商用車燃料消耗量（碳平衡法）不確定度評估

尹貽軍 邸少偉 李明宣

（1-中國重型汽車集團有限公司汽車研究總院 山東 濟南 250101 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

近年來，發(fā)動機以及整車生產(chǎn)企業(yè)和相關政府監(jiān)管部門對商用車節(jié)能重視程度逐漸加大，投入大量精力和成本降低商用車油耗。對于檢測機構而言，如何準確測量商用車油耗值和評估燃料消耗量測量不確定度是準確評價商用車節(jié)能的前提，本文將基于GB/T 27840-2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法[1]對商用車燃料消耗量不確定度進行評估，目的是為了確定油耗消耗量的準確性，試驗測量結果的可靠性是評價測量結果可信程度的最重要的依據(jù)。本次評估活動的意義在于可以定量表征試驗活動結果的不確定性，不確定度大或者小可以用于判斷試驗測量結果的可用性和可信度。因為不確定度存在一切檢測試驗活動中，其無法消除不可避免，所以完整而有意義的試驗測量結果由兩部分組分，一是試驗活動所賦予的測量值，二是該次試驗的測量不確定度。

本文將依據(jù)中華人民共和國國家計量技術規(guī)范JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示[2]中標準不確定度的A、B 類評定標準，對重型柴油車整車燃料消耗量測量的不確定度進行評估。

1 試驗方法

1.1 試驗設備

本次油耗試驗通過環(huán)境艙設備控制試驗區(qū)域環(huán)境溫濕度的穩(wěn)定性，四驅底盤測功機模擬車輛實際道路行駛阻力，全流稀釋定容排放系統(tǒng)測量油耗值，所用試驗設備型號如表1 所示。

表1 試驗設備表

1.2 試驗車輛

試驗車輛為一輛滿足國Ⅵ排放標準重型柴油貨車，滿載質量為4495kg，試驗室大氣壓力為101.3 kPa，溫度設定控制25 ℃，濕度設定45%，燃油采用0 號柴油，試驗前加滿燃油，試驗過程中使用同個駕駛員。重型商用車燃料消耗量測量試驗基于GB/T 27840-2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法標準中相關規(guī)定進行，油耗試驗（碳平衡法）示意圖如圖1 所示，各系統(tǒng)誤差如表2 所示，測得油耗平均結果為12.208 L/100 km。

圖1 燃料消耗量測試試驗示意圖

表2 測量系統(tǒng)部分誤差表 %

試驗設備參數(shù)均滿足或優(yōu)于GB/T 27840-2011中的要求；重型商用車油耗試驗采用C-WTVC 循環(huán)，C-WTVC 是在全球重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（WTVC，Word Transient Vehicle Cycle）的基礎上，通過調整WTVC 的加速度和減速度形成的，并結合國內大部分車輛的行駛特點，完善形成的中國重型商用車循環(huán)。其適用于質量大于3 500 kg 的重型車，共分3 個階段，其中1 900 s 為城市工況，900～1 368 s為公路工況，1 368～1 800 s 為高速工況。圖2 為CWTVC 循環(huán)速度圖。試驗車輛滿足GB/T 27840-2011標準5.1 車輛要求，車輛放置在底盤測功機上，連接汽車尾氣管路，確認管路無泄漏并充分排氣。按照標準5.4 規(guī)定的試驗規(guī)程進行試驗操作，試驗期間車輛連接排放設備CVS 管路，排氣被環(huán)境空氣稀釋后再進行采樣，選擇使用碳平衡法對燃料消耗量進行計算。

2 不確定度來源分析

圖2 C-WTVC 循環(huán)速度圖

商用車燃料消耗量影響因素較多，根據(jù)法規(guī)試驗方法、試驗使用的設備和試驗經(jīng)驗，主要有以下幾個方面：標準狀況下稀釋氣體容積，污染物的校正濃度，排放分析儀所用標準氣體，分析儀的測量精度，試驗車輛行駛里程以及試驗人員操作導致的誤差，人員誤差指的是駕駛員由于個人習慣在離合、換擋、加減速及油門等操作產(chǎn)生的誤差[2-3]。從以上分析可知采用碳平衡法測量商用車油耗是一個比較復雜的測量系統(tǒng)。油耗試驗測量結果不能直接獲取，首先通過不同測量設備測得稀釋排氣容積Vmix、稀釋排氣污染物濃度Ci、試驗循環(huán)中的行駛里程d 等參與測量值，通過建立數(shù)學模型經(jīng)過運算才能得到最終油耗結果。在計算過程中參與測量值會對最終油耗測量值帶來不同的影響，包含人員操作、計量器具及環(huán)境條件等，據(jù)此我們建立商用車燃油消耗量數(shù)學模型，將全部測量不確定度來源包含在內，逐步分析各個測量不確定度分量對最終試驗結果的影響。

3 數(shù)學模型的建立

按照法規(guī)標準中要求的測量方法，氣體污染物排放測量的數(shù)學模型如下：

式中:Mi為排氣污染物排放量，g/km；Vmix為稀釋排氣容積（0°下標況），m3；Qi為標況下污染物濃度，g/L；k為NOx計算中的校正系數(shù),其他氣態(tài)污染物為1；Ci為排氣污染物的校正濃度，10-6；d 為試驗循環(huán)的行駛里程，km。

式中：Q 為燃料消耗量，L/100 km；HC 為測得的碳氫化合物排放量，g/km；CO 為測得的一氧化碳排放量，g/km；CO2為測得的二氧化碳排放量，g/km；ρg為15 ℃下的燃料密度，kg/L。

