Портативная система измерения выбросов

CATI PEMS пристегнут внутри автомобиля

Портативная система измерения выбросов ( PEMS ) — это устройство для проверки выбросов транспортных средств , которое достаточно маленькое и легкое, чтобы его можно было носить внутри или перемещать вместе с автомобилем , который движется во время испытаний, а не на неподвижных роликах динамометра , который только имитирует реальный - мир вождения.

Первые образцы оборудования для измерения выбросов мобильных транспортных средств были разработаны и проданы в начале 1990-х годов британским лабораторией Уоррена Спринга в начале 1990-х годов, которое использовалось для измерения выбросов на дорогах в рамках Британской программы исследований окружающей среды. Правительственные учреждения, такие как Агентство по охране окружающей среды США (USEPA), а также различные штаты и частные организации, начали использовать PEMS, чтобы сократить затраты и время, затрачиваемые на принятие решений о выбросах мобильных устройств.

Европейская комиссия легковых ввела PEMS в качестве обязательного требования для утверждения типа автомобилей в 2016 году, внеся поправки в правила, установленные в 2007 году.

Внедрение ПЕМС

Лео Бретон из Агентства по охране окружающей среды США изобрел в 1995 году систему отчетов о выбросах транспортных средств в режиме реального времени (ROVER). Первое коммерчески доступное устройство изобрел Михал Войтишек-Лом. и разработан Дэвидом Миллером из Clean Air Technologies International (CATI) Inc. в Буффало, штат Нью-Йорк, в 1999 году. Эти первые полевые устройства использовали данные двигателя либо из порта бортовой диагностики двигателя (OBD), либо непосредственно из массива датчиков . Первое устройство было разработано и продано доктору Х. Кристоферу Фрею из Университета штата Северная Каролина (NCSU) для первого проекта испытаний на дороге, который спонсировался Министерством транспорта Северной Каролины. Дэвид В. Миллер, соучредитель CATI, впервые придумал фразы «Портативная система измерения выбросов» и «PEMS» во время работы над проектом 2000 года.

Испытания CATI PEMS в полевых условиях во Всемирном торговом центре в 2002 году.

Проект автобуса Транспортного агентства Нью-Йорка совместно с доктором Томасом Ланни из Департамента охраны окружающей среды штата Нью-Йорк, в качестве краткого описания нового устройства. Вскоре последовали другие правительственные группы и университеты, которые быстро начали использовать это оборудование благодаря сочетанию точности, низкой стоимости, легкого веса и доступности. С 1999 по 2004 год исследовательские группы, такие как Virginia Tech, Пенсильванский университет и Техасский транспортный институт A&M, Техасский Южный университет и другие начали использовать PEMS в проектах пересечения границ, оценке дорог, методах управления дорожным движением, сценариях «до» и «после», паромы, самолеты и внедорожники, чтобы исследовать возможности вне лабораторной среды. Проект, выполненный в апреле 2002 года Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB) с использованием оборудования PEMS, отличного от 1065, протестировал 40 грузовиков в течение 2,5 дней; из них 22 грузовика прошли испытания на дороге в Туларе, Калифорния. В это время громким проектом, реализованным с использованием раннего оборудования PEMS, был проект Ground Zero Всемирного торгового центра (WTC) в нижнем Манхэттене, испытания бетононасосов, бульдозеров, грейдеров, а позже и дизельных кранов на здании №7 высотой 40 этажей. Другие ранние проекты PEMS, такие как полевые работы доктора Криса Фрея, были использованы USEPA при разработке модели MOVES. Тем не менее, такие пользователи, как регулирующие органы и производители транспортных средств, должны были дождаться коммерциализации ROVER, чтобы проводить фактические измерения массы выбросов, а не полагаться на оценки массы выбросов с использованием данных порта OBD или прямых измерений двигателя, чтобы иметь более точную информацию. защищенный набор данных. Этот шаг привел к появлению в 2005 году нового стандарта, известного как CFR 40 Part 1065.

Многие правительственные организации (такие как USEPA и Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата или РКИК ООН ) определили целевые загрязнители из мобильных источников в различных мобильных стандартах как CO ₂ , NO _x , твердые частицы (PM), оксид углерода (CO), углеводороды (HC) для обеспечения соблюдения стандартов выбросов. Кроме того, эти руководящие органы начали принимать программу эксплуатационных испытаний для внедорожных дизельных двигателей , а также других типов двигателей внутреннего сгорания и требуют использования испытаний PEMS. Важно разграничить различные классификации новейшего «передаваемого» оборудования для тестирования выбросов от оборудования PEMS, чтобы лучше понять потребность в портативности при полевых испытаниях выбросов.

