Tragbares Emissionsmesssystem - Portable emissions measurement system

Ein CATI PEMS wird in einem Fahrzeug festgeschnallt

Ein tragbares Emissionsmesssystem ( PEMS ) ist ein Fahrzeug-Emissionsprüfgerät , das klein und leicht genug ist, um in einem während der Prüfung gefahrenen Kraftfahrzeug getragen oder mit ihm bewegt zu werden, anstatt auf den stationären Rollen eines Prüfstands , der nur reale -Welt fahren.

Frühe Beispiele für mobile Fahrzeugemissionsgeräte wurden in den frühen 1990er Jahren vom Warren Spring Laboratory UK in den frühen 1990er Jahren entwickelt und vermarktet, die zur Messung von Straßenemissionen im Rahmen des britischen Umweltforschungsprogramms verwendet wurden. Regierungsbehörden wie die United States Environmental Protection Agency (USEPA), die Europäische Union und verschiedene Staaten und private Einrichtungen haben damit begonnen, PEMS zu verwenden, um sowohl die Kosten als auch den Zeitaufwand für die Entscheidungen über mobile Emissionen zu reduzieren.

Einführung von PEMS

Leo Breton von der US EPA erfand 1995 den Real-time On-Road Vehicle Emissions Reporter (ROVER). Das erste kommerziell erhältliche Gerät wurde von Michal Vojtisek-Lom erfunden und von David Miller von Clean Air Technologies International (CATI) Inc . entwickelt in Buffalo, New York im Jahr 1999. Diese frühen Feldgeräte verwendeten Motordaten entweder von einem On-Board-Diagnose- Port (OBD) oder direkt von einem Motorsensor-Array. Die erste Einheit wurde entwickelt und verkauft an Dr. H. Christopher Frey von der North Carolina State University (NCSU) für das erste Testprojekt auf der Straße, das vom Verkehrsministerium von North Carolina gesponsert wurde. David W. Miller, Mitbegründer von CATI, prägte bei der Arbeit an einem 2000 . erstmals den Begriff "Portable Emissions Measurement System" und "PEMS".

Ein CATI-PEMS-Test im Feld im World Trade Center im Jahr 2002

Busprojekt der New York City Metropolitan Transportation Agency mit Dr. Thomas Lanni vom New York State Department of Environmental Conservation, als Kurzbeschreibung des neuen Geräts. Andere Regierungsgruppen und Universitäten folgten bald und begannen schnell, die Geräte aufgrund ihrer Ausgewogenheit von Genauigkeit, geringen Kosten, geringem Gewicht und Verfügbarkeit zu verwenden. Von 1999 bis 2004 begannen Forschungsgruppen wie Virginia Tech, Penn State und Texas A&M Transportation Institute, Texas Southern University und andere, PEMS in Grenzübergangsprojekten, Straßenbewertungen, Verkehrskontrollmethoden, Vorher-Nachher-Szenarien und Fähren, Flugzeuge und Geländefahrzeuge, um zu erkunden, was außerhalb einer Laborumgebung möglich war. Ein Projekt, das im April 2002 vom California Air Resources Board (CARB) durchgeführt wurde – mit nicht-1065-PEMS-Geräten testete 40 Lastwagen über einen Zeitraum von 2½ Tagen; davon wurden 22 Lkw im kalifornischen Tulare auf der Straße getestet. Während dieser Zeit war ein hochkarätiges Projekt, das mit frühen PEMS-Geräten durchgeführt wurde, das Ground Zero-Projekt des World Trade Center (WTC) in Lower Manhattan, das Betonpumpen, Bulldozer, Grader und später Dieselkräne auf Gebäude 7 - 40 Stockwerke hoch testete . Andere frühe PEMS-Projekte wie die Feldarbeit von Dr. Chris Frey wurden von der USEPA bei der Entwicklung des MOVES-Modells verwendet. Benutzer wie Regulierungsbehörden und Fahrzeughersteller mussten jedoch warten, bis ROVER kommerzialisiert wurde, um tatsächliche Messungen der Massenemissionen durchzuführen, anstatt sich auf Schätzungen der Massenemissionen unter Verwendung von Daten des OBD-Ports oder einer direkten Motormessung zu verlassen, um eine mehr vertretbarer Datensatz. Dieser Vorstoß führte zu einem neuen Standard aus dem Jahr 2005, der als CFR 40 Teil 1065 bekannt ist.

