Tragbare Emissionsmesssysteme (PEMS) messen Fahrzeugemissionen direkt während der Fahrt. Sie erfassen Schadstoffe wie CO₂, NOx, CO und Feinstaub in Echtzeit und unter realen Bedingungen. Diese Systeme kombinieren Sensoren, GPS-Daten und Fahrzeugparameter, um ein genaues Emissionsprofil zu erstellen. PEMS sind entscheidend, um Abweichungen zwischen Labor- und Straßentests aufzudecken, wie z. B. im Dieselgate-Skandal. Sie werden oft für gesetzliche Prüfungen, Fahrzeugbewertungen und Langzeitanalysen eingesetzt. Trotz ihrer Vorteile, wie flexibler Einsatz und Echtzeitdaten, erfordern sie regelmäßige Kalibrierung und robuste Hardware für extreme Bedingungen.

Hauptkomponenten von PEMS

Hardware-Komponenten

Ein PEMS (Portable Emissions Measurement System) setzt auf präzise Messinstrumente, um Emissionsdaten in Echtzeit zu erfassen. Im Zentrum stehen Gasanalysatoren, die Konzentrationen von Stickoxiden (NOx), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgasstrom messen. Dabei kommen elektrochemische Sensoren für CO und O₂ sowie Infrarotsensoren für CO₂ zum Einsatz.

Abgasmassenstrom-Messgeräte (EFM) sind entscheidend, um Volumen und Masse der Abgase zu erfassen. Diese Daten ermöglichen die Berechnung der Gesamtemissionen in Gramm pro Kilometer. Ergänzt wird dies durch Sensoren, die Feinstaub (PM) und Partikelanzahl (PN) messen und so die Menge an festen Rußpartikeln bestimmen. Ein GPS-Modul zeichnet Position, Geschwindigkeit und Höhe auf, um Emissionsspitzen mit spezifischen Fahrsituationen wie Anstiegen oder Beschleunigungen zu verknüpfen.

Umgebungssensoren messen Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, um die Daten zu normalisieren. Über eine Fahrzeugnetzwerk-Schnittstelle wird das PEMS mit der On-Board-Diagnose (OBD) oder dem CAN-Bus verbunden, um motorbezogene Daten wie Drehzahl, Drehmoment und Kraftstoffverbrauch zu erfassen. Moderne integrierte PEMS (iPEMS) sind kompakt, wiegen maximal 7 kg und können innerhalb von 30 Minuten betriebsbereit gemacht werden.

Während die Hardware die Basis für präzise Messungen bildet, übernimmt die Software die Verarbeitung und Analyse der Daten.

Software und Datenverarbeitung

Die Software eines PEMS spielt eine zentrale Rolle, indem sie die von der Hardware erfassten Datenströme effizient verarbeitet und zusammenführt. Gasanalysatoren, GPS-Daten, Wetterinformationen und Motorparameter werden in Echtzeit kombiniert. Auf einem Human-Machine-Interface (HMI) oder Dashboard werden die Schadstoffwerte direkt visualisiert, sodass Ingenieure während der Fahrt das Emissionsverhalten überwachen können. Diese Daten werden mit Frequenzen von bis zu 10 Hz aufgezeichnet.

„PEMS bieten eine vollständige und sehr genaue Echtzeit-Überwachung der von Motoren ausgestoßenen Schadstoffe (HC, CO, CO₂, NOx [oder NO + NO₂], PM) zusammen mit den zugehörigen Motor-, Fahrzeug- und Umgebungsparametern." – Joint Research Centre

Nach der Testfahrt kommen spezialisierte Tools wie die M.O.V.E Data Toolbox zum Einsatz, um die Daten zu bereinigen und zu analysieren. Plattformen wie AVL CONCERTO 6 nutzen KI-gestützte Technologien, um Berichte automatisiert zu erstellen. Die Software überprüft, ob die gemessenen Werte internationalen Standards wie Real Driving Emissions (RDE) oder Euro 7 entsprechen. Zudem können digitale Modelle die Lebenszykluskosten der Emissionsüberwachung um geschätzte 50 % bis 80 % reduzieren.

