講演４重量貨物車のリアルワールドにおける環境性能評価－ NOx センサベースの車載計測器（SEMS）の活用－
環境研究部

山本主任研究員敏朗－87－

重量貨物車のリアルワールドにおける環境性能評価－NOxセンサベースの車載計測器（NOxセンサベースの車載計測器（センサベースの車載計測器（SEMS)SEMS)の活用－

環境研究部 主任研究員 山本敏朗

1

2019年度 講演会

講演内容
1 ．研究の背景
2 ．研究の目的
3 ．SEMSの構築
4 ．SEMS活用による環境性能評価
5 ．まとめ / 今後の展開

2

－89－

2019年度 講演会

1 . 研究の背景●排出ガス規制の強化にもかかわらず、実際の路上走行（リアルワールド）
では排出ガスが低減していない車両が存在するとの懸念がある。
●このことから、中央環境審議会「今後の自動車排出ガス低減対策のあり方について（第十一次報告）」にて、路上走行時に新車認証時の排出ガスレベルが維持されていることを確認する手法として、車載型排出ガス測定システム（PEMS: Portable Emissions Measurement System）を用いる方法について検討する必要がある旨が指摘された。

●既に、欧米では重量車にPEMSを搭載して、種々の走行条件での排出ガスを測定し、それらのデータを用いて、リアルワールドにおける環境性能を評価する方法（ Moving Averaging Window （MAW）法 等）の検討が進んでいる。

2019年度 講演会

3

1 . 研究の背景★欧米で開始されたＰＥＭＳ試験とは・・・★欧米で欧米でで開始されたＰＥＭ
車載型排出ガス分析装置（PEMS)GPS

Load Tank

PEMS用
ガスボンベ

ＰＥＭＳの課題
使用過程車試験の場合

排出ガス流量計(Pitot Tube)

ガス採取管設置場所の問題
１００ｋｇ超のＰＥＭＳを荷台へ設置するとき、我が国ではバンボディが多いので、サンプリングプローブ等を通すために荷台に穴を開ける等の加工が必要となる。

商用車占有の問題

簡易型型ＰＥＭＳ
Ｓ（SEMS）
Ｓ（SEMSSEMS）の導入

ＰＥＭＳの取り付けおよび操作は専門の技術者が行うため、試験対象の商用車を一定期間借用する必要がある。これに伴って事業者は経済的な不利益を被ることになる。

SEMS : Sensor-based Emissions Measurement System
4－90－

2019年度 講演会

2 . 研究の目的
デジタル式の運行記録計（デジタコ）に、ＮＯｘセンサ信号や吸入空気量、燃料噴射量等のＣＡＮ信号等を取り込むことにより、新たに「に「NOxNOxセンサベースの車載計測器」を構成し、これをを簡易型ＰＥＭＳＳ（SEMS）として用いて、リアルワールドにおける環境性能を評価Ｓ（SEMSする方法を構築する。
SEMS : Sensor-based Emissions Measurement System

本報告では、 「NOxセンサベースの車載計測器（SEMS)」の基本コンセプトを提示し、同装置のNOx濃度の測定性能、 CO2濃度の算出性能等を検証するとともに、その活用例を示す。

2019年度 講演会

5

3 . SEMS
Sの構築
NOxセンサベースの車載計測器（SEMS）の構成例
NO センサベ
NOxセンサ

熱電対
排出ガス

NOxセンサ電圧調整器
排出ガス温度信号CAN

ピトー管

排ガス流量信号(ControllerAreaNetwork)

O2濃度信号

ピトー管式流量計の取外し
NOxセンサ
排出ガス流量データの取得： SEMSを、長期間に渡り車両に装着する場合、流量計測部品が脱落する可能性が考えられた。
ピトー管式流量計を外して、CAN信号の「吸入空気量+燃料噴射量」により算出した。

