携帯型排出ガス測定システム

携帯型排出ガス測定システム（PEMS）は、小型軽量であるため、試験中に走行中の自動車の内部に持ち運んだり、自動車とともに移動させたりできる車両排出ガス試験装置であり、実際の運転状況をシミュレートするだけの固定式ダイナモメーターのローラー上で使用するものとは異なる。

初期の移動式車両排出ガス測定装置は、1990年代初頭に英国のウォーレン・スプリング研究所によって開発・販売され、英国環境研究プログラムの一環として路上排出ガスの測定に使用されました。米国環境保護庁（USEPA）などの政府機関や、各州、民間団体は、移動式排出ガスに関する意思決定にかかるコストと時間を削減するために、PEMS（移動式排出ガス測定システム）の利用を開始しています。

欧州委員会は、 2007年に制定された規則を改正し、2016年に軽自動車の型式承認の必須要件としてPEMSを導入した。 ^{[ 1 ]}

米国環境保護庁 (EPA) のレオ・ブレトンは、1995 年にリアルタイム路上車両排出ガスレポーター (ROVER) を発明しました。^{[ 2 ] [ 3 ]}市販された最初のデバイスは、ミハル・ヴォイティセク＝ロムによって発明され、^{[ 4 ]} 1999 年にニューヨーク州バッファローのクリーンエアテクノロジーズインターナショナル (CATI) Inc. のデビッド・ミラーによって開発されました。これらの初期のフィールドデバイスは、車載診断(OBD) ポートまたはエンジンセンサーアレイから直接エンジンデータを使用しました。最初のユニットは、ノースカロライナ州運輸省が後援する最初の路上試験プロジェクトのために、ノースカロライナ州立大学 (NCSU) の H. クリストファー・フレイ博士向けに開発され、販売されました。 [ ^{5 ] CATI} の共同創設者であるデビッド・W・ミラーは、2000 年に作業中に「ポータブル排出ガス測定システム」および「PEMS」というフレーズを初めて作り出しました。

ニューヨーク州環境保護局のトーマス・ランニ博士とのニューヨーク市都市交通局のバスプロジェクト^{[ 6 ]}は、この新しい装置の簡潔な説明として挙げられます。他の政府機関や大学もすぐにこれに続き、精度、低コスト、軽量、入手しやすさのバランスの良さから、この装置をすぐに使い始めました。1999年から2004年にかけて、バージニア工科大学^{[ 7 ]}、ペンシルベニア州立大学、テキサスA&M交通研究所^{[ 8 ]} 、テキサスサザン大学​​などの研究グループは、国境越えプロジェクト、道路評価、交通管制方法、前後比較シナリオ、フェリー、飛行機、オフロード車などでPEMSを使用し始め、実験室環境の外で何が可能かを探りました。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} 2002 年 4 月にカリフォルニア州大気資源局(CARB) が非 1065 PEMS 機器を使用して実施したプロジェクトでは、^{[ 13 ]} 2 日半にわたって 40 台のトラックをテストしました。^{[ 14 ]}そのうち 22 台のトラックはカリフォルニア州トゥーレアの道路でテストされました。この間、初期の PEMS 機器を使用して実施された注目度の高いプロジェクトは、マンハッタン南部の世界貿易センター (WTC) グラウンド ゼロ プロジェクトで、^{[ 15 ]}コンクリート ポンプ車、ブルドーザー、グレーダー、そして後には高さ 40 階建てのビル #7 でディーゼル クレーンをテストしました。クリス フレイ博士のフィールド ワークなどの他の初期の PEMS プロジェクトは、USEPA が MOVES モデルを開発する際に使用されました。^{[ 16 ]}しかし、規制当局や自動車メーカーなどのユーザーは、OBDポートのデータを使用した質量排出量の推定値やエンジンの直接測定に頼るのではなく、質量排出量の実際の測定を行うためにROVERが商用化されるまで待たなければならず、より妥当なデータセットを得る必要がありました。この動きにより、CFR 40 Part 1065として知られる新しい2005年の基準が制定されました。^{[ 17 ]}

Many governmental entities (such as the USEPA and the United Nations Framework Convention on Climate Change or UNFCCC) have identified target mobile-source pollutants in various mobile standards as CO₂, NO_x, Particulate Matter (PM), Carbon Monoxide (CO), Hydrocarbons(HC), to ensure that emissions standards are being met. Further, these governing bodies have begun adopting in-use testing program for non-road diesel engines, as well as other types of internal combustion engines, and are requiring the use of PEMS testing. It is important to delineate the various classifications of the latest 'transferable' emissions testing equipment from-time PEMS equipment, in order to best understand the desire of portability in field-testing of emissions.

