輕型車污染物NOx排放量的不確定度評定

彭頌　鐘能超　蔣一春

摘 要：論文以我國的輕型汽油車為重點(diǎn)研究對象，并依據(jù)我國的測量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)范，依據(jù)《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》進(jìn)行了I型試驗，通過對引起測試結(jié)果不定性改變的主要因素進(jìn)行了分析和計算，從而判斷汽車所排出的NOx排放量的測量不確定度。根據(jù)結(jié)果可知，在保持測量過程統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)量的條件下，對NOx排放檢測結(jié)果的置信性影響是很大的。

關(guān)鍵詞：輕型汽油車 測量不確定度 Ⅰ型試驗

1 引言

由于環(huán)境對人類發(fā)展的不可或缺，近年來空氣污染標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，污染限值也在日益減少，同時對輕型車污染控制的日益提高，汽車污染排放量也已大幅度降低，不少車輛都已達(dá)到國六標(biāo)準(zhǔn)的水平，也導(dǎo)致了對試驗室中排放設(shè)備的精度檢測要求也愈來愈高。但檢測設(shè)備如底盤測功機(jī)、分析儀的準(zhǔn)確度要求很高，而且大多數(shù)都是從國外引進(jìn)，國家計量部門對其中一些項目無法計量，此類設(shè)備在國內(nèi)只有少數(shù)實(shí)驗室擁有，而且測試成本相對較高，影響測量結(jié)果的因素比較復(fù)雜。為了進(jìn)一步評價檢測設(shè)備的準(zhǔn)確度控制范圍，我們按照J(rèn)JF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定的評定標(biāo)準(zhǔn)，以《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》為依據(jù)，按照相關(guān)試驗要求重復(fù)進(jìn)行五次I型試驗。為了更準(zhǔn)確地了解I型試驗NOx排放結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確度，在對試驗結(jié)果和試驗裝置進(jìn)行綜合考慮后，對NOx不確定度進(jìn)行了評估。

2 試驗程序

2.1 試驗樣車、測試循環(huán)、試驗用設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

本次試驗樣車選擇為某款符合中國第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車，所有排放試驗都按照《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》附錄C中I型試驗的各項規(guī)定進(jìn)行操作，測試循環(huán)系統(tǒng)為WLTC（國內(nèi)統(tǒng)一輕型機(jī)動車測試的循環(huán)系統(tǒng)），測試周期的總時限為1800秒，其在低速運(yùn)行階段、中速段、高速階段、超高速階段的累計停留時間分別為589s、433s、455s、323s。試驗循環(huán)曲線如圖1，試驗的所有設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)都在表1所呈現(xiàn)。

2.2 試驗方法

測試前，對底盤測功機(jī)和排放分析儀均進(jìn)行了標(biāo)定和校正，試驗室溫度在（23±5）℃，預(yù)置間浸車溫度控制在（23±3）℃，樣車浸置6h～36h，并采用固定運(yùn)轉(zhuǎn)法確定了底盤測功機(jī)負(fù)荷，測功機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)軟件操作下完成了四次滑行試驗，當(dāng)實(shí)現(xiàn)首次正?；性囼灪?，標(biāo)準(zhǔn)可計算得出測功機(jī)設(shè)定系數(shù)作為二次滑行的設(shè)定值，而以后的第三次滑行試驗也按照標(biāo)準(zhǔn)的計算結(jié)果得出的測功機(jī)設(shè)定系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。每次試驗前預(yù)熱底盤測功機(jī)30min，流量設(shè)置保持一致，分析儀采取同樣量程，無更換標(biāo)準(zhǔn)氣體，連續(xù)五天進(jìn)行重復(fù)I型試驗。

3 影響因素分析

4 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，車輛常溫下各速度區(qū)段的排氣污染物排放量的計算公式為（文中主要以低速運(yùn)行段污染物為例，中速段、高速段、超高速段的計算公式依此類推）：

式中：

Mi----污染物i的排放量，g/km；

Vmix----標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.2K和101.33kPa）稀釋排氣的總?cè)莘e，L/試驗；

ρi----標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（273.2K和101.33kPa）污染物i的密度，NOx的值為2.05g/L；

kH----用于計量氮氧化物的排放質(zhì)量的濕度修正系數(shù)；

Ci----稀釋排氣中污染物 i 的體積分?jǐn)?shù)，用于稀釋空氣中所含污染物的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正，ppm;

d----相當(dāng)于測試循環(huán)的實(shí)際距離，km

為修正空氣濕度對NOx值測量結(jié)果的影響，可用以下計算公式：

H=

式中：H----絕對濕度（水/干空氣），g/kg;

Ra---環(huán)境空氣的相對濕度，%;

