Портативная система измерения выбросов ( PEMS ) — это устройство для проверки выбросов транспортных средств , которое достаточно мало и легко, чтобы его можно было переносить внутри или перемещать вместе с транспортным средством , движущимся во время испытаний, а не на стационарных роликах динамометра , который только имитирует реальное вождение.
Ранние образцы оборудования для измерения выбросов мобильных транспортных средств были разработаны и выпущены на рынок в начале 1990-х годов британской лабораторией Warren Spring в начале 1990-х годов, которая использовалась для измерения выбросов на дорогах в рамках Программы исследований окружающей среды Великобритании. Правительственные учреждения, такие как Агентство по охране окружающей среды США (USEPA), а также различные государственные и частные организации начали использовать PEMS для сокращения как затрат, так и времени, затрачиваемого на принятие решений по выбросам мобильных средств.
Европейская комиссия ввела PEMS в качестве обязательного требования для одобрения типа легкового транспортного средства в 2016 году, внеся поправки в регламент, принятый в 2007 году. [1]
Лео Бретон из Агентства по охране окружающей среды США изобрел Real-time On-road Vehicle Emissions Reporter (ROVER) в 1995 году. [2] [3] Первое коммерчески доступное устройство было изобретено Михалом Войтишек-Ломом [4] и разработано Дэвидом Миллером из Clean Air Technologies International (CATI) Inc. в Буффало, штат Нью-Йорк, в 1999 году. Эти ранние полевые устройства использовали данные двигателя либо с порта бортовой диагностики (OBD), либо напрямую с массива датчиков двигателя . Первое устройство было разработано и продано - доктору Х. Кристоферу Фрею из Университета штата Северная Каролина (NCSU) для первого проекта по испытаниям на дороге, который спонсировался Департаментом транспорта Северной Каролины. [5] Дэвид У. Миллер, который был соучредителем CATI, впервые придумал фразу «Портативная система измерения выбросов» и «PEMS», работая над 2000
Автобусный проект New York City Metropolitan Transportation Agency с доктором Томасом Ланни из Департамента охраны окружающей среды штата Нью-Йорк [6] — краткое описание нового устройства. Другие правительственные группы и университеты вскоре последовали их примеру и быстро начали использовать оборудование из-за его баланса точности, низкой стоимости, легкого веса и доступности. С 1999 по 2004 год исследовательские группы, такие как Virginia Tech, [7] Penn State и Texas A&M Transportation Institute, [8] Texas Southern University и другие, начали использовать PEMS в проектах по пересечению границ, оценке дорог, методах управления дорожным движением, сценариях «до и после», [ необходимо разъяснение ] и паромах, самолетах и внедорожных транспортных средствах, чтобы исследовать, что возможно за пределами лабораторной среды. [9] [10] [11] [12] Проект, выполненный в апреле 2002 года Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB) - с использованием оборудования PEMS, отличного от 1065, [13] протестировал 40 грузовиков в течение 2½ дней; [14] из которых 22 грузовика были испытаны на дороге в Туларе, Калифорния. В это время громким проектом, выполненным с использованием раннего оборудования PEMS, был проект Ground Zero Всемирного торгового центра (WTC) в нижнем Манхэттене, [15] в рамках которого были испытаны бетононасосы, бульдозеры, грейдеры, а позднее - дизельные краны на здании № 7 - высотой в 40 этажей. Другие ранние проекты PEMS, такие как полевые работы доктора Криса Фрея, были использованы USEPA при разработке модели MOVES. [16] Однако пользователям, таким как регуляторы и производители транспортных средств, пришлось ждать, пока ROVER будет коммерциализирован, чтобы проводить фактические измерения массовых выбросов, а не зависеть от оценок массовых выбросов с использованием данных порта OBD или прямого измерения двигателя, чтобы иметь более обоснованный набор данных. Этот толчок привел к появлению нового стандарта 2005 года, известного как CFR 40 Часть 1065. [17]
Многие правительственные организации (такие как USEPA и Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата или РКИК ООН ) определили целевые загрязняющие вещества мобильных источников в различных мобильных стандартах, таких как CO2 , NOx , твердые частицы (PM), оксид углерода ( CO), углеводороды (HC), чтобы гарантировать соблюдение стандартов выбросов. Кроме того, эти руководящие органы начали принимать программу испытаний в процессе эксплуатации для внедорожных дизельных двигателей , а также других типов двигателей внутреннего сгорания и требуют использования испытаний PEMS. Важно разграничить различные классификации новейшего «передаваемого» оборудования для испытаний выбросов от оборудования PEMS, чтобы лучше понять потребность в портативности при полевых испытаниях выбросов.