Installation von PEMS an Fahrzeugen

PEMS Installation und Kalibrierung: 3-Phasen-Prozess für Fahrzeugemissionsmessungen

PEMS Installation und Kalibrierung: 3-Phasen-Prozess für Fahrzeugemissionsmessungen

Vorbereitung des Fahrzeugs

Bevor ein tragbares Emissionsmesssystem (PEMS) installiert werden kann, muss das Testfahrzeug sorgfältig vorbereitet werden. Dabei ist der Zugang zum Abgassystem entscheidend. Die Messsonde muss korrekt im Abgasstrom positioniert werden, da eine ungenaue Platzierung zu fehlerhaften Messergebnissen führen kann. Nur so lässt sich eine repräsentative Gasprobe sicherstellen.

Zusätzlich sollte die OBD-Schnittstelle des Fahrzeugs geprüft werden, um sicherzustellen, dass eine stabile Verbindung zum Motorsteuergerät möglich ist. Bei Flottenfahrzeugen ist es ratsam, vorab mit dem Fuhrparkmanager zu klären, ob Änderungen am Auspuff oder Luftansaugsystem erlaubt sind. Auch die Stromversorgung spielt eine Rolle: Während moderne iPEMS-Systeme oft integrierte Akkus nutzen, benötigen ältere Geräte externe Batterien oder Generatoren. Diese müssen sicher im Fahrzeug befestigt werden.

Montage und Kalibrierung der Ausrüstung

Die Messsonde wird entweder direkt in das Auspuffrohr eingeführt oder über eine Verlängerung am Endrohr angebracht, um die Abgase zu den Sensoren zu leiten. Alle Kabel sollten so verlegt und fixiert werden, dass sie weder bewegliche Fahrzeugteile behindern noch eine Gefahr für den Straßenverkehr darstellen. Bei größeren Fahrzeugen, wie Lkw, kann die gesamte Messeinheit auch in einem Anhänger untergebracht werden, der hinter dem Fahrzeug gezogen wird.

Die Kalibrierung ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst müssen die Sensoren auf Betriebstemperatur gebracht werden. Danach erfolgt eine Nullpunkt-Kalibrierung mit gefilterter Umgebungsluft, gefolgt von einer Kalibrierung mit Referenzgasen bekannter Konzentration. Eine Dichtigkeitsprüfung des Systems stellt sicher, dass keine Umgebungsluft die Probe verfälscht. Schließlich wird das PEMS mit der OBD-Schnittstelle synchronisiert, um die Emissionsdaten mit den Motorparametern abzugleichen.

Nach der Montage und Kalibrierung ist eine Sicherheitsüberprüfung erforderlich, um einen reibungslosen Testbetrieb zu gewährleisten.

Sicherheitsprüfungen vor dem Test

Vor der Testfahrt müssen alle Verbindungen überprüft und die Komponenten sicher befestigt sein. Die Installation darf weder den Fahrer beeinträchtigen noch Notausgänge blockieren. Heiße Teile des PEMS sollten so positioniert werden, dass sie für Außenstehende nicht zugänglich sind. Auch die elektrische Belastung des Fahrzeugs muss berücksichtigt werden, um eine Überlastung der Batterie zu vermeiden. Externe Stromquellen wie Blei-Säure-Batterien oder Brennstoffzellen müssen ordnungsgemäß gesichert und versiegelt sein.

Eine abschließende Kontrolle umfasst die Überprüfung der Kalibrierung und aller Verbindungen. Die Ergebnisse der Kalibrierung sollten digital dokumentiert werden, um die Gültigkeit der Messungen sicherzustellen. Falls eine besonders hohe Präzision oder rechtliche Anforderungen bestehen, ist die Nutzung professioneller Kalibrierungsdienste empfehlenswert.

