輕型汽車CO2排放測量不確定度評定

黃佑賢，矯建偉，王茁，游云鵬，李憲斌

輕型汽車CO2排放測量不確定度評定

黃佑賢，矯建偉，王茁，游云鵬，李憲斌

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

CO2排放是汽車污染物排放檢測的一項重要技術指標，它表征的是汽車排出污染物的多少和車輛能耗高低的參考標準之一，用以控制汽車使用中產生的污染物排放量，避免對環境產生損害。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）》的規定使用全球統一的輕型車測試循環工況進行常溫下冷啟動后污染物排放試驗，并對測量結果進行不確定度評定。文章闡述了輕型汽油車CO2排放測試所用的測試原理、法規工況曲線、測試設備、數學模型等，通過分析影響試驗結果的各因素來源，綜合計算得出輕型車CO2排放測試結果的擴展不確定度和相對擴展不確定度。

汽車排放；CO2；不確定度評定；能耗

前言

CO2排放是汽車污染物排放檢測的一項重要技術指標，它表征的是汽車排出污染物的多少和車輛能耗高低的參考標準之一，通過對汽車排放污染源的控制降低對環境的污染程度。

按照中國第六階段標準規定，輕型汽車在進行相關型式核準項目申報認證時都需要對CO2進行檢測，按照中國第六階段排放法規規定使用全球統一的輕型車測試循環（WLTC）工況進行常溫下冷啟動后污染物排放試驗，測得CO2的排放結果，并對測量結果進行不確定度評定[1-2]。

測量不確定度的目的是為了表征合理地賦予被測量值的分散性跟測量結果具有關聯性的參數。測量不確定度一般由若干分量組成，其中一些分量可根據一系列測量值的統計分布，按測量不確定度的A類評定進行評定，而另一些分量則可根據基于經驗或其他信息獲得的概率密度函數，按測量不確定度的B類評定進行評定[2-3]。

1 試驗程序

1.1 測量原理

本次測定CO2使用的是不分光紅外線法（NDIR），測試設備的工作原理是基于測量氣體對于特定波長的紅外的能量的吸收。CO2能夠吸收波長介于2.7~4.26μm的紅外線光，而且具有吸收峰值，在采集到的氧氣中CO2的濃度是通過紅外線透過一定長度的該氣體后透射能量的強弱測量得到。測試中為了減小其他氣體對測量的干擾，需要在分析儀測量前端設置濾波室來過濾掉對測量有影響的其他干擾氣體對應的波長。

1.2 測試工況

測試循環使用全球統一的輕型車測試循環（WLTC），循環分為四個階段：低速段、中速段、高速段和超高速段；整個循環共 1 800s。每一段所對應的時間分別為：589秒、433秒、455秒和323秒。

表1 試驗用儀器設備及標準物質

1.3 測試步驟

（1）車輛驅動輪固定在底盤測功機的轉鼓上。

（2）底盤測功機根據車輛滑行阻力值進行阻力設定。

（3）駕駛員按照系統設定好的工況曲線完成試驗循環。

（4）樣品采集系統對樣品進行采集存儲。

（5）試驗工況和采樣結束后分析系統自動對氧氣袋中的污染物成分進行分析，并輸出相應測試結果。

1.4 使用的儀器設備及標準物質（表1）

2 影響因素及評定方法

2.1 影響因素分析

影響輕型車常溫排放污染物（Ⅰ）型試驗的因素很多，根據計算公式以及使用經驗，確定主要包括：稀釋排氣的容積、稀釋排氣中污染物的校正濃度、車輛試驗時的實際行駛距離、試驗室內大氣壓力、試驗室內干球溫度、標定用標準氣體、采樣系統、分析系統、底盤測功機的阻力設定、迎面冷卻風機的冷卻風量、驅動輪胎壓力、駕駛員駕駛習慣以及試驗用燃料特性等[4-5]。

2.1.1稀釋排氣容積（Vmix）

稀釋排氣容積Vmix試驗中需要直接參與計算，測量的數值需要校正到標準狀態下。校正所需的3參數為試驗室內大氣壓力、容積泵進口處的真空度（相對于環境大氣壓）、進入容積泵的稀釋排氣平均溫度。由于實際文氏管流量是實時變化的，同時試驗室內大氣壓力、容積泵進口處相對于環境大氣壓的真空度以及進入容積泵的稀釋排氣平均溫度也都是實時變化的，所以人工分別測量各個參數再進行計算非常復雜，很難實現。采樣系統進行整合后，通過測量對應的這些參數進行積分計算，直接得到每次得到的稀釋排氣容積Vmix[4]。

