輕型汽車國六常溫排放PM不確定度評價研究

張 軻

(中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司 廣東 廣州 510000)

前言

PM(particulate matter)，為顆粒物的英文縮寫，他是汽車尾氣中的主要污染源之一，可被人體吸入，在呼吸道等部位沉積，進而引發一系列疾病。隨著社會的進步，國家越發重視汽車尾氣所帶來的環保問題，在最新發布的GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[1](以下簡稱國六)中，PM仍是輕型汽車型式認證試驗不可或缺的部分，并將限值由GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》[2]的4.5mg/km降至3mg/km，因此有必要對其pm測量的不確度評價進行研究，依據JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評價和表示》[3]進行PM測量的不確定度評價加強PM測量的質量管理，提升試驗的可靠性。

一、試驗原理

(一)測量原理

汽車排放法規中PM的測量原理為濾紙過濾稱重法。

實驗開始前，從經過稀釋的尾氣抽取一部分氣體以定流量的方式通過濾紙，濾紙采集經過稀釋后的顆粒物質量，試驗結束后將濾紙從托架中取出，經過一定處理后在稱重箱中測量稱重前后的質量差mg，然后根據顆粒物采樣容積和稀釋排氣容積的比例關系以及行駛里程等參數計算整個測試過程中的顆粒物質量濃度g/km。

(二)數學模型

公式(1)

式中：

Vmix——稀釋排氣的容積(校正至標準狀態273.2K和101.33kPa)，m3，

Vep——標準狀態下，流經濾紙的排氣容積，m3,

Pe——濾紙采集的顆粒物的質量，g；

d——車輛在一次實驗中的實際行駛距離，km

PM——顆粒物排放量，g/km

V——稀釋排氣的容積

PB——試驗室內大氣壓力，kPa；

P1——CFV進口處相對于環境大氣壓的真空度，kPa；

Tp——試驗期間進入CFV的稀釋排氣平均溫度，K。

二、試驗方案

(一)試驗程序

(1)將高低溫環境倉溫度設置在23℃，并將樣車在底盤測功機上對中夾緊。

(2)運行WLTC工況，不采樣。

(3)在恒溫區域將車輛靜置6-36h。

(4)將基準濾紙放置于顆粒采樣的托架內。

(5)底盤測功機根據車輛測試質量設定阻力。

(6)駕駛員按照提示駕駛車輛，再次運行wltc工況，并在運行工況的同時進行不間斷連續采樣。

(7)試驗結束后，在排氣分析后的1h內將濾紙送到稱重。

(8)將稱得測試前后PM 的結果輸入到分析儀器中，結果自動生成。

(二)試驗設備及樣車

試驗設備參數如下：

樣車參數：

測試質量1681kg整備質量1540kg驅動模式前驅胎壓220kpa排放標準國VI排量1.5L燃油供給方式缸內直噴

三、評定方法

(一)影響因素

從上文所述數學模型可知，濾膜質量差，顆粒物采樣容積，稀釋排氣的容積、車輛試驗時的實際行駛距離對輕型車PM測試存在較大影響，其中：

稀釋氣體容積主要有兩部分構成，分別為稀釋排氣容積(Vmix)和顆粒物的采樣容積(Vep)，兩者直接參與結果的計算，其中，顆粒物采樣容積是由稀釋排氣以定流速形式經過濾紙采集后再返回到稀釋通道中：

Vmix為標準狀態的下的排氣容積，需要測量PB、P1及Tp三個參數用于校正。由于以上參數均在實時變化，難以人為手動測量；而本實驗所用輕型車排放分析儀MEXA-ONE具備實時監測文氏管流量，自動計算Vmix和Vep的功能，會在試驗結束后與排放結果一同導出。

顆粒物采樣質量(Pe)為試驗前后兩次濾紙的質量差與浮力修正系數的乘積，其中由于天平置于由顆粒物稱重箱控制的環境中，而環境條件決定了浮力修正系數的數值，因此天平的精度和稱重箱的控制精度對Pe有影響。

車輛試驗時的實際行駛距離由底盤測功機通過測量轉鼓轉速乘以采樣時間得到，其誤差分為司機的操作偏差和底盤測功機的系統偏差。

(二)評定方法的確定

1.稀釋排氣的容積(Vmix)

現在采樣系統一般通過測量PB、P1及Tp三個參數，修正流量采樣與時間積分得出最終結果。而采樣系統的流量偏差經由設備說明書得到，采用B類不確定度進行評價(以下簡稱B類)；