Экономическая выгода оборудования PEMS

Устройство «интегрированного PEMS» (iPEMS) нового поколения.

Поскольку установку PEMS может легко переносить один человек с рабочей площадки на рабочую площадку и использовать без необходимости «подъёма бригады», необходимые проекты по тестированию выбросов являются экономически жизнеспособными. Проще говоря, большее количество тестов можно проводить быстрее и меньшим количеством работников, что значительно увеличивает объем тестирования, выполняемого за определенный период времени. Это, в свою очередь, значительно снижает «стоимость одного теста», но в то же время увеличивает общую точность, необходимую в «реальной» среде. Поскольку закон больших чисел обеспечивает сходимость результатов, это означает, что повторяемость, предсказуемость и точность улучшаются при одновременном снижении общей стоимости тестирования.

Структура выбросов на дорогах, определенная PEMS

Почти все современные двигатели при испытаниях новых и в соответствии с принятыми протоколами испытаний в лаборатории производят относительно низкие выбросы в пределах установленных стандартов. Поскольку все отдельные двигатели одной серии должны быть идентичными, испытаниям подвергаются только один или несколько двигателей каждой серии. Испытания показали, что:

1. Основная часть общего объема выбросов может быть связана с относительно короткими эпизодами высоких выбросов.
2. Характеристики выбросов могут различаться даже у идентичных двигателей.
3. Выбросы за пределами процедур лабораторных испытаний зачастую выше, чем в условиях эксплуатации и окружающей среды, сопоставимых с условиями лабораторных испытаний.
4. Выбросы значительно ухудшаются в течение срока службы транспортных средств.
5. Существуют большие различия в степени износа, при этом высокие уровни выбросов часто объясняются различными механическими неисправностями.

Эти результаты согласуются с опубликованной литературой и данными множества последующих исследований. Они более применимы к двигателям с искровым зажиганием и значительно меньше к дизелям, но с учетом достижений в технологии дизельных двигателей, обусловленных регулированием (сравнимых с достижениями в двигателях с искровым зажиганием с 1970-х годов), можно ожидать, что эти выводы, вероятно, будут применимо к дизельным двигателям нового поколения. С 2000 года несколько организаций использовали данные PEMS для измерения выбросов в процессе эксплуатации сотен дизельных двигателей, установленных в школьных автобусах, транзитных автобусах, грузовых автомобилях, плугах, внедорожных грузовиках, пикапах, фургонах, вилочных погрузчиках. , экскаваторы, генераторы, погрузчики, компрессоры, локомотивы, пассажирские паромы и другая техника для дорог, бездорожья и бездорожья . Все ранее перечисленные выводы были продемонстрированы; кроме того, было замечено, что продолжительная работа двигателей на холостом ходу может оказать существенное влияние на выбросы при последующей эксплуатации.

Кроме того, испытания PEMS выявили несколько «аномалий» двигателя, при которых выбросы NOx в зависимости от топлива были в два-три раза выше, чем ожидалось, в некоторых режимах работы, что позволяет предположить преднамеренное изменение настроек блока управления двигателем (ECU). Такой набор данных можно легко использовать для составления кадастров выбросов, а также для оценки различных улучшений в двигателях, топливе, доочистке выхлопных газов и других областях. (Данные, собранные по «обычным» автопаркам, затем служат «базовыми» данными, с которыми сравниваются различные улучшения.) Этот набор данных также можно проверить на соответствие непревышаемым (NTE) и действующим стандартам выбросов , которые Стандарты выбросов, принятые в США, требуют испытаний на дороге.

Точность ПЕМС

1065 PEMS производства AVL – установлен на легковой автомобиль

PEMS часто бывает трудно обеспечить такую ​​же точность и разнообразие измеряемых видов, как это возможно с помощью современного лабораторного оборудования, поскольку PEMS обычно ограничены по размеру, весу и энергопотреблению. По этой причине были высказаны возражения против использования PEMS для проверки соответствия. Но существует также вероятность неточности в выбросах автопарка, полученных на основе лабораторных измерений. По этой причине европейские результаты WLTP от PEMS будут иметь коэффициент соответствия 2,1 (1,5 после 2019 года), т. е. выбросы, измеренные с помощью PEMS, могут быть в 2,1 раза выше предельного значения.

Ожидается что будут спроектированы разнообразные бортовые системы, начиная от размером с хлебницу PEMS к оборудованным прицепам, буксируемым за испытуемым грузовиком. Преимущества каждого подхода необходимо рассматривать в свете других источников ошибок, связанных с мониторингом выбросов, в частности, различий между транспортными средствами и изменчивости выбросов внутри самого транспортного средства.