2.1.2稀釋排氣中污染物的校正濃度（Ci）

稀釋排氣中污染物對應的校正濃度參與結果計算，對結果有一定影響，其主要由稀釋排氣濃度、背景稀釋空氣濃度以及相應的稀釋系數共同計算得出。稀釋系數是通過袋采分析中氧氣CO2、HC和 CO濃度計算得出。綜上，通過測量稀釋排氣和稀釋空氣中的污染物濃度綜合計算得出稀釋排氣中污染物校正濃度。

2.1.3車輛試驗時的實際行駛距離（d）

試驗時車輛的實際行駛距離是通過底盤測功機轉鼓轉速和采樣時間的乘積得到，其誤差的構成有兩部分，駕駛員駕駛操作偏差造成的里程變化和底盤測功機測量時系統誤差造成的里程變化。

2.1.4測量重復性引入的標準不確定度

經過分析下列給出了對試驗影響的相關因素并采用標準不確定度的A類評估：

（1）測試環境艙內的干球溫度會影響發動機和后處理系統運行溫度和狀態等，從而影響整車排放。

（2）標定測試設備所使用的標準氣體會影響分析儀的零點和量距，從而影響污染物濃度測量結果準確性。

（3）試驗室內大氣壓力會對發動機進氣量造成影響，影響發動機燃燒，最終影響排放量。

（4）底盤測功機的加載阻力直接影響試驗車輛的負荷，從而影響整車排放。

（5）迎面冷卻風機的冷卻風量影響試驗過程中的發動機和后處理的溫度，進而影響整車排放。

（6）驅動輪胎壓力高低會影響試驗車輛的負荷，從而影響整車排放。

（7）試驗時駕駛員對油門、離合器以及制動踏板的使用會對發動機的燃燒造成影響，進而影響整車排放。

（8）試驗燃料會對車輛油氣混合、揮發性、燃燒特性造成影響；各種含量也會對處理系統的工作效率造成一定影響。

2.2 評估方法的確定

2.2.1標準狀態下的稀釋排氣容積（Vmix）

根據排氣取樣系統的使用說明，稀釋排氣容積受文氏管流量、容積泵真空度、進排氣溫度、大氣壓影響，則稀釋排氣容積Vmix采用不確定度B類評估。

2.2.2稀釋排氣中污染物的校正濃度（Ci）

稀釋排氣中的校正稀釋濃度結果受分析設備最大允許誤差以及標準氣體的最大允許誤差影響，由分析設備和標準氣體的相關使用說明可知，兩個影響因素均采用不確定度B類評估，再通過不確定度合成方法合成為稀釋排氣中污染物的校正濃度的不確定度。

2.2.3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動線速度相同，因此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。此處忽略計算機產生的誤差，僅需對底盤測功機速度的最大允許誤差進行分析。根據底盤測功機說明書，對車輛試驗時的實際行駛距離（d）進行不確定度B類評估。