NOx 濃度信号
車速信号
エンジン回転信号

吸入空気量
燃料噴射量等GPS

デジタコ（デジタル式運行記録計）6－91－

2019年度 講演会

3 . SEMS
Sの構築
築NOxセンサ素子の構成
B1出力（O2汲み出し量）

NOx センサの原理

NOx センサの外観

B2出力（O2汲み出し量）

排出ガス

計測原理式

NOx量（真値） = NOx出力－（排出ガス中 O2量－B1出力－B2出力）（O2汲み出し量）
測定原理

ZrO2素子のＯ2ポンプ機能を利用

O2を測定空間から汲み出し、NOx測定用ポンプでNOxをO2とN2に分解し、そのO2分圧をO2イオン伝導量として検出する。

NO：0～1500ppm 出力：0.3～4.8V
NOx 濃度出力
応答性： <400m sec
O2 濃度出力NO2 はNOに分解して測定

O2=0%～O2=18% 出力：2.5～4.5V
応答性： <200m sec

CO2 濃度： NOx センサのO2 濃度出力を用いて算出
2019年度 講演会

13 . SEMS
Sの構築
サーバーの構築

SEMSのデータ収集の流れ

データ処理・分析・評価
タ処理 分析
サーバー

信号入出力の改良： アナログ信号をCAN信号に変換し、車両CAN信号に統合

排出ガス量、燃料消費量等の演算，EGR装置・尿素SCRシステム等の作動状態評価
路上走行時排出ガス評価

車両
温度・湿度・大気圧
センサ

接続

温度、湿度、大気圧

サンプリングレート： 0.1 sec

信号入出力の改良
CAN

エンジン冷却水温，エンジントルク
エンジン回転速度，後軸荷重
燃料噴射量，吸入空気量 等

ＮＯｘセンサ

ＮＯｘ濃度出力
Ｏ２濃度出力車両走行データ収集
両走行デ タ収サーバー

接続

ＮＯｘ排出量，燃料消費量，ＣＯ２排出量，運行情報，位置情報 大気温・湿度 等を取得・集積

サンプリングレート： 0.1 sec

ピトー管式流量計

CAN信号に変換後、接続

排出ガス流量出力
排出ガス温度出力

拡張
ハーネス

専用パケット回線

サンプリングレート： 1.0 sec
調整サンプリングレート： 0.5 sec

GPS車速センサ

基本ハーネス

改造デジタコ

通信用
通信用ソフト用ソフト
ウェアの構築通信モジュールジュール

送信データ間隔： 1 sec , 60 sec 選択
イベントトリガー送信
手動送信

エンジン回転センサ
サンプリングレート： 0.5 sec

2－92－

2019年度 講演会

3 . SEMS
Sの構築

NOxセンサのNOx濃度測定性能

JE05モード試験結果（定置型分析計およびPEMSとの比較）

NOx濃度の測定性能の検証

NOxセンサのNOx濃度測定値と定置型排出ガス分析計およびPEMSによるNOx濃度測定値を時系列で比較した結果

ＮＯｘセンサ信号を用いて計測したＮＯｘ濃度と、定置型分析計による測定値あるいはＰＥＭＳによる測定値を比較し、 測定の正確さや相関性を検討した。

3者の測定値はよく一致している。
ただし、NOxセンサ濃度の50ppm以下の低濃度域がノイジーになっている部分が認められ、NOxセンサの低濃度域の測定において、不安定な要因の存在が推察される。

NOxセンサと定置型排出ガス分析計との相関

NOxセンサと定置型排出ガス分析計との間には極めて強い相関性が認められる。

NOxセンサにより、実用レベルでのNOx濃度測定が可能

2019年度 講演会

93 . SEMS
Sの構築

ＮＯｘセンサのＯ２濃度測定値を用いたＣＯ２濃度算出方法

CO2濃度の算出方法
dry-O2-CO2関係式 ＋H2Oﾓﾙ分率
y = -0.6338x + 13.31

CO2濃度の算出精度の検証

wet-CO2を算出

ＮＯｘセンサ信号を用いて算出したCO2濃度とＰＥＭＳによる測定値を比較し、 算出の正確さを検討した。

直線近似式： (wet状態）
y = -0.5664x + 12.147

ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ排出ｶﾞｽ： 軽油 完全燃焼 →次式が成立NOxセンサによるCO2濃度の算出値とPEMSによるCO2濃度測定値の比較（都市内一般道走行時）

