船舶柴油機排放試驗NOx不確定度評估

焦文健 葉平雄 楊文鑫 徐達

摘要：依據GB15097-2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》進行船舶柴油機臺架測功機排放試驗測量NOx排放量，按照不確定度評估方法，從試驗環境、儀器設備、試驗測量方法和原理等角度，建立了船舶柴油機排放試驗NOx不確定度計算公式，并對其進行評估計算，得到其擴展不確定度。

Abstract： According to GB15097-2016 emission limits and measurement methods of marine engine exhaust pollutants （the first and second stage in China）， the emission test of marine diesel engine bench dynamometer is carried out to measure the NOx emission. According to the uncertainty evaluation method， the calculation formula of the uncertainty of NOx emission test of marine diesel engine is established from the perspective of test environment， instruments and equipment， test measurement method and principle. And the expanded uncertainty is obtained by evaluation and calculation.

關鍵詞：柴油機;船舶;不確定度

Key words： diesel engine;ship;uncertainty

0? 引言

環保問題一直是近年來國家重點關注的問題，機動車是關注的重點，近年來，船舶污染物的排放問題也受到了關注。依據GB15097-2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》，基于臺架測功機使用部分流直采系統測量船舶柴油機是比較接近實際排放的測量方法。為了更加準確的判斷此結果的準確性和可信度，依據相應標準對其進行不確定度的評估。

1? 評定依據

測量的目的是為了確定被測量的量值。測量結果的品質是量度測量結果可信程度的最重要的依據。測量不確定度就是對測量結果質量的定量表征，測量結果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測量結果表述必須同時包含賦予被測量的值及與該值相關的測量不確定度，才是完整并有意義的。本研究依據JJF 1059.1—2012 測量不確定度評定與表示、JJF 1001中華人民共和國國家計量技術規范《通用計量術語及定義》、CNAS-CL01-G003：2018《測量不確定度的要求》、CNAS-GL05：2011《測量不確定度要求的實施指南》中不確定度的A、B類評定標準，對船舶柴油機NOx排放測量的不確定度進行評估。

2? 試驗方法及不確定度分析來源

試驗選取國內某廠家船舶主機作為試驗對象，設備選取重型發動機測功機系統以及直采氣體排放分析系統。船舶柴油發動機臺架安裝完畢，水、電、油及其他安全點檢項目檢查完畢，具備啟動條件后，啟動試驗控制臺及控制系統;啟動發動機至怠速工況。再次檢查各壓力溫度傳感器監測正常，各水管、油管無泄漏后，緩慢控制油門及扭矩至暖機工況，暖機至發動機出水水溫70℃以上，機油溫度80℃以上，并經發動機廠家工程師確認各參數達到正常運轉參數標準后暖機完成，準備進入下一步試驗。隨后進行系統準備，分別進行系統預熱、泄漏檢查、系統標定等工作。準備完成后，根據標準中D2循環進行檢測，其循環工況如表1。

測量應在柴油機每一工況穩定后進行，每一測量點的轉速調整偏差應不大于額定轉速的±1%或±3rpm（取大者）（但低怠速除外，低怠速應在制造廠聲明的偏差之內），負荷調整偏差（測量過程平均扭矩與該工況規定扭矩的偏差）應不大于額定轉速下額定扭矩的±2%;每一測量點至少穩定運轉5min后，從柴油機排氣中連續取樣測量，將測量數據輸出記錄在記錄紙上，或貯存在數據獲取系統中;分析廢氣時記錄時間應不小于10min，且對每個零位和滿量程響應檢查時間應不小于3min。對數據采集系統，應使用每分鐘至少三次的取樣頻率。

影響船舶柴油機的NOx排放的影響因素較多，根據法規和試驗經驗，主要有以下幾個方面：試驗室環境包括干球溫度和大氣壓力，標準狀況下稀釋氣體容積，NOx濕度修正系數，污染物的校正濃度，試驗循環的循環功，排放分析儀所用標準氣體，NO二分析儀的測量精度，試驗人員操作導致的誤差。此外船舶柴油機的NOx需要考慮環境溫度和濕度，故需要將NOx濃度測量時的不同環境條件修正到標準狀態（基準溫度和基準濕度），計算過程中需要進行溫度和濕度校正，所以相對于其它氣體排放物NOx排放計算較為復雜，需要多種測量儀器對多個參數進行測量才能得到最終結果。由于測量結果的精度不同對最終結果有很大影響，通過分析各個測量分量對最終結果的測量不確定度的靈敏度系數，得出各個測試設備精度的要求，達到提高精度，并最終計算船舶柴油機的NOx排放測試的不確定度。