Поскольку блок PEMS может легко переноситься одним человеком с одного рабочего места на другое и может использоваться без необходимости «поднимать команду», требуемые проекты по тестированию выбросов являются экономически жизнеспособными. Проще говоря, больше испытаний может быть выполнено быстрее, меньшим количеством рабочих, что значительно увеличивает объем испытаний, проводимых за определенный период времени. Это, в свою очередь, значительно снижает «стоимость одного испытания», но в то же время увеличивает общую точность, требуемую в «реальной» среде. [18] Поскольку закон больших чисел создаст сходимость результатов, это означает, что повторяемость, предсказуемость и точность улучшаются, одновременно снижая общую стоимость испытаний.
Почти все современные двигатели, когда они тестируются новыми 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, тестируются только один или несколько двигателей каждой серии. Тесты показали, что:
Эти результаты согласуются с опубликованной литературой и данными множества последующих исследований. Они больше применимы к двигателям с искровым зажиганием и значительно меньше к дизелям, но с учетом прогресса в технологии дизельных двигателей, обусловленного регулированием (сравнимого с прогрессом в двигателях с искровым зажиганием с 1970-х годов), можно ожидать, что эти результаты, вероятно, будут применимы к дизельным двигателям нового поколения. С 2000 года несколько организаций использовали данные PEMS для измерения выбросов в процессе эксплуатации на дорогах сотен дизельных двигателей, установленных на школьных автобусах, транзитных автобусах, грузовиках для доставки, снегоочистителях, грузовиках для бездорожья, пикапах, фургонах, вилочных погрузчиках, экскаваторах, генераторах, погрузчиках, компрессорах, локомотивах, пассажирских паромах и других дорожных, внедорожных и недорожных применениях . Все ранее перечисленные результаты были продемонстрированы; кроме того, было замечено, что продолжительная работа двигателей на холостом ходу может оказать значительное влияние на выбросы во время последующей эксплуатации.
Кроме того, тестирование PEMS выявило несколько «аномалий» двигателя, когда выбросы NOx, связанные с конкретным топливом, были в два-три раза выше ожидаемых в некоторых режимах работы, что предполагает преднамеренные изменения настроек блока управления двигателем (ECU). Такой набор данных можно легко использовать для разработки кадастров выбросов, а также для оценки различных улучшений в двигателях, топливе, последующей обработке выхлопных газов и других областях. (Данные, собранные по «обычным» паркам, затем служат «базовыми» данными, с которыми сравниваются различные улучшения.) Этот набор данных также можно проверить на соответствие стандартам выбросов «не превышать» (NTE) и «используемым» стандартам выбросов , которые являются «американскими» стандартами выбросов, требующими дорожных испытаний.
Часто бывает трудно для PEMS предложить ту же точность и разнообразие видов, которые возможны с помощью первоклассных лабораторных приборов, поскольку PEMS, как правило, ограничены по размеру, весу и энергопотреблению. По этой причине были высказаны возражения [ кем? ] против использования PEMS для проверки соответствия. Но также существует вероятность неточности в выбросах автопарка, выведенных из лабораторных измерений. По этой причине европейские результаты WLTP от PEMS будут взвешены с коэффициентом соответствия 2,1 (1,5 после 2019 года), т. е. выбросы, измеренные PEMS, могут быть на коэффициент 2,1 выше предела. [19]
Ожидается [20] , что будут разработаны различные бортовые системы, начиная от PEMS размером с хлебницу [21] [22] до оснащенных измерительными приборами прицепов, буксируемых позади испытываемого грузовика. [23] 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.
PEMS должны быть достаточно безопасными для использования на дорогах общего пользования. Во время испытаний переносные системы выбросов могут прикреплять удлинители выхлопной трубы, добавлять линии и кабели снаружи транспортного средства, перевозить свинцово-кислотные батареи в салоне, иметь горячие компоненты, доступные для посторонних, блокировать аварийные выходы, мешать водителю или иметь незакрепленные компоненты, которые могут попасть в движущиеся части. Модификации или разборка испытываемого транспортного средства, такие как сверление выхлопной трубы или удаление системы впуска воздуха, должны быть рассмотрены на предмет их приемлемости как менеджерами автопарка, так и водителями, особенно на транспортных средствах для перевозки пассажиров. Испытательное оборудование не может потреблять чрезмерную электрическую нагрузку от испытываемого транспортного средства. Вместо этого в качестве внешних источников питания использовались герметичные свинцово-кислотные батареи, топливные элементы и генераторы , хотя они могут добавлять другие опасности во время вождения.