Nach erfolgreicher Installation kann die Echtzeitmessung der Emissionen während der Fahrt beginnen.

Emissionsmessung während der Fahrt

Datenerfassung in Echtzeit

Sobald das PEMS (Portable Emissions Measurement System) installiert und eingestellt ist, beginnt die kontinuierliche Erfassung der Abgasemissionen während der Fahrt auf öffentlichen Straßen. Dabei messen die Gasanalysatoren fortlaufend die Konzentration verschiedener Schadstoffe wie Stickoxide (NOx), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Feinstaubpartikel (PM). Im Gegensatz zu stationären Laborprüfungen werden diese Messungen unter tatsächlichen Fahrbedingungen durchgeführt.

Zusätzlich misst ein Abgasmassenstromsensor die Menge der ausgestoßenen Abgase. Durch die Kombination der Schadstoffkonzentration mit den Abgasvolumina lässt sich die tatsächliche Emissionsmasse berechnen. Diese Methode liefert deutlich genauere Ergebnisse als reine Schätzungen basierend auf Motorsensordaten. Moderne PEMS-Systeme erfassen zudem Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck, da diese Faktoren die Emissionswerte beeinflussen können.

Die Möglichkeit, Abweichungen zwischen Labor- und Straßenbedingungen in Echtzeit zu erkennen, ist ein entscheidender Vorteil. Diese kontinuierliche Erfassung bildet die Grundlage für eine präzise Integration mit fahrzeugspezifischen Daten.

Integration mit Fahrzeugdaten

Ein großer Vorteil von PEMS ist die Fähigkeit, verschiedene Datenquellen miteinander zu kombinieren. Über die OBD-Schnittstelle (On-Board-Diagnose) können wichtige Motorparameter wie Drehzahl, Last, Kraftstoffverbrauch und Geschwindigkeit ausgelesen und mit den Emissionsdaten synchronisiert werden. Ein integriertes GPS-Modul liefert zusätzlich Informationen zur Position, Höhe und Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Dadurch lassen sich die Emissionen exakt bestimmten Fahrsituationen zuordnen, beispielsweise bei Bergauffahrten oder im Stop-and-Go-Verkehr.

Die Verknüpfung all dieser Datenströme ergibt ein detailliertes Emissionsprofil, das zeigt, wann und wo das Fahrzeug welche Schadstoffe ausstößt. Allerdings erlaubt die europäische WLTP-Norm (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) aufgrund der geringeren Präzision von PEMS im Vergleich zu Laborinstrumenten einen Konformitätsfaktor. Dieser lag ab 2019 bei 2,1 und wurde später auf 1,5 reduziert, um die natürliche Variabilität unter realen Fahrbedingungen zu berücksichtigen.

Anwendungen von PEMS in der Fahrzeugbewertung

Die Nutzung von PEMS (Portable Emission Measurement Systems) hat sich als entscheidend für die Bewertung und Überwachung von Fahrzeugemissionen erwiesen. Durch die Verbindung praxisnaher Messungen mit Fahrzeugdaten eröffnen sich zahlreiche Einsatzmöglichkeiten.

Compliance Testing

PEMS spielt eine Schlüsselrolle bei der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. Seit 2016 schreibt die Europäische Kommission PEMS-Tests als festen Bestandteil der Typgenehmigung für Pkw vor. Diese Tests sind zentral für die Real Driving Emissions (RDE)-Standards der EU, die darauf abzielen, die Diskrepanz zwischen Laborwerten und tatsächlichen Emissionen auf der Straße zu minimieren. Ein bekanntes Beispiel ist der Volkswagen-Dieselgate-Skandal, bei dem PEMS-Messungen offenbarten, dass die realen Emissionen deutlich über den Laborwerten lagen.

Darüber hinaus werden PEMS bei Langzeittests eingesetzt, um die Emissionsentwicklung älterer Fahrzeuge zu überwachen. Dies hilft, die Verschlechterung der Emissionswerte im Laufe der Nutzungsdauer zu erkennen. PEMS können auch genutzt werden, um Manipulationen wie Dual-Mapping oder Defeat Devices aufzudecken, die speziell entwickelt wurden, um Laborprüfungen zu umgehen.