Viele staatliche Stellen (wie die USEPA und das Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen oder UNFCCC ) haben in verschiedenen Mobilfunkstandards als Ziel-Schadstoffe aus mobilen Quellen CO2 , NOx , Feinstaub (PM), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe ( HC), um sicherzustellen, dass die Abgasnormen eingehalten werden. Darüber hinaus haben diese Leitungsgremien damit begonnen, ein Testprogramm für den Einsatz in Nicht-Straßen-Dieselmotoren sowie für andere Arten von Verbrennungsmotoren einzuführen, und fordern die Verwendung von PEMS-Tests. Es ist wichtig, die verschiedenen Klassifizierungen der neuesten „übertragbaren“ Emissionsprüfgeräte von PEMS-Geräten aus der Zeit abzugrenzen, um den Wunsch nach Tragbarkeit bei Feldprüfungen von Emissionen am besten zu verstehen.

Wirtschaftlicher Vorteil von PEMS-Geräten

Ein "integriertes PEMS" (iPEMS)-Gerät der nächsten Generation.

Da eine PEMS-Einheit leicht von einer Person von Baustelle zu Baustelle getragen werden kann und ohne „Team-Heben“ eingesetzt werden kann, sind die erforderlichen Emissionsprüfungsprojekte wirtschaftlich. Einfach ausgedrückt, können mehr Tests schneller und von weniger Mitarbeitern durchgeführt werden, was die Anzahl der Tests in einem bestimmten Zeitraum dramatisch erhöht. Dies wiederum reduziert die „Kosten pro Test“ erheblich, erhöht aber gleichzeitig die Gesamtgenauigkeit, die in einer „realen“ Umgebung erforderlich ist. Da das Gesetz der großen Zahlen zu einer Konvergenz der Ergebnisse führt, bedeutet dies, dass die Wiederholbarkeit, Vorhersagbarkeit und Genauigkeit verbessert werden, während gleichzeitig die Gesamtkosten des Tests gesenkt werden.

Von PEMS ermittelte Emissionsmuster im Straßenverkehr

Nahezu alle modernen Motoren produzieren im Neuzustand und nach den anerkannten Prüfprotokollen in einem Labor relativ niedrige Emissionen innerhalb der festgelegten Standards. Da alle Einzelmotoren der gleichen Baureihe identisch sein sollen, werden nur ein oder mehrere Motoren jeder Baureihe getestet. Die Tests haben gezeigt, dass:

  1. Der Großteil der Gesamtemissionen kann aus relativ kurzen Episoden mit hohen Emissionen stammen
  2. Die Emissionscharakteristik kann auch bei ansonsten identischen Motoren unterschiedlich sein
  3. Emissionen außerhalb der Laborprüfverfahren sind oft höher als unter den vergleichbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen wie bei Laborprüfungen
  4. Emissionen verschlechtern sich über die Nutzungsdauer der Fahrzeuge deutlich
  5. Die Verschlechterungsraten variieren stark, wobei die hohen Emissionsraten oft auf verschiedene mechanische Fehlfunktionen zurückzuführen sind

Diese Ergebnisse stimmen mit der veröffentlichten Literatur und den Daten aus einer Vielzahl von nachfolgenden Studien überein. Sie sind für Ottomotoren und weniger deutlich zu Dieseln, aber mit den regulierungsbedingt Fortschritten in der Dieselmotortechnologie (vergleichbar mit den Fortschritten in der fremdgezündeten Motoren seit den 1970er Jahren) ist zu erwarten, dass diese Ergebnisse sind wahrscheinlich auf die Dieselmotoren der neuen Generation anwendbar sein. Seit dem Jahr 2000 haben mehrere Unternehmen PEMS-Daten verwendet, um die Emissionen auf der Straße von Hunderten von Dieselmotoren zu messen, die in Schulbussen, Nahverkehrsbussen, Lieferwagen, Pflug-LKWs, Straßen-LKWs, Pickups, Lieferwagen, Gabelstaplern installiert sind , Bagger, Generatoren, Lader, Kompressoren, Lokomotiven, Passagierfähren und andere On-Road-, Off-Road- und Non-Road-Anwendungen . Alle zuvor aufgeführten Ergebnisse wurden nachgewiesen; Zudem wurde festgestellt, dass ein längerer Leerlauf von Motoren einen erheblichen Einfluss auf die Emissionen im späteren Betrieb haben kann.

