Tesis:
Understanding the effects of traffic congestion on emissions from urban buses. An integrated approach incorporating real-world emissions, naturalistic driving profiles, and city traffic sensor data
- Autor: ROSERO OBANDO, Fredy Alexander
- Título: Understanding the effects of traffic congestion on emissions from urban buses. An integrated approach incorporating real-world emissions, naturalistic driving profiles, and city traffic sensor data
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/67390/
- Director/a 1º: LÓPEZ MARTÍNEZ, José María
- Director/a 2º: FONSECA GONZÁLEZ, Natalia Elizabeth
- Resumen: En las ciudades alrededor el mundo, los autobuses propulsados por combustibles fósiles han sido componentes clave en los sistemas de transporte urbano y, en consecuencia, son una fuente importante de emisiones de CO2 y NOx. Por ello, en la última década, la Unión Europea ha introducido medidas sucesivas para reducir el consumo de energía y las emisiones emitidas por los vehículos pesados, incluidos los autobuses. Hasta hace poco, los motores de vehículos pesados se sometían esencialmente a pruebas de homologación de emisiones contaminantes con ciclos de conducción normalizados. Sin embargo, estos resultados no reflejan el rendimiento que los autobuses y sus motores presentan cuando están funcionando en condiciones reales de tráfico. La operación de los autobuses urbanos está caracterizada por condiciones de conducción a baja velocidad y una alta frecuencia de eventos de parada-arranque. Estas características de viaje conducen a un mayor consumo de energía y emisiones para los autobuses impulsados por combustibles fósiles, especialmente en zonas urbanas congestionadas. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es comprender los efectos de la congestión del tráfico urbano en las emisiones de CO2 y NOx de los autobuses propulsados por combustibles fósiles, basado en el desarrollo de un enfoque integrado que incorpora emisiones del mundo real, perfiles de conducción naturalista y datos de los sensores de tráfico de la ciudad. Una ruta de autobús representativa en Madrid (Línea 74), fue seleccionada para representar las condiciones típicas de la congestión del tráfico urbano. En general, el desarrollo de esta investigación aborda las variaciones en las emisiones de los autobuses urbanos debido a la congestión del tráfico. En este estudio, estas variaciones de las emisiones se analizaron en tres niveles y/o fases: motor, vehículo y ruta. Cada fase incluyó también un aspecto y/o procedimiento novedoso, que fue determinado en base a las brechas identificadas en la revisión de la literatura. Además, los datos y procedimientos resultantes de estos tres niveles de análisis se articularon sistemáticamente para definir un único marco metodológico de investigación integrado que permita alcanzar el objetivo general definido. En la primera fase, un autobús diésel Euro V fue testeado en condiciones reales de tráfico urbano para investigar la eficiencia de combustible y el rendimiento de las emisiones de su motor en términos de energía (g/kWh). Para ello, este trabajo desarrollo un conjunto de mapas de motor de eficiencia y emisiones, basados en la combinación de datos transitorios del motor obtenidos directamente del sistema de diagnóstico a bordo (OBD) y de las emisiones del mundo real obtenidas con un sistema de medición de emisiones portátil (PEMS). Debido a la variabilidad de los datos transitorios del motor, este trabajo propuso un método para desarrollar estos mapas de motor, que consistió en agrupar los datos medidos en cuadrículas basadas en rangos de velocidad de giro y par del motor, y luego promediarlos para obtener un único valor (ya sea de consumo de combustible o de emisiones) por cuadrícula. Este método se caracterizó también por su bajo coste computacional. En la segunda fase, este trabajo investigó el consumo de combustible y las emisiones en el mundo real de un autobús diésel Euro V y un autobus de gas natural comprimido (GNC) Euro VI, con diferentes niveles de congestión (mediante la velocidad media en tramos de ruta), carga de pasajeros y pendiente de la vía. En esta fase, el consumo de combustible y los factores de emisión se calcularon en términos de distancia (g/km), usando los datos medidos con PEMS. Además, estos datos PEMS se combinaron con el enfoque “Vehicle Specific Power” (VSP), para estudiar desde otra perspectiva las diferencias de emisiones entre los autobuses de GNC y diésel, y también para desarrollar un modelo empírico de micro emisiones. En particular, tanto el modelo de emisiones VSP, como los mapas de motor de la primera fase, podrían utilizarse para simular las emisiones de un autobus bajo diferentes escenarios de operación, aunque la selección dependerá de los datos de entrada que estén disponibles. En la última fase, se modelizaron las emisiones de CO2 y NOx producidas por los autobuses diésel y GNC en diferentes escenarios de congestión a nivel de ruta (y/o viaje completo). Para ello, se condujo un complejo proceso de integración de datos de emisiones del mundo real, perfiles de conducción naturalistas e información de los sensores de tráfico de la ciudad. En primer lugar, para la definición de los escenarios de tráfico a nivel de ruta, se realizó un análisis de conglomerados K-medias que permitió agrupar los viajes de conducción naturalistas en función de dos indicadores de congestión. Estos indicadores fueron seleccionados mediante un análisis de correlaciones entre diversos parámetros de congestión tanto estacionarios en carretera, como