輕型車10 nm顆粒物數(shù)量排放測量不確定度研究

摘要：選取一輛符合國六B排放標準的輕型車，在CVS定容稀釋取樣排放轉(zhuǎn)鼓試驗室進行5次世界輕型車測試工況（WorldLightVehicleTestCycle，WLTC）的常溫下冷啟動后排氣污染物排放測試，對10nm顆粒物數(shù)量排放進行測量。通過對10nm顆粒物數(shù)量排放的影響因素和不確定度來源進行分析，結(jié)合測試理論建立相應(yīng)數(shù)學模型，得到了不確定度的評定結(jié)果。

關(guān)鍵詞：10nm顆粒物數(shù)量排放;不確定度評定;數(shù)學模型

中圖分類號：U467收稿日期：2024-11-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.028

1前言

2024年歐盟理事會正式發(fā)布（EU）2024/1257[1]號條例，輕型車排放增加了直徑10nm以上顆粒物數(shù)量排放限值要求，加強了對輕型車尾氣顆粒物直徑的管控，同時數(shù)量限值相比23nm顆粒物數(shù)量要求依然維持在6×1011#/km。國內(nèi)外的研究已表明10nm顆粒物對人體健康存在影響，我國當前正在研究下一階段輕型車排放標準，預(yù)計將會對尾氣顆粒物數(shù)量排放的管控要求從現(xiàn)階段國六標準要求的直徑23nm以上的顆粒物數(shù)量（SPN23）擴展為直徑10nm以上的顆粒物數(shù)量（SPN10）。

為精確評價當前符合國六排放標準的輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放結(jié)果，選擇了一輛符合輕型車國六B階段排放要求的汽油車作為評價對象，按照CNAS—GL023：2018[2]、CNAS—CL01—G003：2021[3]、GB18352.6—2016[4]、JJF1001—2011[5]、JJF1059.1—2012[6]的要求進行輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放測量不確定度評定。

2試驗參數(shù)

2.1車輛參數(shù)

本次不確定度評定挑選一輛符合輕型車國六B階段標準要求的汽油車進行測試，車輛采用增壓直噴技術(shù)，配備三元催化器和顆粒捕捉器進行顆粒物排放優(yōu)化，車輛的主要參數(shù)如表1所示。

2.2試驗室參數(shù)

本次不確定度評定試驗室配備高低溫環(huán)境艙來進行試驗溫、濕度條件模擬及控制，使用四驅(qū)底盤測功機進行車輛排放測量過程中的道路阻力模擬及車速、行駛距離的測量，使用定容稀釋采樣系統(tǒng)、顆粒物稀釋通道對車輛排放尾氣進行稀釋后采樣，通過10nm顆粒計數(shù)器進行SPN10的測量，主要的設(shè)備信息如表2所示。

3試驗方法

本次不確定度評定按照GB18352.6—2016的要求進行5次常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗，車輛嚴格按照標準要求依次進行預(yù)熱、轉(zhuǎn)鼓道路阻力模擬、預(yù)處理、浸車12～15h、正式排放測試流程進行，每次正式排放測試前確保各個測試設(shè)備、系統(tǒng)預(yù)熱狀態(tài)良好，排放取樣系統(tǒng)、10nm顆粒計數(shù)器等完成設(shè)備檢查和標定，以確保10nm顆粒物數(shù)量排放測量結(jié)果的準確性。

4試驗數(shù)據(jù)及不確定度評定

4.1影響因素分析

10nm顆粒物數(shù)量排放使用顆粒計數(shù)器在指定的粒度范圍內(nèi)實時測量車輛、發(fā)動機尾氣（稀釋或原始）中的固體顆粒物濃度，是以PMP（ParticulateMeasurementProgram）所推薦的測量原理為基礎(chǔ)的固體顆粒物計數(shù)裝置，車輛尾氣首先進入稀釋通道進行稀釋，然后進入顆粒計數(shù)器的前置分級器去除粒徑較大的顆粒。接著進入采用150℃以上的熱空氣來稀釋排氣的一級加熱稀釋器，再進入加熱到300～400℃的蒸發(fā)管（ET）蒸發(fā)處理樣氣中的揮發(fā)性顆粒，最后用二級稀釋冷卻器降低揮發(fā)性顆粒濃度，減少顆粒冷凝現(xiàn)象，防止形成新的揮發(fā)性顆粒。稀釋過程充分考慮到由于熱泳而引起的顆粒損失，最后用CPC計數(shù)器直接測量10nm顆粒物的濃度，用來計算10nm顆粒物數(shù)量排放。

輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放測量受多方面因素的共同影響，首先是測試設(shè)備、儀器的精確度和穩(wěn)定性引入的不確定度帶來的直接影響，其次是在排放測試過程中整車、駕駛質(zhì)量造成的實際顆粒物數(shù)量排放量波動引入的不確定度。結(jié)合標準提供的10nm顆粒物數(shù)量排放計算公式和相應(yīng)測試經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)影響10nm顆粒物數(shù)量排放測量結(jié)果的主要因素有稀釋后車輛尾氣容積、測試過程中車輛行駛距離、顆粒計數(shù)器系統(tǒng)精度、轉(zhuǎn)鼓阻力模擬、車輛胎壓、司機駕駛質(zhì)量、燃油品質(zhì)等。

4.1.1稀釋后車輛尾氣容積[Vmix]

從測量原理上看，稀釋后車輛尾氣容積直接參與10nm顆粒物數(shù)量排放的計算，其首先由測試開始前進行CVS流量設(shè)置時選用的文丘里管流量與測試時間進行積分計算，然后按照標準要求校正至標準狀態(tài)（273.2K，101.33kPa）下得到。本次不確定度評定使用的CVS定容稀釋取樣系統(tǒng)可以根據(jù)實時大氣壓力、容積泵進口處相對于環(huán)境大氣壓的真空度以及進入容積泵的稀釋排氣平均溫度對采樣容積進行修正，可以直接給出每次測試校正后的稀釋后車輛尾氣容積。根據(jù)CVS定容稀釋取樣系統(tǒng)的說明書，稀釋后車輛尾氣容積采用B類不確定度進行評價。

4.1.2車輛行駛距離[d]

車輛在測試過程中的行駛距離一般在測試過程中由底盤測功機直接給出（在測試過程中不發(fā)生車輪打滑的情況下默認車輪與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)線速度相同），是利用底盤測功機測量的滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒直徑并乘以采樣時間得到，由于滾筒直徑為設(shè)定常量，測試時間由底盤測功機軟件程序控制，其產(chǎn)生的不確定度可以忽略，因此以底盤測功機速度測量誤差作為主要因素分析，根據(jù)使用底盤測功機的說明書，采用B類不確定度評估。

4.1.3顆粒計數(shù)器平均粒子濃度縮減系數(shù)[fr]

顆粒計數(shù)器平均粒子濃度縮減系數(shù)直接參與10nm顆粒物數(shù)量排放的計算。測試過程中對顆粒計數(shù)器的稀釋比進行選用、設(shè)置，根據(jù)粒子計數(shù)器的設(shè)備屬性由響應(yīng)的平均粒子濃度縮減系數(shù)參與排放結(jié)果的計算，因此，關(guān)鍵因素就歸結(jié)為均粒子濃度縮減系數(shù)參數(shù)的準確性，根據(jù)顆粒計數(shù)器系統(tǒng)的說明書，平均粒子濃度縮減系數(shù)精度采用B類不確定度進行評價。

4.1.4顆粒計數(shù)器顆粒濃度[Ci]

稀釋氣體粒子濃度一般用完整排放測試循環(huán)或者速度段的平均粒子數(shù)表示，直接參與結(jié)果的計算。而平均粒子濃度又是通過計數(shù)器每次測量的粒子濃度總和除以測量次數(shù)，測量次數(shù)是基于設(shè)備測量頻率（1s）和循環(huán)時間（1800s）來確定。因此，關(guān)鍵因素就歸結(jié)為稀釋排氣中的顆粒濃度的測量。

顆粒濃度的測量受兩部分影響，顆粒計數(shù)器的線性標定系數(shù)直接影響顆粒濃度讀數(shù)的準確性，根據(jù)顆粒計數(shù)器系統(tǒng)的說明書，采用B類不確定度進行評價。同時稀釋排氣是在去除揮發(fā)性粒子后再進入計數(shù)模塊進行測量，揮發(fā)性粒子去除效率作為系統(tǒng)測量基礎(chǔ)，在經(jīng)過校準、檢定后整體影響到顆粒物計數(shù)濃度，根據(jù)顆粒計數(shù)器系統(tǒng)的說明書，粒子去除效率精度采用B類不確定度進行評價。