Einsatz in der Fahrzeugbewertung

Auch in der Fahrzeugbewertung gewinnen PEMS-Daten zunehmend an Bedeutung. Die Messung von Emissionen wie NOx, CO₂, CO und Feinstaub liefert wertvolle Informationen über den technischen Zustand und die Umweltfreundlichkeit eines Fahrzeugs. Beispielsweise können hohe CO-Werte auf eine unvollständige Verbrennung hinweisen, was wiederum auf Wartungsprobleme oder defekte Komponenten schließen lässt. Solche Defizite wirken sich direkt auf den Wiederverkaufswert eines Fahrzeugs aus und können sogar die Einstufung in Versicherungskategorien beeinflussen.

CO₂-Werte sind ein weiterer wichtiger Faktor, da sie die Verbrennungseffizienz und damit den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs widerspiegeln. Fahrzeuge mit niedrigeren Emissionen im Realbetrieb schneiden in Umweltbewertungen besser ab, was sie für umweltbewusste Käufer attraktiver macht. Digitale Emissionsberichte bieten dabei eine zuverlässige Grundlage für Bewertungen durch Behörden und ermöglichen eine transparente Dokumentation der Bewertungshistorie eines Fahrzeugs.

Vorteile und Einschränkungen von PEMS

PEMS (Portable Emissions Measurement Systems) erfassen Emissionen während des tatsächlichen Fahrbetriebs und liefern dadurch ein realitätsnahes Bild der Abgaswerte. Diese Fähigkeit macht sie besonders wertvoll, um Manipulationen aufzudecken. Ein Beispiel hierfür ist das CARES-Projekt in Prag 2023, bei dem PEMS erfolgreich Euro-5- und Euro-6-Fahrzeuge mit defekten oder manipulierten Abgasreinigungssystemen identifizierten. Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile und Einschränkungen der Systeme erläutert.

Vorteile von PEMS

Die Stärke von PEMS liegt nicht nur in ihrer Messgenauigkeit, sondern auch in ihrer vielseitigen Anwendbarkeit.

  • Flexibilität und Kosteneffizienz: PEMS ermöglichen Messungen direkt vor Ort, wodurch teure Laborkosten entfallen.
  • Detaillierte Datenerfassung: Moderne Systeme können täglich Tausende von Messwerten sammeln, was eine solide Grundlage für Analysen bietet.
  • Echtzeitüberwachung: Die Zusammensetzung der Abgase (z. B. CO, CO₂, O₂, NOx) kann sofort analysiert werden. Das erlaubt Technikern, Verbrennungsprozesse direkt vor Ort zu optimieren.

Einschränkungen von PEMS

Trotz ihrer vielen Vorteile bringen PEMS auch einige Herausforderungen mit sich.

  • Betriebsbedingungen: PEMS müssen unter extremen Bedingungen arbeiten, wie Temperaturen zwischen -10 °C und +45 °C oder in Höhen bis 3.000 m. Dies erfordert robuste Hardware und optimierte Energieeffizienz.
  • Gewicht und Stromverbrauch: Die Haupteinheit wiegt etwa 16 kg, und der Stromverbrauch kann bis zu 730 W betragen. Das kann bei kleineren Fahrzeugen problematisch sein.
  • Wartungsaufwand: Regelmäßige Kalibrierung nach ISO 17025 ist entscheidend, um genaue Messungen sicherzustellen.
  • Datenkomplexität: Variierende Umweltbedingungen führen zu stark schwankenden Daten, deren Auswertung spezialisierte Software erfordert.

Vergleichstabelle: Vorteile vs. Einschränkungen

Die folgende Tabelle bietet eine Übersicht über die zentralen Vorteile und Einschränkungen sowie mögliche Lösungsansätze.