用對觀測列的統計分析進行評定得出的標準不確定度稱為A類標準不確定度，用不同于對觀測列的統計分析來評定的標準不確定度稱為B類標準不確定度。將不確定度分為“A”類與“B”類，僅為討論方便，并不意味著兩類評定之間存在本質上的區別，A類不確定度是由一組觀測得到的頻率分布導出的概率密度函數得出：B類不確定度則是基于對一個事件發生的信任程度。它們都基于概率分布，并都用方差或標準差表征。兩類不確定度不存在那一類較為可靠的問題。一般來說，A類比B類較為客觀，并具有統計學上的嚴格性。測量的獨立性、是否處于統計控制狀態和測量次數決定A類不確定度的可靠性。測量重復性引入的標準不確定度，采用A類方法評定;下文用uA表示A類標準不確定度，urA表示A類標準相對不確定度;各測量儀器引起的標準不確定度，可根據最大允許誤差，采用B類方法評定;下文用uB表示B類標準不確定度，urB表示B類標準相對不確定度。

3? 不確定度評估計算

依據GB15097-2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》，NOx比排放計算方式由如下公式計算得出。（其中飽和蒸氣壓的Pa計算采用Antoine方程估算）：

其中：為NOx比排放，g/（kW·h）;Gasmass為濕基排氣質量流量;μ為質量流量計算用濕基系數，查表取0.001587;conc為NOx濃度;GEXHW為濕基排氣質量流量;GAIRW為濕基排氣質量;GFUEL為燃油質量流量;KH為溫濕度校正系數;Ha進氣絕對溫度;Ta為進氣絕對溫度;Ra為進氣相對濕度;pa為進氣飽和蒸氣壓;pB為總大氣壓力;A、B為常數。

綜合以上公式，得到NOx比排放的數學模型：

為進行A類不確定度的評定，在按照D2循環工況下連續進行了10次測量，計算得到氮氧化物比排放計算結果平均值為0.3210g/（kW·h）。A類不確定度可以由下式綜合計算：

其中：n為測量次數;uA為eNOx的A類標準不確定度; S（xi）為eNOx的標準差，g/（kW·h）;x為eNOx的均值，g/（kW·h）。計算得到：

=0.012551g/（kW·h）? ? =0.039101g/（kW·h）

物理量之間互不相關，根據不確定度傳導公式，可以得到NOx比排放的B類標準相對不確定度uB。

其中：uB指代各物理量的B類標準不確定度;U（xi）指代各物理量的擴展不確定度;k指代各物理量的包含因子;UB（y）指數學模型y的B類標準不確定度。

綜合各式可以得到NOx比排放量的B類不確定度的計算公式如式（1）。

根據各物理量的測量值及允差、量程、校準證書等信息，分別得到以下各物理量的B類標準不確定度。

進氣濕空氣流量的B類標準不確定度：

=6.486530kg/h

濕基NOx體積濃度的B類標準不確定度來源有兩項，分別由分析儀引起和標氣引起。NOx體積濃度的B類標準不確定度可以合成為：

=0.571876×

10-6。

燃料流量的B類標準不確定度：

kg/h

轉速的B類標準不確定度：uBn=1.154701r·min-1

轉矩的B類標準不確定度：

uBT=220×0.4%/=1.270171N·m

進氣壓力的B類標準不確定：

u=106.6×0.1%/=0.061546kPa

進氣濕度的B類標準不確定度：

u=3/=1.732051%R.H.

進氣溫度的B類標準不確定度：

u=0.5/=0.288675℃

綜合所有結果計算得到總B類相對標準不確定度為：

由A類標準相對不確定度和B類標準相對不確定度，由下式得到合成相對不確定度為：

計算得到NOx的合成不確定度大小為0.040013g/（kW·h）。取包含因子k=2，擴展不確定度提供P≈95%的包含概率。則氮氧化物濃度測量結果的擴展標準不確定度由下式給出：

最終得到NOx的擴展標準不確定度大小為0.080027g/（kW·h）。本文最終計算得到NOx的結果為：=（0.3210±0.0800）g/（kW·h）（k=2，P=95%）

4? 結論分析

依據不確定度評定方法，根據船舶柴油機的測量方法，從影響試驗的因素對NOx的不確定度進行分析，評估各因素對測量NOx影響。通過本次NOx不確定度的評定，得到其擴展不確定度，保證了排放試驗NOx重要操作測量的穩定性。

參考文獻：

[1]國家環境保護總局.GB15097-2016，船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）[S].北京：中國環境科學出版社，2018.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1-2012，測量不確定度評定與表示[S].北京：中國質檢出版社，2013.

[3]中國合格評定國家認可委員會 CNAS-CL01-G003：2018，測量不確定度的要求[S].

[4]中國合格評定國家認可委員會 CNAS-GL05：2011，測量不確定度要求的實施指南[S].

[5]中國船級社 GD08-2015，船用產品檢測結構認可指南.