4.1.5測量重復(fù)性引入的不確定度[f]1

針對下列在評定過程中發(fā)現(xiàn)的對測試結(jié)果存在影響的因素，因無法進行數(shù)學建模呈現(xiàn)，建議用重復(fù)性試驗納入A類不確定度：a.試驗室內(nèi)的溫度、濕度、壓力等影響車輛進氣效果、后處理狀態(tài)等，進而影響發(fā)動機燃燒情況，最終影響排放量。b.底盤測功機的阻力模擬、風機跟隨等影響試驗過程中車輛負荷、進氣條件、散熱條件等，進而影響排放量。c.車輛胎壓、司機駕駛質(zhì)量直接影響試驗過程中車輛負荷、發(fā)動機燃燒特性等，進而影響排放量。d.燃油品質(zhì)及各組分含量直接影響燃油、空氣的混合以及發(fā)動機燃燒質(zhì)量，進而影響排放量。

將上述所列的影響因素所產(chǎn)生的重復(fù)性因素進行合并視為10nm顆粒物數(shù)量排放測量的重復(fù)性因素，采用A類不確定度進行評價。綜上，輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放測量不確定度的影響關(guān)系如圖1所示。

4.2數(shù)學模型建立

參考GB18352.6—2016中要求，對整個WLTC循環(huán)的10nm顆粒物數(shù)量排放進行測量，在測試過程中顆粒物樣氣首先進入顆粒計數(shù)器經(jīng)測量后經(jīng)SRC單元再次回到稀釋通道內(nèi)，同時未能同步測量稀釋氣的顆粒物數(shù)量濃度（不進行背景修正），因此10nm顆粒物數(shù)量排放結(jié)果計算公式如下：

[SPN10=VmixkCsfr×106d]"""""""""（1）

[Cs=i=1nCin，n=tf]"""""""""""""（2）

式中，[SPN10]為10nm顆粒物數(shù)量排放，#/km；[Vmix]為稀釋后車輛尾氣容積（已校正至標準狀態(tài)），L/試驗；[k]為校正系數(shù)，未校準時[k]是測量結(jié)果校正至基準儀器水平的系數(shù)，如果已校準則[k]值取1；[Cs]為標準狀態(tài)下稀釋排氣粒子濃度（完整排放測試循環(huán)或速度段的平均粒子數(shù)），#/cm3；[fr]為測試選定的揮發(fā)性粒子去除器的平均粒子濃度減縮系數(shù)；[d]為測試循環(huán)的實際距離，km;[Ci]為粒子計數(shù)器每次測量的稀釋排氣中的粒子濃度，#/cm3；[n]為測試循環(huán)進行粒子濃度測量的總次數(shù)；[t]為循環(huán)持續(xù)時間，s，按1800s計算；[f]為粒子計數(shù)器的計數(shù)頻率，Hz，按1Hz計算。

考慮上述影響10nm顆粒物數(shù)量排放測量不確定度的所有來源，并乘以測量重復(fù)性影響因素的修正因子[f1]，建立數(shù)學模型如下：

[SPN10=1061800f1Vmixi=1nCifrd]"""""""""（3）

則10nm顆粒物數(shù)量排放的相對合成標準不確定度、合成標準不確定度分別為：

[ucr（MSPN10）=i=1n（c（xi）u（xi））2]""""""（4）

[uc（MSPN10）=ucr（MSPN10）MSPN10]""""""""（5）

式中，[ucr（MSPN10）]為合成相對標準不確定度；[c（xi）]為第i個因素引入的A類、B類或者A類和B類合成不確定度分量的靈敏系數(shù)；[u（xi）]為第i個因素引入的A類、B類或者A類和B類合成不確定度。

由于包含因子k=2，10nm顆粒物數(shù)量排放的相對擴展標準不確定度、擴展標準不確定度分別為：

[U（MSPN10）=kuc（MSPN10）]"""""""""（6）

[Urel（MSPN10）=kucr（MSPN10）]""""""""（7）

4.3靈敏系數(shù)確認

依據(jù)JJF1059—1999中第6.6條的式20可知，對于相對不確定度，靈敏系數(shù)是冪的次數(shù)。對此例各影響量的靈敏系數(shù)分別為：a.測量重復(fù)性引入的相對標準不確定度靈敏系數(shù)，[Cf1=1]；b.稀釋后車輛尾氣容積引入的相對標準不確定度靈敏系數(shù)，[C（Vmix）=1]；c.顆粒計數(shù)器平均粒子濃度縮減系數(shù)引入的相對標準不確定度靈敏系數(shù)，[Cfr=1]；d.顆粒計數(shù)器顆粒濃度引入的相對標準不確定度靈敏系數(shù)，[CCi=1]；e.車輛行駛距離引入的相對標準不確定度靈敏系數(shù)，[Cd=?1]。