Дополнительные критерии PEMS

Sensors Inc. Оборудование PEMS

PEMS должен быть достаточно безопасным для использования на дорогах общего пользования. Во время испытаний портативные системы выбросов могли прикреплять удлинители выхлопной трубы, добавлять линии и кабели снаружи автомобиля, переносить свинцово-кислотные аккумуляторы в пассажирском салоне, иметь горячие компоненты, доступные для прохожих, блокировать аварийные выходы, мешать водителю или незакреплять компоненты, которые могут быть захвачены движущимися частями. Модификации или разборка испытуемого транспортного средства, такие как сверление выхлопной системы или снятие системы впуска воздуха, должны быть проверены на предмет их принятия как менеджерами автопарка, так и водителями, особенно на пассажирских транспортных средствах. Испытательное оборудование не может потреблять чрезмерную электрическую нагрузку от испытуемого автомобиля. герметичные свинцово-кислотные батареи, топливные элементы и генераторы Вместо этого в качестве внешних источников энергии используются , хотя они могут создавать и другие опасности во время вождения.

Чем больше времени и опыта требуется для установки оборудования, тем выше стоимость испытаний, что ограничивает количество транспортных средств, которые можно протестировать. Дополнительные испытания также возможны с использованием оборудования, достаточно универсального для использования на более чем одном типе транспортных средств. Вес и размер оборудования и расходных материалов, таких как калибровочные газы, могут ограничивать перемещение в достаточное количество мест. любые ограничения на транспортировку опасных материалов (например, топлива для пламенно-ионизационных детекторов Необходимо принимать во внимание (ПИД) или калибровочных газов). Способность испытательной группы ремонтировать PEMS в полевых условиях, используя доступные на месте ресурсы, также может иметь важное значение.

Пригодность PEMS к применению

В конечном итоге необходимо продемонстрировать, что PEMS подходит для желаемого применения. Если конечной целью является проверка соблюдения требований по выбросам при эксплуатации, для испытаний должен быть предоставлен парк транспортных средств с известными характеристиками, включая двигатели с двойным картографированием и двигатели, не соответствующие требованиям. Затем производители PEMS должны на практике продемонстрировать, как эти несоответствующие транспортные средства могут быть идентифицированы с помощью их системы.

Объем испытаний и безопасная повторяемость

Чтобы достичь необходимого объема «объема тестирования», необходимого для проверки реального тестирования, необходимо учитывать три момента:

1. Точность системы
2. Федеральные и/или государственные рекомендации и/или стандарты по охране труда и технике безопасности
3. Экономическая жизнеспособность основана на первых двух пунктах.

После того, как конкретная портативная система выбросов будет идентифицирована и признана точной, следующим шагом будет обеспечение того, чтобы работник(и) были должным образом защищены от производственных опасностей, связанных с задачами, выполняемыми при использовании испытательного оборудования. Например, типичными функциями рабочего могут быть транспортировка оборудования на рабочую площадку (т. е. автомобиль, грузовик, поезд или самолет), доставка оборудования на рабочую площадку и подъем оборудования на место.

Преимущества ПЕМС

Тестирование выбросов транспортных средств на дорогах сильно отличается от лабораторных испытаний, принося как значительные преимущества, так и проблемы: поскольку тестирование может проводиться во время регулярной эксплуатации испытуемых транспортных средств, большое количество транспортных средств может быть проверено в течение относительно короткого периода времени. время и относительно небольшие затраты. Двигатели, которые не могут быть легко испытаны иным способом (например, двигательные установки паромов ), могут быть испытаны. Могут быть получены достоверные данные о реальных выбросах. Приборы должны быть небольшими, легкими, выдерживать сложные условия эксплуатации и не должны представлять угрозу безопасности. Данные о выбросах подвержены значительным расхождениям, поскольку реальные условия часто не являются четко определенными и повторяемыми, а значительные различия в выбросах могут существовать даже среди идентичных в остальном двигателей. Поэтому тестирование выбросов на дороге требует иного мышления, чем традиционный подход к испытаниям в лаборатории и использованию моделей для прогнозирования реальных характеристик. В отсутствие устоявшихся методов использование PEMS требует осторожного, вдумчивого и широкого подхода. Это следует учитывать при проектировании, оценке и выборе PEMS для желаемого применения.