Außerdem wurden bei PEMS-Tests mehrere Motor-"Anomalien" festgestellt, bei denen die kraftstoffspezifischen NOx-Emissionen in einigen Betriebsmodi zwei- bis dreimal höher waren als erwartet, was auf absichtliche Änderungen der Einstellungen der Motorsteuereinheit (ECU) hindeutet . Ein solcher Datensatz kann ohne weiteres für die Entwicklung von Emissionsinventaren sowie für die Bewertung verschiedener Verbesserungen bei Motoren, Kraftstoffen, Abgasnachbehandlung und anderen Bereichen verwendet werden. (Daten, die bei "konventionellen" Flotten gesammelt wurden, dienen dann als "Basis"-Daten, mit denen verschiedene Verbesserungen verglichen werden.) Dieser Datensatz kann auch auf die Einhaltung von Nicht-Überschreitungs-(NTE)- und In-Use- Emissionsstandards untersucht werden , die "US-basierte" Emissionsnormen, die Tests auf der Straße erfordern.

Genauigkeit von PEMS

1065 PEMS von AVL - an einem Pkw angebracht attached

Für PEMS ist es oft schwierig, die gleiche Genauigkeit und Vielfalt der gemessenen Spezies zu bieten, wie dies mit erstklassigen Laborinstrumenten möglich ist, da PEMS typischerweise in Größe, Gewicht und Stromverbrauch begrenzt sind. Aus diesem Grund wurden Einwände gegen den Einsatz von PEMS zur Konformitätsprüfung erhoben. Aber auch bei den aus Labormessungen abgeleiteten Flottenemissionen besteht das Potenzial für Ungenauigkeiten. Aus diesem Grund werden europäische WLTP- Ergebnisse von PEMS mit einem Konformitätsfaktor von 2,1 (1,5 nach 2019) gewichtet, dh die vom PEMS gemessenen Emissionen dürfen um den Faktor 2,1 über dem Grenzwert liegen.

Es wird erwartet, dass eine Vielzahl von Bordsystemen entwickelt wird, von PEMS in Brotkastengröße bis hin zu instrumentierten Anhängern, die hinter dem getesteten Lastwagen gezogen werden. Die Vorteile jedes Ansatzes müssen vor dem Hintergrund anderer Fehlerquellen im Zusammenhang mit der Emissionsüberwachung, insbesondere der Unterschiede zwischen Fahrzeugen und der Emissionsvariabilität innerhalb des Fahrzeugs selbst, betrachtet werden.

Zusätzliche PEMS-Kriterien

Sensors Inc. PEMS-Ausrüstung

PEMS müssen für den Einsatz auf öffentlichen Straßen sicher genug sein. Während der Tests könnten tragbare Abgassysteme Verlängerungen des Auspuffrohrs anbringen, Leitungen und Kabel außerhalb des Fahrzeugs anbringen, Blei-Säure-Batterien im Fahrgastraum tragen, heiße Komponenten für Umstehende zugänglich machen, Notausgänge blockieren oder den Fahrer stören oder haben lose Teile, die sich in beweglichen Teilen verfangen könnten. Modifikationen oder Demontagen des geprüften Fahrzeugs, wie das Bohren in den Auspuff oder das Entfernen des Ansaugluftsystems, müssen sowohl von Flottenmanagern als auch von Fahrern auf ihre Akzeptanz geprüft werden, insbesondere bei Pkw-Fahrzeugen. Das Prüfgerät kann dem Prüffahrzeug keine übermäßige elektrische Last entziehen. Stattdessen wurden versiegelte Blei-Säure-Batterien, Brennstoffzellen und Generatoren als externe Energiequellen verwendet, obwohl sie während des Fahrens andere Gefahren hinzufügen können.

