基于底盤測功機(jī)重型車排放試驗(yàn)NOx不確定度評估

王鳳濱 邸少偉 劉 辰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

近年來環(huán)保問題深受社會各界重視，機(jī)動車污染是其中關(guān)注的焦點(diǎn)，而重型車污染物排放問題是其重中之重，重型車主要排放污染物為NOx。依據(jù)GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》[1]，基于底盤測功機(jī)使用全流定容稀釋系統(tǒng)測量重型車NOx排放是準(zhǔn)確而有效的檢測方法。為了更加準(zhǔn)確地了解NOx測量結(jié)果的精確性和可信度，特對其不確定性進(jìn)行評估。

1 評定依據(jù)

測量的目的是為了確定被測量的量值，測量結(jié)果的品質(zhì)是量度測量結(jié)果可信程度的最重要的依據(jù)。測量不確定度是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。因?yàn)橐磺袦y量結(jié)果都不可避免地具有不確定度，所以測量結(jié)果表述必須同時(shí)包含賦予被測量的值及與該值相關(guān)的測量不確定度，才是完整并有意義的。

本文將依據(jù)中華人民共和國國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[2]中標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A、B類評定標(biāo)準(zhǔn)，對重型柴油車整車NOx排放測量的不確定度進(jìn)行評估。

2 試驗(yàn)方法

與輕型車輛排放認(rèn)證體系不同，重型車輛的認(rèn)證是通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)完成的，即檢測發(fā)動機(jī)性能狀況，在臺架檢測發(fā)動機(jī)排放性能，完成排放認(rèn)證，而不是如輕型車輛排放認(rèn)證體系一樣通過檢驗(yàn)整車評價(jià)和檢驗(yàn)排放性能。這是由于重型車種類和用途繁多，作業(yè)情況復(fù)雜導(dǎo)致的，g/km指標(biāo)不能很好地評價(jià)排放狀況，重型車最終的限值評價(jià)基于g/（kW·h）的比排放指標(biāo)進(jìn)行。

重型車排放試驗(yàn)采用C-WTVC循環(huán)[3]，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(chǔ)上，通過調(diào)整WTVC的加速度和減速度形成的，并結(jié)合國內(nèi)大部分車輛的行駛特點(diǎn)，完善形成的中國重型商用車循環(huán)。其適用于質(zhì)量大于3 500 kg的重型車，共分3個(gè)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。與輕型車不同的是重型車NOx排放結(jié)果并非通過分析氣袋中NOx得到結(jié)果，而是通過加熱型分析儀連續(xù)取樣讀取NOx濃度值，按照試驗(yàn)循環(huán)分階段積分加和后得到NOx排放結(jié)果。

試驗(yàn)通過環(huán)境倉控制環(huán)境溫濕度，底盤測功機(jī)模擬車輛道路行駛阻力，全流稀釋定容排放系統(tǒng)測量NOx排放值，所用試驗(yàn)設(shè)備型號如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備表

3 不確定度來源分析

重型柴油車整車NOx排放的影響因素較多，試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1所示，根據(jù)法規(guī)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾個(gè)方面：試驗(yàn)室環(huán)境包括干球溫度和大氣壓力，標(biāo)準(zhǔn)狀況下稀釋氣體容積，NOx濕度修正系數(shù)，污染物的校正濃度，試驗(yàn)循環(huán)的循環(huán)功，排放分析儀所用標(biāo)準(zhǔn)氣體，NOx分析儀的測量精度，試驗(yàn)人員操作導(dǎo)致的誤差，主要是駕駛員由于個(gè)人習(xí)慣在離合、換擋、油門等操作產(chǎn)生的誤差[4]。此外測量重型車NOx排放需要考慮環(huán)境溫度和濕度，故需要將NOx濃度測量時(shí)的不同環(huán)境條件修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)濕度），計(jì)算過程中需要進(jìn)行溫度和濕度校正，所以相對于其它氣體排放物NOx排放計(jì)算非常復(fù)雜，欲得到最終NOx排放結(jié)果，需要多種測量儀器對多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測量才能得到最終結(jié)果。由于測量結(jié)果的精度不同對最終結(jié)果有很大影響，通過分析各個(gè)測量分量對最終結(jié)果的測量不確定度的靈敏度系數(shù)，得出各個(gè)測試設(shè)備精度的要求，達(dá)到提高精度，并最終計(jì)算重型柴油車整車NOx排放測試的不確定度。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

