國(guó)六輕型車排氣污染物中甲烷的不確定度評(píng)定

張鳳鳴

摘 要：本文介紹了汽車排氣污染物中甲烷的生成機(jī)理，闡明了甲烷排放的危害和測(cè)量的必要性，在評(píng)定其不確定度的過(guò)程中，按GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中Ⅰ型試驗(yàn)流程開展試驗(yàn)，對(duì)底盤測(cè)功機(jī)和稀釋采樣系統(tǒng)等設(shè)備、環(huán)境條件、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、人為操作等可能會(huì)影響排放結(jié)果的因素進(jìn)行了評(píng)估，計(jì)算排氣污染物中甲烷的不確定度。結(jié)果證明，在保證試驗(yàn)和標(biāo)氣質(zhì)量的情況下，甲烷排氣測(cè)量結(jié)果置信度是很高的。

關(guān)鍵詞：輕型汽車 甲烷 不確定度

Abstract：This article introduces the generation mechanism of methane in automobile exhaust pollutants， and clarifies the hazards of methane emissions and the necessity of measurement. In the process of assessing its uncertainty， according to GB18352.6-2016 "Light Vehicle Pollutant Emissions" Limits and Measurement Methods （China Phase 6）" Type I test process is carried out to test the chassis dynamometer and dilution sampling system and other equipment， environmental conditions， reference materials， human operations and other factors that may affect the emission results. The article evaluates and calculates the uncertainty of methane in exhaust pollutants. The result proves that under the condition of ensuring the quality of the test and the calibration gas， the confidence of the methane exhaust measurement results is very high.

Key words：Light Vehicles， Methane， uncertainty of measurement

1 研究背景

隨著環(huán)境保護(hù)日益成為人類發(fā)展的重要議題之一，中國(guó)、歐盟、美國(guó)等世界主要國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)都在逐步加嚴(yán)。以中國(guó)為例，2020年正式實(shí)施的國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)相比國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，各種污染物的限值平均下降了30%，降幅巨大。排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物控制種類的增加、限值的降低持續(xù)促進(jìn)著機(jī)動(dòng)車排放控制技術(shù)的提高，從而降低了機(jī)動(dòng)車排氣污染物的水平。這也對(duì)排放實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過(guò)程中排氣污染物測(cè)量的準(zhǔn)確度提出了更高要求。本文以排氣污染物中甲烷成分為例，按照GB18352.6-2016中Ⅰ型試驗(yàn)要求重復(fù)3次，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出了甲烷的測(cè)量不確定度，評(píng)價(jià)了試驗(yàn)結(jié)果的置信程度。

2 甲烷生成機(jī)理及其危害

輕型汽油車的發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中，會(huì)因?yàn)楦變?nèi)汽油液滴與空氣混合不均、燃燒室壁面淬熄效應(yīng)、狹隙效應(yīng)等因素導(dǎo)致燃燒不完全從而產(chǎn)生甲烷。此外，氣缸壁上的潤(rùn)滑油膜在缸內(nèi)壓力高時(shí)吸附甲烷，在壓力低時(shí)解吸，阻礙甲烷的后續(xù)氧化，并且甲烷因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定難以通過(guò)汽車排氣后處理系統(tǒng)消除[1]，最終造成甲烷排放至大氣中。

甲烷作為一種高效的溫室氣體，等質(zhì)量的甲烷的吸熱量是二氧化碳的21～23倍[2]，在大氣中的壽命約為12年，其對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約占15%[3]。它同CO2、N2O、HFCs等其他溫室氣體和氣溶膠一道，打亂大氣層輻射平衡、改變地表反射率從而造成溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)帶來(lái)了極端天氣頻率的增加和全球平均氣溫的一路飆升。據(jù)世界氣象組織（WMO）統(tǒng)計(jì)，1851年人類工業(yè)革命開始至2020年，全球平均表面溫度呈明顯上漲趨勢(shì)，2020年是有歷史記錄以來(lái)第二熱的一年。因此，在愈加關(guān)注氣候變化和碳排放的當(dāng)下，控制甲烷排放必要性非常高。我國(guó)的輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)GB18352.6-2016是以控制總碳?xì)浠衔锏姆绞介g接控制甲烷排放量。

3 不確定度評(píng)定概述

根據(jù)GB18352.6-2016對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行3次Ⅰ型試驗(yàn)[4]，再參考JJF1059.1-2012對(duì)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定[5]，試驗(yàn)所用的設(shè)備、標(biāo)氣相關(guān)信息如表1：

4 檢測(cè)原理和程序

排放分析儀中甲烷的測(cè)量采用氣相色譜分析（GC）和氫火焰（FID）聯(lián)用法。兩根接續(xù)色譜柱中的一根只允許甲烷通過(guò)，而后甲烷通過(guò)H2/He混合氣和合成空氣組成燃料和助燃劑形成的氫火焰，燃燒后產(chǎn)生碳離子，碳離子在電極板之間的電壓作用下轉(zhuǎn)移至極板上并在兩極板間形成電流，測(cè)量極板間的電流大小即可計(jì)算出樣氣中甲烷氣體濃度。