Je mehr Zeit und Fachwissen die Installation der Ausrüstung erfordert, desto höher sind die Testkosten, wodurch die Anzahl der zu testenden Fahrzeuge begrenzt wird. Mit einer Ausrüstung, die vielseitig genug ist, um an mehr als einem Fahrzeugtyp verwendet zu werden, sind auch mehr Tests möglich. Das Gewicht und die Größe des Geräts und der Verbrauchsmaterialien wie Kalibriergase können den Umzug an eine ausreichende Anzahl von Orten einschränken. Eventuelle Beschränkungen für den Transport gefährlicher Stoffe ( zB Flammenionisationsdetektor (FID) Brennstoff oder Kalibriergase) müssen berücksichtigt werden. Die Fähigkeit der Testcrew, PEMS im Feld mit lokal verfügbaren Ressourcen zu reparieren, kann ebenfalls von entscheidender Bedeutung sein.

PEMS-Eignung für die Anwendung

Letztlich soll gezeigt werden, dass ein PEMS für die gewünschte Anwendung geeignet ist. Wenn das ultimative Ziel darin besteht, die Einhaltung der Emissionsanforderungen im Einsatz zu überprüfen, sollte eine Fahrzeugflotte mit bekannten Eigenschaften – einschließlich Motoren mit Dual-Mapping und ansonsten nicht konformen Motoren – für die Prüfung zur Verfügung gestellt werden. Es sollte dann an den PEMS-Herstellern liegen, praktisch zu demonstrieren, wie diese nicht konformen Fahrzeuge mit ihrem System identifiziert werden können.

Prüfvolumen und sichere Wiederholbarkeit

Um das erforderliche 'Testvolumen' zu erreichen, das für die Validierung von realen Tests erforderlich ist, müssen drei Punkte berücksichtigt werden:

  1. Systemgenauigkeit
  2. Bundes- und/oder staatliche Gesundheits- und Sicherheitsrichtlinien und/oder -standards
  3. Wirtschaftlichkeit basierend auf den ersten beiden Punkten.

Sobald ein bestimmtes tragbares Emissionssystem identifiziert und als genau erklärt wurde, besteht der nächste Schritt darin, sicherzustellen, dass die Arbeitnehmer ordnungsgemäß vor Arbeitsgefahren im Zusammenhang mit der/den bei der Verwendung der Prüfausrüstung(en) ausgeführten Aufgabe(n) geschützt sind. Typische Funktionen für einen Arbeiter können zum Beispiel sein, die Ausrüstung zur Baustelle zu transportieren (z. B. Auto, Lastwagen, Zug oder Flugzeug), die Ausrüstung zur Baustelle zu tragen und die Ausrüstung in Position zu heben.

Vorteile von PEMS

Die Abgasuntersuchung von Straßenfahrzeugen unterscheidet sich stark von der Laboruntersuchung, was sowohl erhebliche Vorteile als auch Herausforderungen mit sich bringt: Da die Untersuchung während des regulären Betriebs der getesteten Fahrzeuge erfolgen kann, kann eine große Anzahl von Fahrzeugen innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums von Zeit und zu relativ geringen Kosten. Motoren, die sonst nicht einfach getestet werden können (dh Antriebsmotoren für Fährschiffe ) können getestet werden. Echte Emissionsdaten aus der realen Welt können erhalten werden. Die Instrumente müssen klein und leicht sein, schwierigen Umgebungsbedingungen standhalten und dürfen kein Sicherheitsrisiko darstellen. Emissionsdaten unterliegen erheblichen Abweichungen, da die realen Bedingungen oft weder klar definiert noch wiederholbar sind und selbst bei ansonsten identischen Motoren erhebliche Emissionsschwankungen auftreten können. Die Emissionsprüfung auf der Straße erfordert daher eine andere Denkweise als der traditionelle Ansatz, im Labor zu testen und Modelle zur Vorhersage der realen Leistung zu verwenden. In Ermangelung etablierter Methoden erfordert der Einsatz von PEMS einen sorgfältigen, durchdachten und breit angelegten Ansatz. Dies sollte bei der Entwicklung, Bewertung und Auswahl von PEMS für die gewünschte Anwendung berücksichtigt werden.

