Sistema portátil de medição de emissões - Portable emissions measurement system

Um CATI PEMS sendo amarrado dentro de um veículo

Um sistema portátil de medição de emissões ( PEMS ) é um dispositivo de teste de emissões de veículos que é pequeno e leve o suficiente para ser transportado para dentro ou movido com um veículo motorizado que está sendo conduzido durante o teste, em vez de nos rolos estacionários de um dinamômetro que apenas simula reais -mundo dirigindo.

Os primeiros exemplos de equipamentos de emissões de veículos móveis foram desenvolvidos e comercializados no início de 1990 pelo Warren Spring Laboratory UK durante o início de 1990, que foi usado para medir as emissões em estradas como parte do Programa de Pesquisa Ambiental do Reino Unido. Agências governamentais como a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (USEPA), União Europeia e vários estados e entidades privadas começaram a usar o PEMS para reduzir os custos e o tempo envolvidos na tomada de decisões sobre emissões móveis.

Introdução do PEMS

Leo Breton, da US EPA, inventou o Real-time On-road Vehicle Emissions Reporter (ROVER) em 1995. O primeiro dispositivo disponível comercialmente foi inventado por Michal Vojtisek-Lom e desenvolvido por David Miller da Clean Air Technologies International (CATI) Inc Em Buffalo, Nova York, em 1999. Esses primeiros dispositivos de campo usavam dados do motor de uma porta de diagnóstico on-board (OBD) ou diretamente de um conjunto de sensores do motor. A primeira unidade foi desenvolvida e vendida para - Dr. H. Christopher Frey da Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) para o primeiro projeto de teste na estrada, que foi patrocinado pelo Departamento de Transporte da Carolina do Norte. David W. Miller, co-fundador do CATI, cunhou pela primeira vez a frase "Sistema Portátil de Medição de Emissões" e "PEMS" ao trabalhar em um 2000

Um teste CATI PEMS em campo no World Trade Center em 2002

Projeto de ônibus da Agência Metropolitana de Transporte da Cidade de Nova York com o Dr. Thomas Lanni, do Departamento de Conservação Ambiental do Estado de Nova York, como uma breve descrição do novo dispositivo. Outros grupos governamentais e universidades logo o seguiram e rapidamente começaram a usar o equipamento devido ao seu equilíbrio entre precisão, baixo custo, peso leve e disponibilidade. De 1999 a 2004, grupos de pesquisa como Virginia Tech, Penn State e Texas A&M Transportation Institute, Texas Southern University e outros começaram a usar PEMS em projetos de travessia de fronteira, avaliações de rodovias, métodos de controle de tráfego, cenários de antes e depois e balsas, aviões e veículos off-road, para explorar o que era possível fora de um ambiente de laboratório. Um projeto executado em abril de 2002 pelo California Air Resources Board (CARB) - usando equipamentos não-1065 PEMS, testou 40 caminhões em um período de 2 dias e meio; dos quais, 22 caminhões foram testados em estradas em Tulare, Califórnia. Durante esse tempo, um projeto de alto nível realizado com os primeiros equipamentos PEMS foi o Projeto Ground Zero do World Trade Center (WTC) em Manhattan, testando bombas de concreto, escavadeiras, motoniveladoras e, mais tarde - guindastes a diesel no Edifício # 7 - 40 andares de altura . Outros projetos iniciais do PEMS, como o trabalho de campo do Dr. Chris Frey, foram usados ​​pela USEPA no desenvolvimento do modelo MOVES. No entanto, os usuários, como reguladores e fabricantes de veículos, tiveram que esperar que ROVER fosse comercializado para realizar medições reais de emissões de massa em vez de depender de estimativas de emissões de massa usando dados da porta OBD, ou uma medição direta do motor, a fim de ter mais conjunto de dados defensável. Esse impulso levou a um novo padrão de 2005 conhecido como CFR 40 Parte 1065.