CO2濃度(%) = 100 / (4.76・λ + H/C・ (1.19・λ + 0.25))
λ=1，H/C=1.91のときの排出ｶﾞｽ中のCO2濃度

NOxｾﾝｻにより算出されたCO2濃度 [%]13.31

NOxセンサ_CO2

PEMS_CO2

ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ排出ｶﾞｽ
dry-CO2
y = -0.6338x + 13.31
冷却水温

wet-CO2直線近似式：
y = -0.5664x + 12.147

車速

両者は概ね一致している。

21
NOxｾﾝｻO2濃度 [%]テールパイプガス温

空気中のO2濃度
10－93－NOxセンサにより、実用レベルでのCO2濃度算出が可能
2019年度 講演会

3 . SEMS
Sの構築
路上走行時のNOx排出量の評価方法
路上★ 路上走行時の排出量を計算するために要求される瞬時排出ガス流量およびエンジン仕事量を高精度に測定することは困難である。
そのため、エンジン仕事量 (1 kWh) 当たりのNOx排出量 (g/kWh) は、路上走行時の高精度な指標として使いにくい。

重量車のNOx排出量の評価指標として、排気管から排出されたCO2排出量 (1 kg)当たりのNOx排出量 (g) を、NOx排出率 (g/kg-CO2) と定義して用いる。
NOx 排出率 (g/kg-CO2) = NOx 排出量 (g/test) / CO2 排出量 (kg/test)
ＮＯｘ排出率＝

ΣＮＯｘ濃度Σ
ＮＯｘ濃度×排出ガス流量×ＮＯｘ密度
ＮＯｘ濃度
ΣＣＯ２濃度×排出ガス流量×ＣＯ２密度★ 上記の指標は、同一の瞬時排出ガス流量で分母と分子を算出するため、瞬時排出ガス流量の測定誤差が相殺されて、排出ガス流量の測定精度の影響を受けにくい利点がある。

★ NOx排出率 (g/kg-CO2) の有効性を、シャシダイナモメータ試験および路上走行試験により検証した。
2019年度 講演会

114 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用用車両
両によるSEMS活用に関する実証試験
実際に事業者が運用している車両にSEMSを装着し、通常運送業務走行での各種データを取得して、SEMSの実用性能およびリアルワールドにおける環境性能評価法を検討

実証試験で用いた運送事業用車両の主な諸元とSEMSで取得したデータ
試験車両の主要諸元
SEMS取得データ
車両カテゴリ

中型貨物車

車両重量 (kg)4,330

最大積載量 (kg)3,400

車両総重量 (kg)7,840

エンジン型式

直列4気筒，ｲﾝﾀｰｸｰﾗｰﾀｰﾎﾞ

エンジン排気量 (L)5

エンジン最高出力 (kW/rpm)

177/2400

エンジン最大トルク (Nm/rpm)

765/1600

排出ガス対策DPF，EGR，尿素SCR

適合排出ガス規制

平成28年規制

SEMS取得データ
基本信号

車速
エンジン回転速度
GPSCAN信号
燃料噴射量
エンジン冷却水温度
吸入空気量
エンジントルク
エンジン回転速度
後軸荷重
EGRバルブ開度
アナログ信号 NOxセンサ NOx濃度出力
NOxセンサ O2濃度出力↓変換
NOxセンサスタンバイ信号
CAN信号
テールパイプ排出ガス温度
車両進行方向空気流動圧
アクセサリ電源信号（計測開始トリガー）
シリアル信号 大気温度
大気湿度
大気圧力