Ein aktuelles Beispiel für die Vorteile von PEMS gegenüber Labortests ist der Volkswagen (VW) Skandal von 2015 . Im Rahmen eines kleinen Zuschusses des International Council for Clean Transportation deckte Dr. Daniel K. Carder von der West Virginia University (WVU) On-Board-Software-„Cheats“ auf, die VW auf einigen Diesel-Pkw installiert hatte ( Dieselgate- Skandal). Die einzige Möglichkeit, die Entdeckung zu machen, war eine nicht programmierte, zufällige Auswertung auf der Straße – unter Verwendung eines PEMS-Geräts. VW muss nun über 14 Milliarden US-Dollar Bußgelder zahlen. Im Jahr 2016 führten diese jüngsten Entwicklungen zu einem weltweiten Wiederaufleben des Interesses an kleineren, leichteren, integrierten und kostengünstigen „Nicht-1065“-PEMS, ähnlich der Demonstration auf der Mythbusters-Premiere-Episode 2011 von „Bikes and Bazookas“ , in der a Nicht-1065-PEMS wurde verwendet, um den Unterschied zwischen Auto- und Motorradverschmutzung festzustellen.

Unterkategorie: integriertes PEMS (iPEMS)

"integrierte" PEMS-Ausrüstung der nächsten Generation

Überblick über die Entwicklung integrierter PEMS (iPEMS)

Als Reaktion auf Dieselgate wurde in der Europäischen Union (EU) der " Real Driving Emissions " (RDE)-Standard entwickelt, der wiederum die Nachfrage nach kleineren, leichteren, tragbareren, kostengünstigeren und integrierten PEMS-Ausrüstungssätzen erhöht hat. iPEMS-Geräte können derzeit in den USA nicht als "Zertifizierungsgerät" verwendet werden

Definition von iPEMS

Die folgenden Merkmale sind der kleineren und leichteren Klasse von iPEMS-Geräten gemeinsam:

  1. Ein komplettes, in sich geschlossenes und intern modulares Portable Emissions Measurement System (PEMS)-Kit
  2. einschließlich einer eingebauten Bordstromquelle,
  3. nicht mehr als 7 kg Gesamtgewicht (inklusive Tragekoffer, Auspuffanschlüsse und eventuell zusätzlich benötigter Ausrüstung),
  4. kann von einer (1) Person getragen werden,
  5. die durch ein Flughafenterminal transportiert und im Gepäckfach eines Flugzeugs aufbewahrt werden können;
  6. Nach dem Einsatz an einem Feldstandort kann das iPEMS die Fahrzeuge innerhalb von 30 Minuten testen (vorausgesetzt, dass das erforderliche Bordnetzteil aufgeladen wurde);
  7. die Dauer der Prüfzeitfähigkeit des integrierten Netzteils beträgt mindestens zwei (2) Stunden;
  8. Die Mindestfähigkeiten für Schadstoffprüfungen müssen Folgendes umfassen: Stickoxide (NOx), Kohlendioxid (CO2) und entweder Partikel (PM) oder Partikelanzahl (PN);
  9. Die Testgenauigkeit muss innerhalb von 10 % (oder besser) eines 1065 PEMS liegen.

Vorteile von iPEMS gegenüber 1065 PEMS-Geräten

Der Vorteil von iPEMS-Geräten besteht darin, dass sie sowohl 1065 PEMS ergänzen als auch erweiterte Funktionen bieten, die durch die Anforderungen an eine schnellere Entscheidungsfindung getrieben werden, die durch den Volkswagen-Skandal 2015 noch verstärkt werden. Diese Geräte werden derzeit sowohl von der Europäischen Union (EU) als auch von China für ihre RDE-Programme verfolgt.

Siehe auch

Verweise

Externe Links