Muitas entidades governamentais (como a USEPA e a Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima ou UNFCCC ) identificaram poluentes de origem móvel em vários padrões móveis como CO2 , NOx , Material Particulado (PM), Monóxido de Carbono (CO), Hidrocarbonetos ( HC), para garantir que os padrões de emissões estão sendo atendidos. Além disso, esses órgãos governamentais começaram a adotar um programa de testes em uso para motores a diesel não rodoviários , bem como outros tipos de motores de combustão interna, e estão exigindo o uso de testes PEMS. É importante delinear as várias classificações dos mais recentes equipamentos de teste de emissões 'transferíveis' do equipamento PEMS, a fim de compreender melhor o desejo de portabilidade em testes de campo de emissões.

Vantagem econômica do equipamento PEMS

Um dispositivo "PEMS integrado" (iPEMS) de última geração.

Como uma unidade PEMS pode ser transportada facilmente por uma pessoa do local de trabalho para o local de trabalho, e pode ser usada sem a necessidade de 'levantamento da equipe', os projetos de teste de emissões exigidos são economicamente viáveis. Simplificando, mais testes podem ser feitos mais rapidamente, por menos trabalhadores, aumentando drasticamente a quantidade de testes feitos em um determinado período de tempo. Isso, por sua vez, reduz significativamente o 'custo por teste', mas ao mesmo tempo aumenta a precisão geral necessária em um ambiente de 'mundo real'. Como a lei dos grandes números criará uma convergência de resultados, isso significa que a repetibilidade, a previsibilidade e a precisão são aprimoradas, ao mesmo tempo que reduz o custo geral do teste.

Padrões de emissões na estrada identificados pelo PEMS

Quase todos os motores modernos, quando testados como novos e de acordo com os protocolos de teste aceitos em um laboratório, produzem emissões relativamente baixas dentro dos padrões estabelecidos. Como todos os motores individuais da mesma série são supostamente idênticos, apenas um ou vários motores de cada série são testados. Os testes mostraram que:

  1. A maior parte das emissões totais pode vir de episódios relativamente curtos de altas emissões
  2. As características das emissões podem ser diferentes, mesmo entre motores idênticos
  3. As emissões fora dos limites dos procedimentos de teste de laboratório são frequentemente maiores do que sob as condições operacionais e ambientais comparáveis ​​àquelas durante os testes de laboratório
  4. As emissões se deterioram significativamente ao longo da vida útil dos veículos
  5. Existem grandes variações entre as taxas de deterioração, com as altas taxas de emissões muitas vezes atribuídas a vários defeitos mecânicos

Essas descobertas são consistentes com a literatura publicada e com os dados de uma miríade de estudos subsequentes. Eles são mais aplicáveis ​​a motores de ignição por centelha e consideravelmente menos a diesel, mas com os avanços regulados na tecnologia de motores a diesel (comparáveis ​​aos avanços em motores de ignição por centelha desde 1970), pode-se esperar que essas descobertas sejam prováveis ser aplicável aos motores diesel de nova geração. Desde 2000, várias entidades têm usado dados PEMS para medir emissões em uso na estrada em centenas de motores a diesel instalados em ônibus escolares, ônibus de trânsito, caminhões de entrega, caminhões de arado, caminhões na estrada, pickups, vans, empilhadeiras , escavadeiras, geradores, carregadeiras, compressores, locomotivas, balsas de passageiros e outras aplicações rodoviárias, off-road e não rodoviárias . Todas as descobertas listadas anteriormente foram demonstradas; além disso, percebeu-se que a marcha lenta prolongada dos motores pode ter um impacto significativo nas emissões durante a operação subsequente.

Além disso, o teste do PEMS identificou várias "anomalias" do motor em que as emissões de NOx específicas do combustível eram duas a três vezes mais altas do que o esperado durante alguns modos de operação, sugerindo alterações deliberadas nas configurações da unidade de controle do motor (ECU). Esse conjunto de dados pode ser prontamente usado para desenvolver inventários de emissões, bem como para avaliar várias melhorias em motores, combustíveis, pós-tratamento de exaustão e outras áreas. (Os dados coletados em frotas "convencionais" servem então como dados de "linha de base" com os quais várias melhorias são comparadas.) Este conjunto de dados também pode ser examinado para conformidade com padrões de emissões não excedentes (NTE) e em uso , que são Padrões de emissão 'baseados nos EUA' que requerem testes em estrada.