Because a PEMS unit is able to be carried easily by one person from jobsite to jobsite, and can be used without the requirement of 'team lifting', the required emissions testing projects are economically viable. Simply put, more testing can be done more quickly, by less workers, dramatically increasing the amount of testing done in a certain time period. This in turn, significantly reduces the 'cost per test', yet at the same time increases the overall accuracy required in a 'real-world' environment.^[18] Because the law of large numbers will create a convergence of results, it means that repeatability, predictability, and accuracy are enhanced, while simultaneously reducing the overall cost of the testing.

Nearly all modern engines, when tested new and according to the accepted testing protocols in a laboratory, produce relatively low emissions well within the set standards. As all individual engines of the same series are supposed to be identical, only one or several engines of each series get tested. The tests have shown that:

1. The bulk of the total emissions can come from relatively short high-emissions episodes
2. Emissions characteristics can be different even among otherwise identical engines
3. Emissions outside of the bounds of the laboratory test procedures are often higher than under the operating and ambient conditions comparable to those during laboratory testing
4. Emissions deteriorate significantly over the useful life of the vehicles
5. There are large variances among the deterioration rates, with the high emissions rates often attributable to various mechanical malfunctions

これらの調査結果は、公表されている文献や、その後の無数の研究からのデータと一致しています。これらは火花点火エンジンにより適用され、ディーゼルエンジンにはかなり適用されにくいですが、規制主導のディーゼルエンジン技術の進歩（ 1970年代以降の火花点火エンジンの進歩に匹敵）により、これらの調査結果は新世代のディーゼルエンジンにも適用できる可能性が高いと予想されます。2000年以降、複数の組織がPEMSデータを使用して、スクールバス、路線バス、配送トラック、除雪トラック、長距離トラック、ピックアップトラック、バン、フォークリフト、掘削機、発電機、ローダー、コンプレッサー、機関車、旅客フェリー、その他のオンロード、オフロード、非道路用途に搭載された数百のディーゼルエンジンの使用中のオンロード排出量を測定しました。前述の調査結果はすべて実証されました。さらに、エンジンの長時間のアイドリングがその後の運転中の排出量に大きな影響を与える可能性があることが指摘されました。

また、PEMSテストでは、いくつかのエンジンの「異常」が特定されました。特定の運転モードにおいて、燃料ごとのNOx排出量が予想の2～3倍高かったことから、エンジン制御ユニット（ECU）の設定が意図的に変更された可能性が示唆されました。このようなデータセットは、排出量インベントリの作成や、エンジン、燃料、排気後処理などのさまざまな改善点の評価に容易に利用できます。（「従来型」車両で収集されたデータは、「ベースライン」データとして、さまざまな改善点と比較されます。）このデータセットは、路上テストを必要とする「米国ベース」の排出基準である、超過禁止（NTE）排出基準および使用中排出基準への適合性についても検証できます。

PEMSは一般的にサイズ、重量、消費電力に制限があるため、最高級の実験室用計測機器で可能な精度と測定可能な種の多様性を提供することはしばしば困難です。このため、PEMSを適合性検証に使用することには反対意見が出ました。しかし、実験室での測定から導き出される車両排出量には不正確さの可能性もあります。このため、PEMSによる欧州WLTPの結果は適合係数2.1（2019年以降は1.5）で加重され、つまりPEMSで測定された排出量は制限値の2.1倍まで許容されます。^{[ 19 ]}