12－94－

SEMS取得データに関する改良・GPSの出力フォーマット
を世界測地系に変更
・排ガス流量信号の代替として、「吸入空気量信号+燃料噴射量信号」を用いた
・積載時の後軸荷重信号と空積載時の後軸荷重信号の差分から積載重量を算出
・アナログ信号をCAN信号に変換してCAN信号入力に統合した↓
アンプ、信号ケーブル等の減少によりシステムの簡素化

2019年度 講演会

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
実証試験期間
平成30年12月 3日～平成31年 2月 1日 （運送事業走行： 39日間）
SEMSの運送事業用車両への取付状況 取り付け前の状態に復帰できるように配線・取付を行っている
走行試験開始1週間後に、取り付け状態の確認を行った

デジタコの取り付け状況

NOxセンサ等計測部の取り付け状況

ｱﾅﾛｸﾞ-CAN信号変換器の取り付け状況

車両進行方向空気流動圧圧 計測部

デジタコ

NOx
Oxセンサ電圧調整部

車両進行方向空気流動圧計測用
ピトー管の取り付け状況

大気温度・大気湿度・大気
圧センサの取り付け状況

ピトｰｰ管

ｱﾅﾛｸﾞ
ｸﾞ——CAN
N信号変換器NOxセンサ等の取り付け状況

圧力センサ

センサ

温度センサ
温NOx
NO
Oxセンサ

計測用に排気管一式を用意して元の排気管と取計測用に排気管り替えている
2019年度 講演会

13

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
CAN信号から算出した排出ガス流量の正確さの検証

シャシダイナモメータ試験によるデータ検証
走行時におけるNH3スリップの確認
NOxセンサには、NH3をNOxとして誤検知するNH3干渉の問題が存在する。
走行時における排出ガス中のNH3濃度をフーリエ変換赤外分光法（FTIR: Fourier Transform Infrared Spectroscopy）ガス分析計により測定した。

実証試験において、排出ガス流量は、CAN信号を用いて、「（吸入空気量＋燃料噴射量）/排出ガス密度」から算出した。
CVSバッグ法による計測値を真値として各種の方法の測定精度を検証した結果

WHVCモード 全積載 コールドスタート

NH3

走行時にNH3の排出は認められず、本試験車両においては、NOxセンサ使用時のNH3の干渉について考慮しなくてもよいと考えられた。

14－95－「（吸入空気量＋燃料噴射量）/排出ガス密度」は、誤差が小さく排出ガス流量の算出に使用できると判断した。
2019年度 講演会

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
シャシダイナモメータ試験によるデータ検証
NOx排出量 (g/kWh) とNOx排出率 NOx/CO2 (g/kg-CO2) の関係を検証

試験車両の排出ガスおよび燃費性能の把握認証試験で用いられるNOx排出量（g/kWh）と、NOx排出率 NOx/CO2 (g/kg-CO2) の関係を明らかにするために各種の走行条件での試験を実施
以下に示す各種の走行条件での試験結果をプロットした｡

JE05モード（半積載）走行時のNOx排出量： 0.262 g/kWh

WHVCモード
JE05モード
東京都No.3モード
東京都No.10モード

Idling Stop ON/OFF
Eco mode ON/OFF
積載量： 全積、半積、空積
エンジン始動条件： Cold、Hot

0.58

WHVCモード走行時のNOx排出量： 0.173 g/kWh【参考】 WHTCモード規制値
NOx排出量： 0.4 g/kWh
JE05モード（半積載）走行時の燃費： 7.95 km/L
【参考】 カテゴリクラスT4燃費基準値： 7.24 km/L