Aspekt Vorteil Einschränkung Lösungsansatz
Testumgebung Reale Fahrbedingungen Extreme Wetter-/Höheneinflüsse Robuste Hardware für -10 °C bis +45 °C
Datenerfassung Echtzeit-Monitoring von HC, CO, CO₂, NOx, PM Hohe Datenvariabilität Integration mit Fahrzeugnetzwerken
Mobilität Flexible Einsatzorte Zusätzliches Gewicht und Stromverbrauch Modulare, kompakte Designs
Wartung Unabhängig von Laborinfrastruktur Häufige Kalibrierung erforderlich Flüssigkeitsfreie Sensoren
Partikelmessung Hohe Präzision bis 10 nm Störungen durch geladene Partikel Elektrischer Partikelzähler mit Neutralisationstechnik

Fazit

PEMS liefern präzise Messungen der tatsächlichen Emissionen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewertung von Fahrzeugen. Sie kombinieren kompakte Hardware mit Software, die Daten in Echtzeit analysiert. Diese Daten sind unverzichtbar für professionelle Fahrzeugbewertungen und detaillierte Emissionsanalysen.

Neben ihrer Rolle bei der Zulassung helfen PEMS auch, Manipulationen aufzudecken. In der Vergangenheit konnten durch den Einsatz dieser Systeme Manipulationen aufgedeckt werden, die erhebliche Konsequenzen nach sich zogen.

Die Systeme punkten mit ihrer Anpassungsfähigkeit, ihrer Kostenstruktur und der Möglichkeit zur Echtzeitüberwachung. Allerdings müssen sie unter anspruchsvollen Bedingungen arbeiten und regelmäßig gemäß ISO 17025 gewartet werden. Moderne PEMS können Partikel bis zu einer Größe von 10 nm messen und in Temperaturbereichen von -10 °C bis +45 °C betrieben werden.

Mit Blick auf die zukünftigen Anforderungen, wie die Einhaltung der Euro-7-Normen und die Entwicklung flüssigkeitsfreier Messmethoden, wird die Bedeutung von PEMS weiter zunehmen. Der Übergang zu permanenten On-Board-Monitoring-Systemen (OBM) wird sicherstellen, dass Fahrzeuge nicht nur bei der Zulassung, sondern während ihrer gesamten Lebensdauer die Emissionsvorgaben einhalten.

FAQs

Wie genau sind PEMS im Vergleich zu Prüfständen?

Tragbare Emissionsmesssysteme (PEMS) ermöglichen genaue Messungen direkt unter realen Fahrbedingungen. Allerdings erreichen sie nicht ganz die Präzision von stationären Prüfständen, die unter standardisierten Laborbedingungen arbeiten. Während PEMS immer häufiger für praxisnahe Messungen im Straßenverkehr genutzt werden, bleiben Prüfstände die bevorzugte Wahl für gesetzlich vorgeschriebene Tests. Die Entscheidung zwischen beiden Methoden hängt vom jeweiligen Ziel ab: PEMS bieten Flexibilität und realitätsnahe Ergebnisse, während Prüfstände höchste Genauigkeit gewährleisten.

Was kostet ein PEMS-Test in der Praxis?

Die Kosten für einen PEMS-Test (Portable Emissions Measurement System) können stark variieren, abhängig vom Anbieter und dem Umfang der Messung. In der Regel bewegen sich die Preise zwischen einigen hundert und mehreren tausend Euro. Die genauen Kosten werden individuell festgelegt und richten sich nach den spezifischen Anforderungen und dem gewünschten Messumfang.

Wie oft muss ein PEMS kalibriert werden?

Ein PEMS (Portable Emissions Measurement System) sollte idealerweise einmal pro Jahr kalibriert werden. Diese regelmäßige Kalibrierung ist entscheidend, um präzise und verlässliche Messergebnisse zu garantieren und die Genauigkeit der Emissionsmessungen über einen längeren Zeitraum hinweg sicherzustellen.

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