dinámicos procedentes de un vehículo. En segundo lugar, se estimaron las emisiones para cada viaje de conducción naturalista y para los dos tipos de autobuses; esto usando el modelo de micro emisiones VSP que fue desarrollado con emisiones del mundo real como parte de la segunda fase de esta investigación. Finalmente, los datos de los viajes agrupados por escenario de tráfico y las emisiones modeladas fueron combinados para entonces cuantificar los efectos de la congestión a nivel de viaje en las emisiones de los autobuses urbanos. Los resultados de este trabajo representan información científica precisa que puede utilizarse para mejorar las estimaciones de las emisiones de los autobuses, y que puede ser utilizada por los responsables políticos para diseñar estrategias que permitan lograr una transición exitosa hacia sistemas de transporte urbano sostenibles. ----------ABSTRACT---------- In cities around the world, fossil fuel-powered buses have been key components in urban transport systems and hence, are important sources of CO2 and NOx emissions. Consequently, over the past decade, the European Union (EU) has introduced successive measures to reduce the energy consumption and emissions from heavy-duty vehicles (HDVs), including buses. Until recently, HDV engines were subjected to pollutant emissions type-approval tests, based on standardised driving cycles. However, these results do not reflect the performances of the buses and their engines when operating under real-world traffic conditions. The operation of urban buses is mainly characterised by low-speed driving conditions and a high frequency of stop-start events. These travel characteristics lead to increased energy consumption and emissions for fossil-fuelled buses, especially in congested urban areas. In this context, the main objective of this thesis is to understand the effects of urban traffic congestion on the CO2 and NOx emissions from fossil fuel-powered buses, based on developing an integrated approach incorporating to real-world emissions, naturalistic driving profiles, and city traffic sensor data. A representative bus route in Madrid (Route 74) is chosen to represent typical conditions of urban traffic congestion. In general, the development of this research addresses the variations in bus emissions owing to urban traffic congestion. In this study, these emission variations were analysed at three levels and/or phases: engine, vehicle, and route. Each phase also included a novel aspect and/or procedure; these were determined based on the gaps identified in a literature review. In addition, the data and procedures resulting from these three levels of analysis were systematically articulated to define a single integrated methodological research framework for achieving the defined overall objective. In the first phase, a Euro V diesel bus was tested in real-world urban traffic conditions, aiming to investigate the fuel efficiency and emission performance of its engine in terms of energy (g/kWh). For this purpose, this work developed a set of engine efficiency and emissions maps, based on combining transient engine data obtained directly from on-board diagnostic (OBD) systems and real-world emissions obtained with a portable emission measurement system (PEMS). Owing to the variability of the transient engine data, this work proposed a method for developing these engine maps, consisting of grouping the measured data into grids based on engine speed and torque ranges, and then averaging them to obtain a single value (either fuel consumption or emissions) per grid. This method was also characterised by a low computational cost. In the second phase, this work investigated the real-world fuel consumption and emissions of a Euro V diesel bus and Euro VI compressed natural gas (CNG) bus, with different levels of congestion (by link-average speed), passenger loads, and road gradients. The fuel consumption and emission factors were calculated in terms of distance (g/km), using PEMS-measured data. Additionally, these PEMS data were combined with a vehicle specific power (VSP) approach to study the differences between CNG and diesel buses, and to develop an empirical micro-emission model. Notably, both the resulting VSP-based emissions model and the engine-engine maps from the first phase could be used to accurately simulate the emissions of a bus under different operating scenarios, depending on the available input data. In the last phase, the CO2 and NOx emissions of diesel and CNG buses were modelled for different congestion scenarios at the route level. For this, a complex process was conducted to integrate real-world emissions, naturalistic driving profiles, and traffic sensor information. The definition of the traffic scenarios was based on a K-means clustering analysis for classifying the collected naturalistic driving trips. For this purpose, through a correlation analysis, two traffic condition indicators were chosen as criteria for the K-means clustering. In parallel, the CO2 and NOx emissions for the naturalistic driving trips were estimated using the VSP micro-emission model developed in the second stage of this research. Finally, the clustering and modelled emissions data were combined, so as to quantify the effects of trip-level congestion on urban bus emissions. The findings of this work represent scientifically accurate information that can be used to improve estimations of bus emissions, and that can be used by policy makers to design strategies for achieving a successful transition to sustainable urban transport systems.