重型車車載排放試驗(yàn)(PEMS)NOx排放測(cè)量不確定度研究

張?jiān)狼铮?李 梁， 劉子建， 于津濤， 張 凡(. 北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心， 北京 0076； . 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心， 天津 3006)

重型汽車約占我國(guó)汽車保有量的5.6%，重型車NOx的排放約占我國(guó)機(jī)動(dòng)車總排放量的80%左右，是十三五的減排重點(diǎn)[1].對(duì)于重型車的排放，目前國(guó)內(nèi)仍主要依賴發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試，由于模擬工況與真實(shí)道路行駛工況的差異，使得臺(tái)架測(cè)試結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映重型車載實(shí)際道路行駛實(shí)際排放狀況[2].為了進(jìn)一步控制重型汽車排氣污染，改善大氣環(huán)境，北京市環(huán)保局參照美國(guó) EPA CFR 40 part 86 中 86.1370-1372和CFR part 1065 subpart J 部分、(EU)No 582/2011(修訂草案)以及 HJ 439-2008《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車在用符合性技術(shù)要求》的部分技術(shù)內(nèi)容，并根據(jù)北京市實(shí)際情況進(jìn)行了修改，制定了DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量法(車載法)》標(biāo)準(zhǔn)，并于2013年7月1日實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)施 GB 17691-2005標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，可有效監(jiān)控車輛在使用中的實(shí)際NOx排放狀況，彌補(bǔ)了部分道路行駛工況點(diǎn)在臺(tái)架試驗(yàn)中不能充分體現(xiàn)的缺陷[3].

為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)重型汽車車載排放試驗(yàn)(PEMS)測(cè)量排放水平的準(zhǔn)確性，依據(jù)下列法規(guī)要求進(jìn)行重型汽車尾氣中NOx排放檢驗(yàn)的不確定度評(píng)定：

(1)CNAS-CL07測(cè)量不確定度的要求[4]；

(2)CNAS-GL05測(cè)量不確定度要求的實(shí)施指南[5]；

(3)JJF 1001中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》[6]；

(4)JJF 1059.1中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[7].

1 測(cè)量原理及檢驗(yàn)程序

1.1 測(cè)量原理

重型車載排放試驗(yàn)?zāi)壳胺ㄒ?guī)所控制為氣態(tài)污染物，其中NOx的污染物濃度通過(guò)NDUV(非分散式紫外線分析儀)或CLD(化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器)進(jìn)行濕基測(cè)量，這次試驗(yàn)設(shè)備為SENSOR公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS型分析儀，NOx的測(cè)量原理為NDUV，排氣流量通過(guò)皮托管的原理來(lái)測(cè)得，整車試驗(yàn)過(guò)程中的循環(huán)功通過(guò)OBD從發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)中讀取到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)凈扭矩與測(cè)試時(shí)間計(jì)算得到，最終計(jì)算出NOx污染物的比排放量.

1.2 檢驗(yàn)程序

(1)將車載排放分析系統(tǒng)SEMTECH-DS固定在被測(cè)樣品車輛上.

(2)在車載排放分析系統(tǒng)中設(shè)定被測(cè)樣品車輛信息及控制參數(shù).

(3)將車載排放分析系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，標(biāo)定，對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)熱.

(4)試驗(yàn)開(kāi)始，在實(shí)際道路行駛對(duì)排氣流量及排氣污染物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量.

(5) 試驗(yàn)結(jié)束，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算.

2 影響因素分析和評(píng)定方法確定

針對(duì)車載排放試驗(yàn)的排放結(jié)果不確定度分析，應(yīng)該從兩個(gè)方面分開(kāi)討論.一方面是測(cè)試用儀器設(shè)備的穩(wěn)定性和精確度引入的不確定度，另一方面是車輛駕駛的穩(wěn)定性和路況造成的排放水平波動(dòng)引入的不確定度.根據(jù)計(jì)算公式和使用經(jīng)驗(yàn)，影響車輛尾氣中NOx排放檢驗(yàn)的因素主要包括：排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量(皮托管進(jìn)氣壓力、皮托管進(jìn)氣溫度)、NOx的瞬時(shí)濃度測(cè)量、車輛道路試驗(yàn)的總循環(huán)功(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩)，以及試驗(yàn)測(cè)量重復(fù)性等影響造成的車輛排放的不確定度.