4 不確定度評估計(jì)算

4.1 NOx測量的A類不確定度

試驗(yàn)中某些因素?zé)o法使用計(jì)算公式量化評估其對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，統(tǒng)稱之為A類不確定度，本試驗(yàn)中包括試驗(yàn)室的環(huán)境中大氣壓力和干球溫度，試驗(yàn)人員操作，A類不確定度可以通過試驗(yàn)重復(fù)性計(jì)算使用重復(fù)性評估。

試驗(yàn)車輛為一輛歐Ⅵ重型柴油貨車，滿載質(zhì)量為4 495 kg，試驗(yàn)室大氣壓力為101.3 kPa，溫度設(shè)定控制25℃，濕度設(shè)定45%，燃油采用0號柴油，試驗(yàn)前加滿燃油，試驗(yàn)過程中使用同一個(gè)駕駛員。10次試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 排放試驗(yàn)NOx統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算公式

將各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得到平均值為0.530 g/（kW·h），不確定度為0.004 g/（kW·h），A類相對不確定度為0.83%。

4.2 NOx測量的B類不確定度

根據(jù)GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》可知，重型柴油機(jī)排放NOx的比排放量計(jì)算公式為：

式中：Mi為NOx比排放，單位為g/（kW·h），Vmix為標(biāo)準(zhǔn)狀況下稀釋氣體容積，單位為m3，Qi為標(biāo)況下污染物密度，單位為g/L，試驗(yàn)采用法規(guī)規(guī)定值，2.053 g/L，在此不做討論，k為NOx濕度修正系數(shù)，Ci為污染物的校正濃度，Pi為C-WTVC循環(huán)的循環(huán)功。

4.2.1 稀釋氣體容積不確定度

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，10次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 稀釋氣體容積統(tǒng)計(jì)表

采用式（1）和（2）計(jì)算，得到平均值為 1 509.1 m3，不確定度為13.7 m3，相對不確定度為uB1=u（Vmi）x=0.91%。

4.2.2 修正系數(shù)的不確定度

修正系數(shù)k計(jì)算公式為

式中：Ha為進(jìn)氣的絕對濕度，g水/kg干空氣。Ha計(jì)算公式為

式中：Ra為相對濕度，Pd為飽和蒸汽壓，PB為大氣壓力，kPa；

飽和蒸汽壓Pd計(jì)算公式為

進(jìn)氣飽和蒸汽壓Pd可根據(jù)進(jìn)氣溫度通過查飽和蒸汽壓與溫度關(guān)系表得出A，B，C的值。

根據(jù)儀器報(bào)告，壓力計(jì)相對不確定度為1%，溫度計(jì)和濕度計(jì)不確定度為1%，計(jì)算得到uB2=uk=0.95%。

4.2.3 分析儀測量濃度的不確定度

分析儀測量NOx不確定度來源于兩個(gè)方面，一是分析儀精度，二是標(biāo)準(zhǔn)氣體不確定度[5]。氣體分析儀的誤差分布屬于矩形（均勻）分布，測試誤差為1.0%，NOx標(biāo)準(zhǔn)氣體的不確定度為u31=1%。

4.2.4 循環(huán)功的不確定度

式中：M為發(fā)動機(jī)凈轉(zhuǎn)矩，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，f1為轉(zhuǎn)矩百分比，f2為摩擦轉(zhuǎn)矩百分比，MC為參考轉(zhuǎn)矩，為定值，單位N·m。OBD讀取轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)相對不確定度為1.0%。根據(jù)JJF1059-1999所提供的測量不確定度計(jì)算方法，計(jì)算各個(gè)分量的不確定度。各分量互不相關(guān)，由不確定度的傳播率可以得到功率P的不確定度為：uB4=uPi=1.22%。

5 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到uB=1.08%，即B類不確定度為1.08%。由此得到NOx不確定度為

u=1.36%

計(jì)算擴(kuò)展不確定度時(shí)，包含因子k為2，

u95=2.72%

6 結(jié)論

本文依據(jù)不確定度評定方法，根據(jù)重型車排放測量方法，從重型車排放污染物測試設(shè)備、循環(huán)功參數(shù)讀取設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境、人員操作等方面對NOx不確定度進(jìn)行分析，評估各因素對測量NOx影響，提出計(jì)算NOx的方法。從結(jié)果可知，A類不確定度占擴(kuò)展不確定度的30.5%，說明試驗(yàn)重復(fù)性操作對試驗(yàn)結(jié)果影響較小，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，試驗(yàn)系統(tǒng)的測試精度是影響不確定度的主要因素。通過本次NOx不確定度的評定，得到其擴(kuò)展不確定度，保證了排放試驗(yàn)NOx重復(fù)操作測量的穩(wěn)定性。