Недавним примером преимуществ PEMS перед лабораторными испытаниями является скандал с Volkswagen (VW) 2015 года . Благодаря небольшому гранту Международного совета по чистому транспорту (ICCT) Дэниел К. Кардер из Университета Западной Вирджинии (WVU) обнаружил «читы» бортового программного обеспечения, которые VW устанавливал на некоторые дизельные пассажирские автомобили ( дизельгейтский скандал). Единственный способ сделать это открытие — это незапрограммированная случайная оценка на дороге с использованием устройства PEMS. Теперь VW несет ответственность за штрафы на сумму более 14 миллиардов долларов США. В 2016 году эти последние разработки привели к глобальному возрождению интереса к меньшим, более легким, интегрированным и экономичным PEMS «не 1065», аналогично демонстрации в MythBusters 2011, эпизод 171 «Велосипеды и базуки», в которой не -1065 PEMS использовался для установления разницы между загрязнением автомобилей и мотоциклов.

Подкатегория: интегрированный PEMS (iPEMS)

«Интегрированное» оборудование PEMS нового поколения

Обзор разработки интегрированного PEMS (iPEMS)

В ответ на Dieselgate в Европейском Союзе (ЕС) был разработан стандарт « Реальные выбросы при вождении » (RDE), что, в свою очередь, увеличило спрос на меньшие, более легкие, более портативные, менее дорогие и интегрированные системы PEMS. комплекты оборудования. Оборудование iPEMS в настоящее время нельзя использовать в качестве «сертификационного» устройства в США.

Определение iPEMS

Следующие функции являются общими для меньшего и легкого класса оборудования iPEMS:

1. Полный, автономный и модульный комплект портативной системы измерения выбросов (PEMS).
2. включая встроенный бортовой источник питания,
3. общий вес не более 7 кг (включая чехол для переноски, вытяжные патрубки и любое дополнительное оборудование, необходимое для использования),
4. возможность переноски одним человеком,
5. которые можно транспортировать через терминал аэропорта и хранить в багажном отделении самолета;
6. после развертывания на полевой площадке система iPEMS способна тестировать транспортные средства в течение 30 минут (при условии, что необходимый бортовой блок питания заряжен);
7. продолжительность тестирования от встроенного блока питания составляет минимум два часа;
8. минимальные возможности тестирования загрязняющих веществ должны включать: оксиды азота (NOx), углекислый газ (CO ₂ ), а также твердые частицы (PM) или количество твердых частиц (PN);
9. Точность тестирования должна быть в пределах 10% (или выше) от 1065 PEMS.

Преимущества iPEMS перед оборудованием 1065 PEMS

Преимущество оборудования iPEMS заключается в том, что оно предназначено как для дополнения 1065 PEMS, так и для предоставления расширенных возможностей, что обусловлено требованиями более быстрого принятия решений, усугубленными скандалом с Volkswagen в 2015 году. Эти устройства в настоящее время разрабатываются как Европейским Союзом (ЕС), так и Китаем для своих программ RDE.

См. также

• Национальные стандарты качества окружающего воздуха (США)
• Скандал с выбросами Volkswagen

Внешние ссылки

• Запрос на получение гранта от Техасской комиссии по качеству окружающей среды для проекта, требующего использования PEMS
• Исследование выбросов снегоходов, проведенное Денверским университетом, использует PEMS для обнаружения выбросов. Выбросы от транспортных средств зимой в Йеллоустонском национальном парке.
• Компания MJ Bradley & Associates, Inc. контролировала выбросы внедорожников на объекте реконструкции Всемирного торгового центра. Исследование технологий контроля дизельных выбросов на внедорожной строительной технике во Всемирном торговом центре и на объекте реконструкции PATH.
• Отчет Университета штата Северная Каролина для USEPA с рекомендациями по разработке следующего поколения устройств PEMS. Рекомендуемая стратегия анализа и сбора бортовых данных о выбросах для модели нового поколения.
• В исследовании биодизеля для Министерства транспорта Северной Каролины, проведенном Университетом штата Северная Каролина, используется устройство PEMS для сбора данных сравнения выбросов. Оперативная оценка выбросов и использования топлива B20 в сравнении с самосвалами, работающими на дизельном топливе.
• Агентства по охране окружающей среды Информационная страница о науке PEMS для 21 века
• Центр транспортных исследований Имперского колледжа Лондона (Великобритания) провел исследование характеристик транспортных средств и собрал данные о выбросах на автомагистрали M42 с помощью устройства PEMS. Мгновенный мониторинг выбросов транспортных средств.
• Недавнее использование и презентации PEMS: Инженерный колледж Калифорнийского университета (UCR) - Центр экологических исследований и технологий (CE-CERT)