Pd----環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓，kPa。

PB---室內(nèi)大氣壓，kPa

考慮各種影響測量結(jié)果不確定度的分量來源，建立NOx輸出量的數(shù)學(xué)模型如下：

MNOx=2.05×10-6×

設(shè)，則：

即在常溫下，污染物NOx排放量的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下：

該模型檢測參數(shù)繁多，且部分參數(shù)在標(biāo)定和校正時有所反映，因此一般在對各個不確定度分量的評定中不予考慮，總輸出量MNOx的不穩(wěn)定來源大致包括以下五個方面：

1）測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

2）因稀釋排氣的總?cè)莘e引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

3）由稀釋排氣中污染物的校正濃度而引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，涉及兩個來源：分析儀和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的影響；

4）由汽車測試時的實(shí)際行駛距離引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

5）自變量Z值所導(dǎo)致的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，，由絕對濕度H值所導(dǎo)致。

靈敏系數(shù)：

，為重復(fù)測量的靈敏系數(shù)；

，為混合排氣容積的靈敏系數(shù)；

，為稀釋排氣中污染物的校正濃度的靈敏系數(shù);

，為汽車測試中的實(shí)際行駛距離的靈敏系數(shù);

，為自變量Z的靈敏系數(shù)；

5 測量結(jié)果的不確定度分析

對樣車進(jìn)行了五次I型試驗，其中低速段的試驗結(jié)果如表2所給出。

5.1 測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

測量結(jié)果的算術(shù)平均值：

由于在實(shí)際過程中只進(jìn)行 1 次試驗，所以因測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

5.2 稀釋排氣的總?cè)莘eVmix的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)定容采樣系統(tǒng)說明書，其最大容許偏差范圍為±0.2%，在此范圍內(nèi)服從均勻分布，其包含因子為，因此而引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（Vmix）為：

5.3 稀釋排氣中污染物濃度Ci的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由兩個分量合成，為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和分析設(shè)備引入的不確定度。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)生產(chǎn)廠的氮氧化物（NOX）的標(biāo)準(zhǔn)含量為10.18ppm，相對擴(kuò)展不確定度為1%，即k取2，則標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

通過分析儀說明書，可以得知NOx分析儀的最大誤差范圍為1.0%FS，選用的量程為10ppm，則分析結(jié)果的最大變化范圍為±（0.01*10）=±0.1ppm。在此范圍內(nèi)服從均勻分布，其包含因子為，區(qū)間半寬為0.1ppm，那么分析儀中所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

兩個分量彼此不相關(guān)，其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示為：

則稀釋排氣中污染物的校正濃度Ci的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5.4 自變量Z的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)說明書，絕對濕度H的最大容許偏差為±5%，上述計算的5次試驗絕對濕度均值為7.926g/kg，因此絕對濕度的變化范圍如下：±（7.926*0.05）=±0.396g/kg。在此范圍內(nèi)服從均勻分布，包含因子為，區(qū)間半寬為0.396g/kg，即由絕對濕度H引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

則自變量Z的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

5.5 汽車測試時的實(shí)際行駛距離d的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

按照汽車底盤測功機(jī)的說明書，轉(zhuǎn)鼓速度的最大容許偏差為±0.02km/h，其低速段測量時限為589s，而該車的實(shí)測行駛距離的變化范圍如下：

±（0.02/3600*589）=±0.0033km，在此范圍內(nèi)服從均勻分布，包含因子為，區(qū)間半寬為0.0033km，由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u（d）===0.0019km

汽車在低速段實(shí)際行駛距離d的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

ur（d）===0.00047

5.6 列表給出不確定度匯總?cè)缦拢?/p>

5.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

將各個來源的不確定度值和靈敏系數(shù)代入公式計算，即可得出合成的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

=0.062

本次試驗的，則常溫冷起動后NOx排放量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.8 擴(kuò)展不確定度評定

取包含因子k=2，其擴(kuò)展不確定度如下：

6 報告試驗結(jié)果和擴(kuò)展不確定度

該款樣車5次I型試驗NOx排放量MNOx的均值為0.050g/km，其擴(kuò)展不確定度為：U=0.006g/km，k=2。相對擴(kuò)展不確定度為：Urel=12.0%，k=2。

7 結(jié)論

經(jīng)上述計算，得知常溫下冷起動后NOx排放量的相對擴(kuò)展不確定度為12.0%，k=2。從各不確定度分量的比分析，重復(fù)性不確定度、分析設(shè)備質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所引入的不確定度對測量結(jié)果影響都很大，在試驗過程中應(yīng)保持測量過程的統(tǒng)一性，嚴(yán)格做好對分析設(shè)備的質(zhì)量控制，提高儀器精度，并嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的質(zhì)量和等級，在保持測量過程統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)量的條件下，對NOx排放檢測結(jié)果的置信性影響是很大的。

參考文獻(xiàn)：

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