4 不確定度評定

4.1 A 類標準不確定度評定

人員操作影響試驗數(shù)據(jù)重復性是不可避免的，多次試驗的重復性是考察試驗結果準確度的一個指標。以燃料消耗量為例，試驗重復性指的是在不同試驗循環(huán)駕駛過程中駕駛員對油門踏板、制動踏板以及變速器擋位變更的使用存在不一致的現(xiàn)象。我們可以使用A 類不確定度評價試驗人員操作重復性帶來的測量影響，同時試驗中某些因素對試驗結果的影響程度無法使用計算公式量化評估，歸為A 類不確定度，本試驗中包括試驗室的環(huán)境中大氣壓力和溫度變化，試驗人員操作，A 類不確定度可以通過試驗重復性計算使用重復性評估。

采用同一組試驗人員，對同一輛車，在相同的試驗條件下獨立進行6 次重復試驗，最終試驗觀測結果如表3 所示，通過貝塞爾公式計算單次測量的標準差即由于人員操作產(chǎn)生的標準不確定度分量ua，結果如表3 所示，計算得到的實際燃油消耗量的A類不確定度為0.275%。

由于標準要求試驗駕駛員操作須將實際車速控制在理論車速±3 km/h 允差范圍內。根據(jù)JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示規(guī)定：當隨機效應或系統(tǒng)效應導致的不確定度分量，既可以按統(tǒng)計方法獲得，又可以用其他方法評定時，只允許在uc（y）中包含其中一個，故此處不再對車速誤差進行B 類評定。A 類評定結果已經(jīng)廣泛包含人員操作（車輛固定安裝、駕駛操作及車輛預處理等）帶來的影響。

表3 試驗結果信息統(tǒng)計表

4.2 B 類標準不確定度分量評定

燃料消耗量B 類不確定度公式如下：

參考試驗循環(huán)C-WTVC 對CO2、CO 及HC 測量結果進行分析計算。公式（1）符合JJF1059.1-2012 中的函數(shù)關系，公式中各參數(shù)獨立，可以采用標準不確定度進行評定，即：

4.2.1 稀釋排氣容積Vmix標準不確定度的評定

重型車排放污染物測試系統(tǒng)采用文丘里管測定稀釋氣體容積，該6 次試驗的試驗數(shù)據(jù)如表所示。

式中：t 為試驗總時間；C 為CFV 標定系數(shù)；P 為CFV入口壓力，kPa；T 為CFV 入口溫度，K。

查測量儀說明書得知t 的半寬t=0.05 s，服從均勻分布，k=，則

查HORIBA 分析儀CVS7400T 出廠檢驗報告得到C 的不確定度為0.159 7%

根據(jù)說明書該壓力測量裝置為：

測量范圍：0～108 kPa，最大允許誤差服從均勻分布，則k=3

根據(jù)儀器說明溫度測量裝置為Pt100，最大誤差為±1.0%F.S.；測量范圍0～100℃，則測量誤差T=±1.0%×100=±1.0 ℃=±1.0K。服從均勻分布，則k=3

4.2.2 污染物濃度相對標準值不確定度

燃料消耗量碳平衡法試驗所采用設備精度如表4 所示，分析計算分析儀帶的不確定度分量。

表4 設備分析儀信息表

4.2.3 修正系數(shù)標準不確定度的評定

稀釋空氣的修正系數(shù)k 計算公式為：

式中：H 為進氣的絕對濕度。

進氣絕對濕度的計算公式為：

式中：Ra為相對濕度，Pd為飽和蒸氣壓，Pb為大氣壓力。

進氣飽和蒸氣壓可以依據(jù)進氣溫度通過查表獲得。

根據(jù)測量儀器的允許誤差范圍，本次試驗中所使用的的溫度計、壓力計和濕度計的儀器不確定度均為1%，通過計算得到修正系數(shù)k 的不確定度為0.953 2%。

2.2.4 駕駛距離相對標準不確定度的評定

按照底盤測功機裝置距離測量的最大允許誤差為0.5%，其結果服從矩形分布，取k=3，u=算后獲得駕駛距離相對標準不確定度為0.288 7%。

綜合可知各污染物測量不確定度，CO 測量不確定度為=2.243%，CO2測量不確定度為1.739%，THC測量不確定度為2.451%，測量油耗B 類不確定度為0.412%

5 排放污染物質量合成標準不確定度

通過碳平衡法計算燃料消耗量僅與CO2、CO 和HC 的濃度質量有關，根據(jù)JJF1059-2002 中提供的測量不確定度計算方法，計算各分量的不確定度。最終獲得B 類不確定度，合成不確定度為A 類和B 類的組合：

6 擴展不確定度

計算擴展不確定度，包含因子k 取為2，得：

實際燃油消耗量的不確定度是0.992%，4 495 kg貨車油耗試驗值為12.208 L/100 km，故實際燃油消耗量不確定度為0.119 L/100 km。

7 結束語

依據(jù)不確定度評定方法，根據(jù)商用車燃料消耗量測量方法，從重型車排放污染物測試設備、試驗環(huán)境、人員操作等方面對燃料消耗量不確定度進行分析，評估各因素對測量商用車油耗影響。從結果可知，A 類不確定度占擴展不確定度的27.7%，說明試驗重復性操作對試驗結果影響較小，試驗結果穩(wěn)定，人員對試驗結果影響程度較小，試驗系統(tǒng)的測試精度是影響不確定度的主要因素。通過本次商用車燃料消耗量不確定度的評定，了解了油耗測量試驗不確定程度，保證了商用車燃料消耗量試驗的可靠性和設備重復操作測量的穩(wěn)定性。