2.顆粒物質量(Pe)

顆粒物質量受天平自身的最大允許誤差，恒溫箱精度的控制和重復測量等因素的影響，根據設備說明書，對天平稱得的濾紙質量和恒溫箱參數，采用B類；

3.流經顆粒物采樣濾紙的排氣體積(Vep)

與上同理，采用B類。

4.車輛試驗時的實際行駛距離(d)

由于車輛的車輪與底盤測功機的轉鼓的轉線速度相同，從而通過底盤測功機的速度乘以測試時間就可以得到車輛的實際行駛距離。根據底盤測功機的使用說明書，可確定其速度的最大誤差，而測量時間由主控計算機控制，不計偏差，采用B類。

5.測量重復性引入的不確定度(PM)

由于PM的測量實驗重復進行多次，采用A類不確定度進行評價(以下簡稱A類)。

四、不確定度評價模型

(一)不確定度評價數學模型

(1)A類：

公式(2)

式中：s(x)——試驗標準偏差；

xi——第i次測量的結果；

n——測量次數；

公式(3)

u(xi)——標準不確定度。

(2)B類：

公式(4)

(3)合成標準不確定度計算公式：

公式(5)

式中：

uc(y)——合成標準不確定度；

(二)不確定度評價因果關系圖

由上文確定的評價方法可得出如下不確定度因果關系圖

圖1 常溫下PM排放量不確定度因果關系圖

則PM測量結果的相對合成標準不確定度為：

公式(6)

其中：

Pe不是直接測量出，而是采用試驗前后通過兩次濾紙稱量想減得出的，并且不允許更換天平，因此:c(Pe)=1。

(三)擴展不確定度：

U=kuc(y)

式中：U——擴展不確定度；

k取2[2]。

五、測試結果不確定度的計算

上文已描述了試驗方案，測量數據如下，共進行了5次。

表3 測量數據

(一)重復測量引入的相對標準不確定度ur(PM)

將表1中PM的五次測量結果和均值帶入可得

表1 試驗設備主要參數

根據公式可知：

則重復測量的相對標準不確定度ur(PM)為 0.008535/0.2667=0.032

(二)天平引入的相對標準不確定度ur(Pe)

經查詢相關說明書，天平準確度為0.1ug,最大量程為2.1g，則有：

(三)ur(Vmix)的相對標準不確定度ur(Vmix)

其最大允許誤差為±0.3%，選用的CVS流量為11.5m3/min，WLTC工況的測試時間為1800s，則總采樣容積為11500*1800/60=345000L。總采樣容積的變化為±345000*0.003=±1035L。

則Vmix的相對標準不確定度：

(四)顆粒物采樣流量的相對標準不確定度ur(Vep)

根據采樣系統說明書，其最大允許誤差為±0.5%，選用的CVS流量為42.5L/min，WLTP的測試時間為1800s，則總采樣容積為42.5*1800/60=1275L。總采樣容積的變化為±1275*0.005=±6.375L。

則Vep的相對標準不確定度：

(五)車輛試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度ur(d)

轉鼓速度的偏差為±0.1% FS，實測速度范圍為0-131.5km/h，WLTP工況時間為1800s，轉化為d的偏差范圍：±0.001*131.5/3600*1800=±0.06575km。

車輛試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度：

(六)合成不確定度評定

由公式(4),并將上述計算數據代入：

本次試驗的PM=0.2667mg/km，則：uc(PM)=0.032*0.2667=0.00853mg/km

(七)擴展不確定度評定

U=kuc(PM)=2×0.00853=0.01706mg/km

六、結論

本文針對國六常溫排放試驗PM的測量的不確定度來源進行了分析，確定了不確定度來源，主要來自重復測量引入的A類不確定度，天平設備，稀釋排氣容積，顆粒物采樣流量，車輛實際行駛距離引入的B類不確定度。因此，在進行該實驗時要注意對天平，輕型車排放分析儀的系數排氣體積和顆粒物采樣流量的標定，試驗員因注意控制試驗車輛WLTC的運轉精度。

此外，本文給出了國六常溫排放試驗PM測量不確定度的因果關系和計算模型，并通過試驗測得的數據對不確定度進行了計算，得出了本實驗室國六常溫排放試驗PM測量的擴展不確定度為0.01706mg/km，占比約為6.40%，是可以接受的。