重型汽車車載排放檢驗(yàn)NOx排氣污染物排放量不確定度的因果關(guān)系如圖1所示.

圖1 整車車載法(PEMS)試驗(yàn)NOx排放測(cè)量不確定度的因果關(guān)系圖

2.1 排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量(GEXH)(校正至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)293.15 K和101.3 kPa)

排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量的測(cè)量受皮托管流量、皮托管進(jìn)口處的絕對(duì)壓力和皮托管進(jìn)口處絕對(duì)溫度的影響，目前采樣系統(tǒng)一般通過(guò)1 Hz的頻率進(jìn)行測(cè)量這些參數(shù)，經(jīng)過(guò)公式轉(zhuǎn)換將排氣的瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時(shí)排氣流量.根據(jù)車載排放分析系統(tǒng)的說(shuō)明書(shū)，采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià).

2.2 NOx的瞬時(shí)濃度(NOxconc)

車輛試驗(yàn)時(shí),車載排放設(shè)備測(cè)量的NOx瞬時(shí)濕基濃度受儀器設(shè)備的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性及標(biāo)準(zhǔn)氣不確定度的影響.根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)和標(biāo)準(zhǔn)氣檢驗(yàn)證書(shū)，對(duì)NOxconc的瞬時(shí)濃度采用B類不確定度評(píng)價(jià).

2.3 車輛試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功(Wact)

車輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際循環(huán)功通過(guò)OBD測(cè)量獲取發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)中的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩，與采樣時(shí)間的乘積積分得到，其不確定度是由測(cè)量設(shè)備的系統(tǒng)誤差(轉(zhuǎn)速和扭矩測(cè)量)造成的循環(huán)功的不確定度.根據(jù)測(cè)量設(shè)備的使用說(shuō)明書(shū)采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)估.

3 數(shù)學(xué)模型建立

3.1 NOx比排放量的計(jì)算方法

根據(jù)DB11/965-2013應(yīng)按下列方法計(jì)算整車車載法(PEMS)試驗(yàn)的NOx比排放量(g/kWh).

(1)

(2)

車載排放分析系統(tǒng)的排氣瞬時(shí)質(zhì)量流量如公式(3)：

(3)

式中：GEXH為排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量，g/s；K為皮托管的標(biāo)定函數(shù)；PEXH為排氣絕對(duì)壓力；TEXH為皮托管進(jìn)氣絕對(duì)溫度；△h為皮托管的壓差.

3.2 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式

(4)

(5)

3.3 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式

當(dāng)B類評(píng)定的分量無(wú)任何信息時(shí)，僅知它在某一區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，經(jīng)常使用均勻分布.

(6)

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式

(7)

3.5 NOx比排放量不確定度

考慮上述影響測(cè)量不確定度的所有來(lái)源(采樣時(shí)間誤差很小，可以忽略)，加入NOx排放和車輛試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度，建立NOx比排放量不確定度的數(shù)學(xué)模型如下.

(8)

式中：排氣中NOx污染物的瞬時(shí)校正濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(NOxconc)；排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(GEXH)；車輛試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Wact).

依據(jù)JF 1059-1999中第6.6條的式(20)，對(duì)于相對(duì)不確定度，靈敏系數(shù)是冪的次數(shù).對(duì)此例，各影響量的靈敏系數(shù)分別為：排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量的靈敏系數(shù)為c(GEXH)=0.5；排氣中NOx污染物的瞬時(shí)校正濃度靈敏系數(shù)為c(NOxconc)=1；車輛試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功的靈敏系數(shù)為c(Wact)=1.

3.6 擴(kuò)展不確定度計(jì)算公式

U=kur(y)

,

(9)

式中：U為擴(kuò)展不確定度；k為包含因子，這里k取2.