Precisão do PEMS

1065 PEMS fabricado pela AVL - instalado em um carro de passageiros

Freqüentemente, é difícil para o PEMS oferecer a mesma precisão e variedade de espécies medidas que é possível com a instrumentação de laboratório de primeira linha porque os PEMS são normalmente limitados em tamanho, peso e consumo de energia. Por esse motivo, foram levantadas objeções ao uso do PEMS para verificação de conformidade. Mas também existe o potencial de imprecisão nas emissões da frota deduzidas de medições de laboratório. Por esta razão, os resultados WLTP europeus do PEMS serão ponderados com um fator de conformidade de 2,1 (1,5 após 2019), ou seja, as emissões medidas pelo PEMS podem ser um fator 2,1 acima do limite.

Espera-se que uma variedade de sistemas de bordo sejam projetados, variando de PEMS do tamanho de uma caixa de pão a reboques instrumentados rebocados atrás do caminhão testado. Os benefícios de cada abordagem precisam ser considerados à luz de outras fontes de erros associados ao monitoramento de emissões, notadamente as diferenças entre veículos e a variabilidade das emissões dentro do próprio veículo.

Critérios PEMS adicionais

Sensors Inc. Equipamento PEMS

O PEMS precisa ser seguro o suficiente para uso em vias públicas. Durante o teste, os sistemas de emissões portáteis podem anexar extensões do tubo de escape, adicionar linhas e cabos fora do veículo, carregar baterias de chumbo-ácido no compartimento do passageiro, ter componentes quentes acessíveis a espectadores, bloquear saídas de emergência ou interferir com o motorista, ou ter componentes soltos que podem ficar presos nas peças móveis. As modificações ou desmontagens do veículo testado, como perfuração no escapamento ou remoção do sistema de admissão de ar, precisam ser examinadas para sua aceitação pelos gerentes de frota e motoristas, especialmente em veículos de transporte de passageiros. O equipamento de teste não pode extrair carga elétrica excessiva do veículo de teste. Em vez disso, baterias de chumbo-ácido seladas, células de combustível e geradores têm sido usados ​​como fontes de energia externas, embora possam adicionar outros perigos durante a direção.

Quanto mais tempo e experiência a instalação do equipamento exigir, maior será o custo do teste, limitando o número de veículos que podem ser testados. Mais testes também são possíveis com equipamentos versáteis o suficiente para serem usados ​​em mais de um tipo de veículo. O peso e o tamanho do equipamento e consumíveis, como gases de calibração, podem limitar a movimentação para um número suficiente de locais. Quaisquer restrições ao transporte de materiais perigosos (ou seja, combustível do detector de ionização de chama (FID) ou gases de calibração) devem ser levadas em consideração. A capacidade da equipe de teste de reparar o PEMS no campo usando os recursos disponíveis localmente também pode ser essencial.

Adequação do PEMS à aplicação

Em última análise, deve-se demonstrar que um PEMS é adequado para a aplicação desejada. Se o objetivo final for verificar a conformidade com os requisitos de emissões em uso, uma frota de veículos com características conhecidas - incluindo motores com mapeamento duplo e outros motores não compatíveis - deve ser disponibilizada para teste. Deve então caber aos fabricantes do PEMS demonstrar na prática como esses veículos não conformes podem ser identificados usando seu sistema.

Volume de teste e repetibilidade segura

A fim de atingir a quantidade necessária de 'volume de teste' necessária para validar o teste do mundo real, três pontos devem ser considerados:

  1. Precisão do sistema
  2. Diretrizes e / ou normas federais e / ou estaduais de saúde e segurança
  3. Viabilidade econômica com base nos dois primeiros pontos.

Uma vez que um sistema de emissões portátil específico tenha sido identificado e declarado como preciso, a próxima etapa é garantir que o (s) trabalhador (es) estejam devidamente protegidos dos riscos do trabalho associados às tarefas sendo realizadas no uso do equipamento de teste. Por exemplo, as funções típicas de um trabalhador podem ser transportar o equipamento até o local de trabalho (ou seja, carro, caminhão, trem ou avião), transportar o equipamento até o local de trabalho e colocá-lo em posição.