^{パン箱サイズのPEMS から、試験対象のトラックの}後ろに牽引される計測トレーラーまで、さまざまな車載システムが設計されると予想されています。[20] 各アプローチの利点は、排出ガス監視に関連するその他の誤差要因、特に車両間の違いや車両自体の排出ガスの^変動性を^{考慮して検討する}必要があります。

PEMSは公道での使用に十分安全でなければなりません。試験中、ポータブル排出ガスシステムは、排気管の延長部を取り付けたり、車両の外側に配管やケーブルを追加したり、乗員室に鉛蓄電池を積載したり、傍観者が触れる可能性のある高温部品を置いたり、非常口を塞いだり、運転を妨げたり、可動部に巻き込まれる可能性のある緩んだ部品を置いたりする可能性があります。排気管への穴あけや吸気システムの取り外しなど、試験対象車両の改造や分解は、特に乗客を乗せる車両の場合、車両管理者と運転者の両方による承認を得るために検討する必要があります。試験装置は、試験対象車両から過剰な電力負荷を引き出すことはできません。代わりに、密閉型鉛蓄電池、燃料電池、発電機が外部電源として使用されていますが、これらは運転中に他の危険を生じさせる可能性があります。

機器の設置に時間と専門知識が多ければ多いほど、試験コストが高まり、試験可能な車両の数が制限されます。複数の種類の車両に使用できる汎用性の高い機器を使用すれば、より多くの試験が可能になります。機器の重量とサイズ、および校正ガスなどの消耗品によっては、十分な数の場所に移動するのが難しい場合があります。危険物（例えば、フレームイオン化検出器（FID）の燃料や校正ガス）の輸送に関する制限も考慮する必要があります。試験チームが現地で入手可能な資源を使用してPEMSを現場で修理できる能力も重要です。

最終的には、PEMSが目的の用途に適していることを実証する必要があります。最終目標が、使用中の排出ガス規制への適合性を検証することであれば、デュアルマッピングエンジン搭載車やその他の規制不適合エンジン搭載車など、特性が既知の車両群を試験用に用意する必要があります。そして、PEMSメーカーは、自社のシステムを用いてこれらの規制不適合車両をどのように識別できるかを実際に実証する責任を負います。

実環境におけるテストの妥当性を検証するために必要な「テスト量」を確保するには、以下の3点を考慮する必要があります。

1. システム精度
2. 連邦および／または州の保健衛生および安全に関するガイドラインおよび／または基準
3. 最初の2点に基づく経済的実現可能性。

特定の携帯型排出ガス測定システムが特定され、その精度が確認されたら、次のステップは、試験装置の使用に伴う作業上の危険から作業員を適切に保護することです。例えば、作業員の典型的な業務としては、装置を作業現場まで運搬すること（自動車、トラック、電車、飛行機など）、装置を作業現場まで運ぶこと、装置を所定の位置まで持ち上げることなどが挙げられます。

路上走行時の車両排出ガス試験は、実験室での試験とは大きく異なり、大きな利点と課題の両方をもたらします。試験は対象車両の通常の運転中に実施できるため、比較的短期間で比較的低コストで多数の車両を試験できます。他の方法では容易に試験できないエンジン（例えば、フェリーの推進エンジン）も試験できます。真の実世界の排出ガスデータを取得できます。計測機器は小型軽量で、過酷な環境に耐え、安全上の危険をもたらさないものでなければなりません。排出ガスデータには大きなばらつきが生じます。実世界の状況は明確に定義されておらず、再現性も低いことが多く、それ以外は同一のエンジンであっても排出ガスに大きなばらつきが生じる可能性があるためです。したがって、路上走行時の排出ガス試験には、実験室で試験を行い、モデルを使用して実世界の性能を予測するという従来のアプローチとは異なる考え方が必要です。確立された方法がない場合、PEMSの使用には慎重かつ思慮深く、包括的なアプローチが必要です。これは、目的のアプリケーション向けにPEMSを設計、評価、選択する際に考慮する必要があります。