檢測(cè)程序如下：

（1）被測(cè)車輛固定在底盤測(cè)功機(jī)滾筒上。

（2）按車輛驅(qū)動(dòng)方式、尺寸質(zhì)量等默認(rèn)參數(shù)計(jì)算當(dāng)量慣量和默認(rèn)道路載荷系數(shù)f1，f2，f3，經(jīng)滑行驗(yàn)證后由底盤測(cè)功機(jī)模擬樣車實(shí)際道路載荷。

（3）運(yùn)行WLTC循環(huán)并對(duì)排氣進(jìn)行稀釋和氣袋采樣。

（4）采樣完成后對(duì)氣袋中的稀釋排氣進(jìn)行測(cè)量。

（5）計(jì)算結(jié)果。

5 影響因素分析

6 數(shù)學(xué)模型

6.1 根據(jù)GB18352.6-2016中氣體排放質(zhì)量計(jì)算公式[4]，計(jì)算汽油車甲烷測(cè)量結(jié)果的不確定度。計(jì)算公式如下（本文詳述超高速段污染物，低速、中速、高速計(jì)算方法相同）：

式中，為甲烷的排放質(zhì)量，mg/km;

為排氣容積（修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），L/試驗(yàn);

式中，

PB為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大氣壓力，單位kPa;

P1為文氏管進(jìn)口處相對(duì)于環(huán)境大氣壓的真空度，kPa;

TP為試驗(yàn)期間進(jìn)入文氏管的稀釋排氣平均溫度，K;

為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.15K和101.325kPa），甲烷的密度，即0.716g/L;

為用于污染物排放質(zhì)量的濕度修正系數(shù)，對(duì)于甲烷，=1;

為稀釋排氣中甲烷的校正濃度，

氣袋中污染物校正濃度公式如下：

為稀釋排氣中的甲烷濃度，ppm;

為稀釋空氣中的甲烷濃度，ppm;

為稀釋系數(shù)。試驗(yàn)所用樣車為汽油車，所以公式如下：

d為車輛在WLTC循環(huán)超高速段所行駛的實(shí)際距離，km。

6.2 考慮上述影響測(cè)量不確定度的因素，乘以修正因子f1（f1=1），可建立數(shù)學(xué)模型如下：

整理后，

則常溫下甲烷排氣污染物質(zhì)量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

6.3 的不確定因素如下：

（1）重復(fù)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

（2）稀釋排氣體積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

（3）稀釋排氣中甲烷的校正濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，包括甲烷分析儀和標(biāo)準(zhǔn)氣兩個(gè)子因素;

（4）車輛實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

6.4 靈敏系數(shù)

為重復(fù)測(cè)量的靈敏系數(shù)，取1;

為稀釋排氣體積的靈敏系數(shù)，取1;

為稀釋排氣中甲烷校正后濃度的靈敏系數(shù)，取1;

為車輛實(shí)際行駛距離的靈敏系數(shù)，取-1[6]。

7 試驗(yàn)結(jié)果不確定度評(píng)估

對(duì)樣車進(jìn)行三次Ⅰ型試驗(yàn)，其超高速段試驗(yàn)結(jié)果如表2。

7.1 重復(fù)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

甲烷排放量平均值：

由于實(shí)際測(cè)量中每個(gè)氣袋僅讀袋一次，所以有

重復(fù)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

7.2 稀釋排氣體積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

全流稀釋采樣系統(tǒng)最大允許誤差為±0.3%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子等于，則其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

7.3 稀釋排氣中甲烷的校正濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由兩部分合成，分別為分析儀分量和甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣分量。

查試驗(yàn)使用的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為 3.99ppm，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為1.0%，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)氣引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

甲烷分析儀最大允許誤差為示值的±2.0%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子等于，則甲烷分析儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

兩個(gè)分量互不相關(guān)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

稀釋排氣中甲烷的校正濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

7.4 實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)底盤測(cè)功機(jī)的技術(shù)協(xié)議，轉(zhuǎn)轂表面線速度準(zhǔn)確度為±0.1%FS.WLTC超高速段最大速度為 131.3km/h，測(cè)試時(shí)間為323s，則樣車超高速段實(shí)際行駛距離的變化范圍為±0.001×131.3/3600×323=±0.0118km，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，其包含因子等于，區(qū)間半寬為0.0118km，實(shí)際行駛距離引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

樣車超高速段實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

匯總可得（保留三位有效數(shù)字）：（表3）

8 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由公式（1），帶入表2中各不確定度分量，則相對(duì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

超高速段甲烷平均排放量=1.858mg/km，則常溫下冷起動(dòng)后甲烷排放量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

9 擴(kuò)展不確定度評(píng)估

取包含因子k=2，則常溫下冷起動(dòng)后甲烷排放量的擴(kuò)展不確定度為：

10 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上文計(jì)算，得出常溫下冷起動(dòng)后甲烷排放量的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為7.84%，k=2。從各不確定度分量占比來(lái)看，實(shí)驗(yàn)室如能保證試驗(yàn)過(guò)程的一致性和標(biāo)準(zhǔn)氣體質(zhì)量，Ⅰ型試驗(yàn)甲烷排放結(jié)果的置信度是很高的。

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[6]周猛，解難，楊帆等.國(guó)Ⅵ輕型車污染物不確定度評(píng)價(jià)[J].汽車工程師，2019（4）：48.