Чем больше времени и опыта требуется для установки оборудования, тем выше стоимость испытаний, что ограничивает количество транспортных средств, которые могут быть испытаны. Больше испытаний также возможно с оборудованием, которое достаточно универсально 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-ионизационного детектора (ПИД) или калибровочных газов) должны быть приняты во внимание. Способность испытательной бригады ремонтировать PEMS в полевых условиях с использованием местных ресурсов также может иметь важное значение.
В конечном итоге, необходимо продемонстрировать, что PEMS подходит для желаемого применения. Если конечной целью является проверка соответствия требованиям по выбросам в процессе эксплуатации, необходимо предоставить для тестирования парк транспортных средств с известными характеристиками, включая двигатели с двойным отображением и иным образом не соответствующие требованиям двигатели. Затем производители PEMS должны на практике продемонстрировать, как можно идентифицировать эти не соответствующие требованиям транспортные средства с помощью их системы.
Чтобы достичь требуемого «объема тестирования», необходимого для подтверждения результатов реальных испытаний, необходимо учитывать три момента:
После того, как конкретная переносная система выбросов была идентифицирована и объявлена точной, следующим шагом является обеспечение надлежащей защиты рабочего(их) от опасностей, связанных с задачей(ями), выполняемой(ыми) при использовании испытательного оборудования. Например, типичными функциями рабочего могут быть транспортировка оборудования на рабочую площадку (т. е. автомобиль, грузовик, поезд или самолет), перенос оборудования на рабочую площадку и подъем оборудования на место.
Испытания выбросов транспортных средств на дороге сильно отличаются от лабораторных испытаний, принося как значительные преимущества, так и трудности: поскольку испытания могут проводиться во время обычной эксплуатации испытываемых транспортных средств, большое количество транспортных средств может быть испытано в течение относительно короткого периода времени и при относительно низких затратах. Можно испытывать двигатели, которые невозможно легко проверить иным способом (например, двигатели паромных тягачей ). Можно получить истинные данные о выбросах в реальном мире. Приборы должны быть небольшими, легкими, выдерживать сложные условия и не должны представлять угрозы безопасности. Данные о выбросах подвержены значительным отклонениям, поскольку реальные условия часто не являются ни четко определенными, ни повторяемыми, и значительные отклонения в выбросах могут существовать даже среди в остальном идентичных двигателей. Поэтому испытания выбросов на дороге требуют иного мышления, чем традиционный подход к испытаниям в лаборатории и использованию моделей для прогнозирования реальных характеристик. При отсутствии установленных методов использование PEMS требует осторожного, вдумчивого, широкого подхода. Это следует учитывать при проектировании, оценке и выборе PEMS для желаемого применения.
Недавним примером преимуществ PEMS по сравнению с лабораторными испытаниями является скандал с Volkswagen (VW) 2015 года . [24] [25] В рамках небольшого гранта от Международного совета по чистому транспорту (icct) Дэниел К. Кардер из Университета Западной Вирджинии (WVU) раскрыл «мошенничество» бортового программного обеспечения, которое VW установил на некоторые дизельные легковые автомобили ( скандал Dieselgate ). Единственным способом сделать это открытие была незапрограммированная, случайная оценка на дороге — с использованием устройства PEMS. Теперь VW несет ответственность за штрафы в размере более 14 миллиардов долларов США. В 2016 году эти новейшие разработки привели к глобальному всплеску интереса к более компактным, легким, интегрированным и экономически эффективным ПЭМС «не 1065», аналогичным демонстрации в 171-м эпизоде «Мотоциклы и базуки» шоу MythBusters 2011 , в котором ПЭМС не 1065 использовался для установления разницы между загрязнением от автомобилей и мотоциклов.
Обзор разработки интегрированной PEMS (iPEMS)
В ответ на « дизельгейт » в Европейском союзе (ЕС) был разработан стандарт «Выбросы при реальном вождении» (RDE), который, в свою очередь, увеличил спрос на более компактные, легкие, портативные, менее дорогие и интегрированные комплекты оборудования PEMS [26] . Оборудование iPEMS в настоящее время не может использоваться в качестве «сертификационного» устройства в США.
Определение iPEMS
Для меньшего и легкого класса оборудования iPEMS характерны следующие особенности:
Преимущества iPEMS по сравнению с оборудованием PEMS 1065
Преимущество оборудования iPEMS заключается в том, что оно разработано как для дополнения 1065 PEMS, так и для предоставления расширенных возможностей, которые обусловлены требованиями более быстрого принятия решений, усугубленными скандалом Volkswagen 2015 года. В настоящее время эти устройства рассматриваются как Европейским союзом (ЕС), так и Китаем для их программ RDE. [27]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)