Vantagens do PEMS

Os testes de emissões de veículos na estrada são muito diferentes dos testes de laboratório, trazendo benefícios e desafios consideráveis: Como o teste pode ocorrer durante a operação normal dos veículos testados, um grande número de veículos pode ser testado dentro de um período relativamente curto de tempo e a um custo relativamente baixo. Motores que não podem ser facilmente testados de outra forma (ou seja, motores de propulsão de balsas ) podem ser testados. Dados de emissões reais podem ser obtidos. Os instrumentos devem ser pequenos, leves, resistir a ambientes difíceis e não devem representar um risco à segurança. Os dados de emissões estão sujeitos a variações consideráveis, já que as condições do mundo real muitas vezes não são bem definidas nem repetíveis, e variações significativas nas emissões podem existir mesmo entre motores idênticos. Os testes de emissões na estrada, portanto, requerem uma mentalidade diferente da abordagem tradicional de testes em laboratório e uso de modelos para prever o desempenho no mundo real. Na ausência de métodos estabelecidos, o uso do PEMS requer uma abordagem ampla, cuidadosa e cuidadosa. Isso deve ser considerado ao projetar, avaliar e selecionar PEMS para a aplicação desejada.

Um exemplo recente das vantagens do PEMS sobre os testes de laboratório é o Escândalo Volkswagen (VW) de 2015 . Com uma pequena doação do Conselho Internacional para Transporte Limpo, o Dr. Daniel K Carder da West Virginia University (WVU) descobriu "cheats" de software a bordo que a VW instalou em alguns veículos de passageiros a diesel ( escândalo Dieselgate ). A única maneira pela qual a descoberta poderia ter sido feita seria por uma avaliação não programada, aleatória, na estrada - utilizando um dispositivo PEMS. A VW agora é responsável por mais de US $ 14 bilhões em multas. Em 2016, esses desenvolvimentos mais recentes levaram a um ressurgimento global do interesse em PEMS menores, mais leves, integrados e econômicos "não 1065", semelhantes à demonstração no Episódio de estreia Mythbusters 2011 de "Bicicletas e Bazucas" , em que um não-1065 PEMS foi usado para estabelecer a diferença entre a poluição de automóveis e motocicletas.

Subcategoria: PEMS integrados (iPEMS)

Equipamento PEMS "integrado" de próxima geração

Visão geral do desenvolvimento integrado de PEMS (iPEMS)

Em resposta ao Dieselgate , o padrão " Real Driving Emissions " (RDE) foi desenvolvido na União Europeia (UE) que, por sua vez, aumentou a demanda por kits de equipamentos PEMS menores, mais leves, mais portáteis, mais baratos e integrados. O equipamento iPEMS atualmente não pode ser usado como um dispositivo de "certificação" nos EUA

Definição de iPEMS

Os seguintes recursos são comuns à classe menor e mais leve de equipamentos iPEMS:

  1. Um kit completo, independente e internamente modular do Sistema de Medição de Emissões Portáteis (PEMS)
  2. incluindo uma fonte de alimentação integrada,
  3. não mais do que 7 kg de peso total (incluindo maleta de transporte, conectores de exaustão e qualquer equipamento adicional necessário para uso),
  4. capaz de ser carregado por uma (1) pessoa,
  5. que pode ser transportado através de um terminal de aeroporto e armazenado no compartimento superior de um avião;
  6. uma vez implantado em um local de campo, o iPEMS tem a capacidade de testar veículos em 30 minutos (presumindo que o conjunto de energia a bordo necessário foi carregado);
  7. a duração da capacidade de teste do pacote de energia integrado é de no mínimo duas (2) horas;
  8. as capacidades mínimas de teste de poluentes devem incluir: Óxidos de Nitrogênio (NOx), Dióxido de Carbono (CO2) e Material Particulado (PM) ou Número de Partículas (PN);
  9. a precisão do teste deve estar dentro de 10% (ou melhor) de um 1065 PEMS.

Vantagens do iPEMS sobre 1065 equipamentos PEMS

A vantagem do equipamento iPEMS é que eles são projetados para complementar o 1065 PEMS, além de fornecer recursos expandidos, que estão sendo impulsionados pelos requisitos de tomada de decisão mais rápida agravados pelo escândalo da Volkswagen de 2015. Atualmente, esses dispositivos estão sendo procurados pela União Europeia (UE) e pela China para seus programas RDE.

Veja também

Referências

links externos