4.4試驗數(shù)據(jù)

本次不確定度評定5次WLTC工況下的常溫下冷啟動后排氣污染物排放測試結(jié)果如表3所示。

5不確定評定

5.1測量重復(fù)性引入的相對標準不確定度評定

測量結(jié)果的算術(shù)平均值：

[MSPN10=i=13Mi3=2.34×1011#/km]

由于實際排放測試一般只測量1次，所以測量重復(fù)性標準不確定度：

[uf1=u（MSPN10）1=i=13（Mi?M）2（n?1）×1=7.39×109#/km]

10nm顆粒物數(shù)量排放測量重復(fù)性相對標準不確定度：

[urf1=uf1M=7.39×1092.34×1011=0.0316]

5.2稀釋后車輛尾氣容積引入的相對標準不確定度評定

根據(jù)CVS定容取樣分析系統(tǒng)說明書，最大允許誤差為±1%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為[3]，由此引入的標準不確定度：

[urVmix=a（Vmix）k=0.013=0.0058]

5.3平均粒子濃度縮減系數(shù)引入的相對標準不確定度評定

根據(jù)顆粒計數(shù)器說明書，平均粒子濃度縮減系數(shù)最大允許誤差為±1.69%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為[3]，由此引入的標準不確定度：

[urfr=a（fr）k=0.1693=0.0098]

5.4顆粒計數(shù)器顆粒濃度引入的相對標準不確定度評定

根據(jù)顆粒計數(shù)器系統(tǒng)說明書，揮發(fā)性粒子去除效率最大允許誤差為0.1%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為[3]，由此引入的標準不確定度：

[urf2=a（f2）k=0.0013=0.0006]

根據(jù)粒子計數(shù)器標定報告得知：10nm顆粒計數(shù)器計數(shù)器CPC線性化檢查中最大偏差為4.16%，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為[3]，由標定線性化誤差引入的標準不確定度：

[urC=a（C）k=0.04163=0.024]

以上[f2]和C二者靈敏系數(shù)為1，因此顆粒計數(shù)器顆粒濃度的合成相對標準不確定度[ur（Ci）]按照式（4）為計算為0.024。

5.5車輛行駛距離引入的相對標準不確定度評定

根據(jù)底盤測功機的說明書，轉(zhuǎn)鼓速度的最大允許誤差為±0.02km/h，測試時間為1800s，則車輛試驗時的實際行駛距離的變化為±0.01km，區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為[3]，區(qū)間半寬為0.01km，由此引入的標準不確定度：

[ud=a（d）k=0.013=0.0058]

車輛試驗時的實際行駛距離[d]的相對標準不確定度：

[urd=udd=0.005823.20=0.0002]

5.6合成相對標準不確定度計算

根據(jù)上述各影響因素的分析和計算匯總，輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放測量不確定度[ucrMSPN10]按照式（4）計算為4.13%，合成標準不確定度[ucMSPN10]按式（5）計算為9.65×109#/km。

取包含因子k=2，擴展不確定度按照式（6）、式（7）計算，可得[U（MSPN10）]為1.93×1010#/km，[Urel（MSPN10）]為8.26%。

6結(jié)語

本文以輕型車10nm顆粒物數(shù)量排放為例，建立其數(shù)學模型，并分析了模型中各個分量對測量結(jié)果的影響，評定結(jié)果顯示10nm顆粒物數(shù)量排放的不確定度小于10%，滿足標準對10nm顆粒物數(shù)量排放的測量要求。這次評定可為其他輕型車排放試驗室提供參考，在評定過程中發(fā)現(xiàn)測量重復(fù)性和顆粒計數(shù)器線性化標定系數(shù)是主要影響因素。因此，需要定期對顆粒計數(shù)器各個部件進行維護和線性化檢查，以確保試驗室測試精度，這樣可以保證試驗結(jié)果在一定置信程度下的置信范圍是可以被接受的。

參考文獻：

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作者簡介：

丁建，男，1990年生，助理工程師，研究方向為輕型車輛排放及能耗測試領(lǐng)域。