kiện thực tế của xe buýt đã đƣợc nghiên cứu xác định bằng thực nghiệm dựa trên chu trình thử đặc trƣng.  Về kết quả cụ thể  Lần đầu tiên, chu trình lái đặc trƣng cho xe buýt đƣợc xây dựng.  Các chu trình thử đối với động cơ xe hạng nặng, bao gồm chu trình thử dạng chuyển tiếp và chu trình thử tĩnh, đã đƣợc phát triển dựa trên đặc trƣng lái của xe buýt tại Hà Nội.  Bộ hệ số phát thải các chất ô nhiễm không khí (CO, PM, NOx, HC, CO2) cho xe buýt tại Hà Nội, bao gồm cả 3 dạng hệ số phát thải (g/kWh, g/kg-nhiên liệu, và g/km). 4
 Mô hình toán mô tả tƣơng quan giữa tốc độ phát thải và công suất động cơ. 6. Các nội dung chính trong luận án Các nội dung chính trong luận án nhƣ sau: - Thu thập và xử lý dữ liệu lái ngoài thực tế của hệ thống xe buýt tại Hà Nội; - Kiểm định tính dừng của chuỗi dữ liệu thời gian (vận tốc tức thời theo thời gian); - Trích chọn các thông số đặc trƣng của chu trình lái - Xây dựng chu trình lái đặc trƣng của hệ thống xe buýt tại Hà Nội dựa trên lý thuyết chuỗi Markov; - Xây dựng chu trình thử dạng chuyển tiếp, chu trình thử tĩnh đối với động cơ diesel sử dụng trên xe buýt; - Thực nghiệm đo phát thải trên động cơ; - Xử lý kết quả thử nghiệm và báo cáo kết quả. Bố cục của bản thuyết minh luận án nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Ô nhiễm không khí từ hoạt động của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ 1.1.1. Các dạng phát thải từ hoạt động của phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ Phần lớn đối với các PTCGĐB hiện nay, năng lƣợng để chúng chuyển động đƣợc 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. Phát thải do quá trình bay hơi (HC, VOC) Tổn thất trong quá trình nạp liệu (HC, VOC) Sự mài mòn của lốp, phanh và khớp li hợp (PM) Khí xả - Bụi đƣờng: do mài mòn mặt đƣờng (CO, CO2, PM, hoặc do bụi lắng đọng trên mặt đƣờng SO2, NOx, HC) (PM) (CO, CO2, PM, SO2, NOx, HC) Hình 1.1. Minh họa các dạng phát thải từ hoạt động của phương tiện vận tải Chi tiết về các dạng phát thải từ hoạt động của PTCGĐB nhƣ sau [9, 10]:  Khí xả (exhaust): - Khí xả khi xe đang chạy (Running exhaust): Khí thoát ra từ ống xả khi xe đang chạy trên đƣờng. - Khí xả khi xe ở chế độ không tải của động cơ (Idle exhaust): Khí thoát ra từ ống xả khi xe nổ máy nhƣng không chuyển động. - Khí xả khi xe khởi động (Starting exhaust): Khí thoát ra từ ống xả khi khởi động xe.  Bay hơi nhiên liệu (Fuel evaporation): - Sự bay hơi nhiên liệu trong ngày (Diurnal emissions): Xảy ra khi nhiệt độ môi trƣờng đủ lớn để làm bay hơi nhiên liệu, sự phát thải này có thể xảy ra liên tục trong ngày, tùy thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng. 6