0.4

・両者には極めて強い相関性が認められることから、NOx排出率 NOx/CO2 (g/kg-CO2)は、路上走行時のNOx排出量の評価指標として有効である。
・NOx排出量の規制値0.4 g/kWhは、NOx排出率0.58 g/kg-CO2に相当し、この値を路上走行試験におけるNOx低減性能の判断基準とした。
2019年度 講演会

154 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両に運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
によるSEMS活用に関する実証試験
2018年12月10日往路 実証試験（全体概要）
茨城県鹿嶋市～神奈川県大和市

平均走行速度 61.6 km/h
茨城県鹿嶋市

神奈川県大和市

走行距離割合走行時間割合（エンジン停止時間は含まず）

16－96－

2019年度 講演会

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
2018年12月10日往路 実証試験（全体概要）
茨城県鹿嶋市～神奈川県大和市
走行ルート

2018/12/10（往路）

総エンジン作動時間

走行時間

平均車両走行速度

走行距離

積載重量[kg][km/L]

燃費

CO2排出量NOx排出量[g/kWh]

平均排出ガス温度
[℃]

3.1

2.6

61.6160.3

1830

7.5710.3

0.717

184

[hour][hour][km/h][km]

テールパイプ排出ガス温度の変化[g/kWh]

NOx排出率 NOx/CO2 の変化
茨城県鹿嶋市

DPFの再生神奈川県大和市

排出ガス温度の上昇に伴い、尿素SCRシステムの機能が活性化してNOx排出率が低下

2019年度 講演会

17

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
茨城県鹿嶋市2018年12月10日復路 実証試験（全体概要）
神奈川県大和市～茨城県鹿嶋市

神奈川県大和市

平均走行速度 43.3 km/h

走行距離割合走行時間割合（エンジン停止時間は含まず）

18－97－

2019年度 講演会

4 . SEMS
S活用による環境性能評価
運送事業用車両によるSEMS活用に関する実証試験
運送事業用車車両にによるSEMS活用に関する実証試験
2018年12月10日復路 実証試験（全体概要）
神奈川県大和市～茨城県鹿嶋市
走行ルート

総エンジン作動時間[hour]

走行時間

平均車両走行速度

走行距離

積載重量[kg][km/L]

燃費

CO2排出量NOx排出量[g/kWh]

平均排出ガス温度[℃]

2018/12/10
（復路）

5.3

4.143.3

176.3

3307.9711.3

1.113

116

[hour][km/h][km]

テールパイプ排出ガス温度の変化[g/kWh]NOx排出率 NOx/CO2 の変化
茨城県鹿嶋市

排出ガス温度の低下に伴い、尿素SCRシステムの機能が低下してNOx排出率が増加

渋滞走行により所々で排出ガス温度が低下

神奈川県大和市

19

2019年度 講演会

5 . まとめ
め / 今後の展開
まとめ・ リアルワールドにおける重量車の環境性能を評価するためのツールとして、設置場所を取らずまた取り付けが簡便なNOxセンサベースの車載計測器（SEMS）を構築し、そのコンセプトを提示した。
・ NOxセンサにより、実用レベルでのNOx濃度測定およびCO2濃度算出が可能であることを示し、さらに両データから、NOx排出量の評価指標として「NOx排出率 (g/kg-CO2) 」を算出し、その有効性を明らかにした。
・ SEMSを運送事業用車両に装着して実施した2か月間の実証試験により、同装置による長期間の連続測定が可能であることを確認し、車載計測装置としての実用性能を検証した。
・ 路上走行時の排出ガス評価の一例として、SEMSにより取得した車速、排出ガス温度およびNOx排出率の関係から尿素SCRシステムの機能状態を推定し、リアルワールドにおける走行状態とNOx排出の関係を視覚的に表わした。

今後の展開
SEMSは、日常走行でのNOx濃度等の長期間の連続測定を可能にすることから、今後、リアルワールドでの排出ガス後処理装置の性能の推移を把握するためのデータ収集に活用する予定である。

20

－98－

2019年度 講演会