4 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)估

根據(jù)DB11/965-2013的方法采用同一司機(jī)對(duì)一輛N2類樣品車輛進(jìn)行滿載配重在同一條路線進(jìn)行了5次試驗(yàn)，盡量保證每次試驗(yàn)市區(qū)、市郊和高速的比例偏差在允許范圍之內(nèi)，并對(duì)NOx不確定度進(jìn)行評(píng)估，與NOx車載排放試驗(yàn)結(jié)果的不確定度有關(guān)的物理量測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 整車車載法(PEMS)5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量(GEXH)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(GEXH)

公式(3)也符合JF 1059-1999中第6.6條的函數(shù)關(guān)系，GEXH的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(GEXH)可以計(jì)算如下.

(10)

4.1.1 皮托管的標(biāo)定函數(shù)K引起的B類的不確定度ur(K)

根據(jù)試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排量和經(jīng)驗(yàn),選取了管徑為3英寸的流量計(jì)，流量范圍為0～17 m3/min，查詢流量計(jì)設(shè)備檢驗(yàn)證書(shū)可以得知其允許誤差為2.5%R.S.，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，因此，K引起的B類的不確定度

4.1.2 排氣的絕對(duì)壓力PEXH引起的B類的不確定度ur(PEXH)

根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)得知排氣壓力傳感器的最大允許誤差為±1%，測(cè)量范圍為70～115 kPa，服從均勻分布，因此,PEXH引起的B類的不確定度

4.1.3 皮托管的進(jìn)氣絕對(duì)溫度TEXH引起的B類的不確定度ur(TEXH)

依據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)，該溫度傳感器為K型傳感器，其最大允許誤差為±1%R.S.，測(cè)量范圍為0～700 ℃，服從均勻分布，因此,TEXH引起的B類的不確定度

因此，GEXH的合成的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(GEXH)為

4.2 NOx的瞬時(shí)濃度(NOxconc) 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(NOxconc)

由分析儀說(shuō)明書(shū)得知NO和NO2分析儀的最大允許誤差為±3%R.S，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，因此由分析儀引入的B類不確定度ur(d1)、ur(d2)：

因此，NOxconc的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(NOxconc)為

4.3 車輛試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功(Wact)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Wact)

車輛進(jìn)行整車車載(PEMS)試驗(yàn)時(shí)的總循環(huán)功計(jì)算如式(2)，其B類的不確定度

(11)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn),轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的最大允許誤差為1%,服從正態(tài)分布.因此，轉(zhuǎn)速的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和經(jīng)驗(yàn),扭矩測(cè)量的最大允許誤差為7%,服從正態(tài)分布.因此，扭矩的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

因此，ur(Wact)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

4.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總

整車車載法(PEMS)試驗(yàn)NOx排放測(cè)量的不確定度匯總?cè)绫?所示.

表2 整車車載法(PEMS)試驗(yàn)NOx排放測(cè)量的不確定度匯總

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度評(píng)定

由式(8)，得到NOx的比排放量的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

直接取包含因子k=2,則NOx的比排放量的擴(kuò)展不確定度為

6 結(jié) 論

針對(duì)重型車依據(jù)DB11/965-2013標(biāo)準(zhǔn)在車載排放試驗(yàn)(PEMS)中的NOx污染物排放.根據(jù)測(cè)量原理、測(cè)量方法和試驗(yàn)程序?qū)Ox建立了數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并通過(guò)理論方法對(duì)模型中各種參數(shù)進(jìn)行了相對(duì)不確定度分析，最終得出了NOx排放不確定度評(píng)定結(jié)果，結(jié)果為5.02%.從不確定度的評(píng)定過(guò)程中可以看出，排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩測(cè)量、污染物瞬時(shí)濃度測(cè)量、試驗(yàn)路況、車輛狀況等因素對(duì)重型車NOx污染物排放有較大影響，因此,在試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量保證車輛狀況穩(wěn)定，在日常保養(yǎng)中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)排放分析系統(tǒng)的標(biāo)定和維護(hù)，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行維護(hù)工作等.

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