PEMSが実験室での試験よりも優れている最近の例としては、2015年のフォルクスワーゲン（VW）スキャンダルが挙げられます。^{[ 24 ] [ 25 ]}国際クリーン交通評議会（ICCT） からの少額の助成金の下、ウェストバージニア大学（WVU）のダニエル・K・カーダーは、VWが一部のディーゼル乗用車にインストールしていた車載ソフトウェアの「不正」を発見しました（ディーゼルゲートスキャンダル）。この発見は、PEMSデバイスを使用した、プログラムされていないランダムな路上評価によってのみ可能でした。VWは現在、140億ドルを超える罰金を科せられています。2016年には、これらの最新の展開により、より小型で軽量、統合型で費用対効果の高い「非1065」PEMSへの関心が世界的に再燃しました。これは、非1065 PEMSを使用して自動車とオートバイの汚染の違いを確立した、 2011年のMythBustersエピソード171「Bikes and Bazookas」のデモンストレーションに似ています。

統合型PEMS（iPEMS）開発の概要

ディーゼルゲート事件を受けて、欧州連合（EU）では「実走行排出ガス」（RDE）基準が策定され、その結果、より小型、軽量、携帯性に優れ、低価格で統合されたPEMS ^{[ 26 ]}機器キットへの需要が高まった。iPEMS機器は現在、米国では「認証」装置として使用できない。

iPEMSの定義

以下の特徴は、小型軽量のiPEMS機器に共通するものです。

1. 完全一体型で内部モジュール式の携帯型排出ガス測定システム（PEMS）キット
2. 内蔵電源を含む、
3. 総重量が7kg以下 （キャリングケース、排気コネクタ、および使用に必要な追加機器を含む）、
4. 一人で持ち運べる、
5. 空港ターミナルを経由して輸送でき、飛行機の頭上の荷物棚に収納できるもの。
6. iPEMSは、現場に配備されると、30分以内に車両のテストを開始できる能力を備えています（必要な車載電源パックが充電されていることを前提としています）。
7. 内蔵電源パックによる試験実行時間は最低2時間です。
8. 最低限必要な汚染物質検査項目には、窒素酸化物（NOx）、二酸化炭素（CO2）、および粒子状物質（PM）または粒子数（PN）のいずれかが_{含まれる必要があります。}
9. 試験精度は、1065 PEMSの10%以内（またはそれ以上）でなければならない。

iPEMSが1065 PEMS機器よりも優れている点

iPEMS機器の利点は、1065 PEMSを補完するように設計されているだけでなく、2015年のフォルクスワーゲン・スキャンダルによって加速された迅速な意思決定の要求によって推進されている拡張機能も提供できる点です。これらのデバイスは現在、欧州連合（EU）と中国の両方でRDEプログラムのために追求されています。 ^{[ 27 ]}

• 米国における国家大気質基準
• フォルクスワーゲンの排ガス不正問題

• テキサス州環境品質委員会による、PEMSの使用を必要とするプロジェクトに対する助成金申請の要請
• デンバー大学によるスノーモービルの排出ガスに関する研究では、PEMSを用いて排出ガスを検出。イエローストーン国立公園における冬季の自動車排出ガス。
• MJ Bradley & Associates, Inc. は、ワールドトレードセンター再建現場におけるオフロード車の排出ガスを監視しました。ワールドトレードセンターおよびPATH再開発現場におけるオフロード建設機械のディーゼル排出ガス制御技術の調査
• ノースカロライナ州立大学による米国環境保護庁（USEPA）向け報告書（次世代PEMSデバイスの開発に関する提言を含む）新世代モデル向け車載排出データ分析および収集に関する推奨戦略
• ノースカロライナ州立大学がノースカロライナ州運輸省向けに実施したバイオディーゼルに関する研究では、PEMS装置を使用して排出量比較データを収集しています。B20燃料とディーゼル燃料のダンプトラックの排出量と燃料使用量の運用評価
• 環境保護庁のPEMSに関する情報ページ：21世紀の科学
• インペリアル・カレッジ・ロンドン（英国）交通研究センターは、M42高速道路沿いで車両性能調査を実施し、PEMS（瞬間車両排出ガスモニタリング）装置を使用して排出ガスデータを収集した。
• PEMSの最近の活用事例と発表：カリフォルニア大学リバーサイド校（UCR）工学部環境研究技術センター（CE-CERT）