2.2.4測量重復性引入的標準不確定度（f1）

將2.1.4列出影響因素所產生的重復性因素為輸出量的重復性因素，不需要單獨進行評估，綜合評估測量結果的重復性引入的不確定度分量。

輕型車常溫排放污染物（I型）試驗測量不確定度的輸入量的因果關系如圖1所示[6]：

圖1 CO2排氣污染物排放量不確定度因果關系圖

3 數學模型

3.1 建立數學模型

根據中國第六階段排放法規中CE.3.2.1所述，對Ｉ型試驗排氣污染物排放量建立數學模型如下：

式中：

Mi----污染物i的綜合排放量，g/km；

Vmix----表示稀釋排氣容積，L（標準狀態下）；

Qi----在標準狀態下，污染物i的密度，CO2為1.964 g/L；

KH----表示用于計算氮氧化物的排放質量的濕度修正系數（本次測試中對CO2測量不產生影響，不參與結果計算）；

Ci----表示稀釋排氣中某種污染物i對應的體積分數，并用稀釋空氣中對應的污染物i的體積分數進行修正；

d----車輛按運轉循環試驗時所行使的實際距離，km。

3.2 MCO2數學模型

考慮上述影響測量不確定度的所有來源，則MCO2數學模型如下：

3.3 靈敏度系數

重復測量的靈敏系數為：

混合排氣容積的靈敏系數為：

稀釋排氣中污染物的校正濃度的靈敏系數為：

車輛試驗時的實際行駛距離的靈敏系數為：

4 測量結果不確定度的評估

4.1 測量物理量及結果匯總

表2 與試驗結果的不確定度有關的物理量及測試結果

表2 （續）

根據中國第六階段排放法規中Ι型試驗方法對試驗樣車進行5次測試，與不確定度計算相關量匯總見表2。

4.2 測量重復性引入的A類相對標準不確定度ur（f1）

在實際試驗中只對樣車進行1次測量，則引用貝塞爾計算公式如下：

式中：

（）----試驗標準偏差；

M----第i次測量的結果；

----測量次數；

---- n次測量結果的算術平均值。

（x）----標準不確定度。

測量結果的算術平均值：

所以測量重復性標準不確定度：

測量重復性相對標準不確定度為：

4.3 Vmix的相對標準不確定度ur（Vmix）

則Vmix的相對標準不確定度：

4.4 標準氣體引入相對標準不確定度ur（e1）

標準氣體生產廠已經給出二氧化碳（CO2）濃度為2.40%，標準不確定度為1%，服從正態分布，包其含因子k取2，則引入相對標準不確定度：

4.5 分析設備引入的相對標準不確定度ur（e2）

4.6 車輛試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度ur（d）

試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度：

4.7 標準不確定度計算分量匯總

表3 常溫下CO2排氣污染物排放量的標準不確定度計算分量匯總

表3 （續）

5 合成標準不確定度評估

常溫下CO2排氣污染物排放量的相對合成標準不確定度將所有來源的不確定度值和靈敏系數代入計算：

本次試驗的MCO2=165.21g/km，則CO2排氣污染物排放量的合成標準不確定度為：

6 擴展不確定度評估

直接取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

則MCO2的擴展不確定度為U=1.99g/km。

7 相對擴展不確定度的評估

相對擴展不確定度：

8 報告試驗結果和擴展不確定度

輕型汽車常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗（I型試驗）在此次測試中，MCO2的綜合試驗結果為165.21g/km，其擴展不確定度為：

U=1.99g/km，k=2。

或者Urel=1.20%，k=2。

9 結論

綜上，此次輕型汽車CO2排放從多個影響因素進行分析評價，從相關數據得出重復性不確定度對試驗結果影響相對較大，在測試過程中應對試驗條件、樣品狀態以及試驗人員的控制至關重要；同時應加強對相關測試系統的管理，保證測試設備精度，標準物質應符合相關標準等級，以此降低測試結果不確定度。最終測試得到的相關試驗結果才具有較高的置信度，能保證試驗結果在合理的誤差范圍內。

[1] 環境保護部,國家質量監督檢驗檢疫總局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）》[S].北京:中國環境出版社出版2017:46-56.

[2] 全國法制計量管理計量技術委員會.JJF 1059.1-2012《測量不確定度的評定與表示》[S].北京:國家質量監督檢驗檢疫總局,2012:1-48.

[3] 游云鵬.炭罐初始工作能力測量不確定度評定[J].汽車使用技術, 2020,38(07):128-129.

[4] 中國合格評定國家認可委員會.CNAS-GL023:2018《汽車和摩托車檢測領域典型參數的測量不確定度評估指南》[S].2018:1-62.

[5] 張凡.車用發動機WHTC試驗NOX排放測試結果的不確定度評定[J].小型內燃機與車輛技術,2015,44(06):19-20.

[6] 潘鵬,王建海,田東蓮.輕型車排放測試影響因素試驗研究[J].汽車技術,2012(09):48-51.

Evaluation of Uncertainty of CO2Emission Measurement of Light Vehicles

Huang Youxian, Jiao Jianwei, Wang Zhuo, You Yunpeng, Li Xianbin

( CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

The CO2emission is an important technical index of vehicle pollutant emission detection, It represents one of the reference standards for the amount of pollutants emitted by vehicles and the level of vehicle energy consumption,To control the emission of pollutants produced in the use of automobiles and avoid damage to the environment. According to GB 18352.6-2016" Limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles (CHINA 6)", the world's uniform light vehicle test cycle (WLTC) is used to conduct the pollutant emission test after cold start at room temperature，And evaluate the uncertainty of the measurement results.This paper describes the test principle, regulation working condition curve, test equipment and mathematical model used in the CO2emission test of light-duty gasoline vehicles. By analyzing the sources of various factors affecting the test results, the expanded uncertainty and relative expanded uncertainty of the CO2emission test results of light-duty vehicles are calculated comprehensively.

Vehicle Emission; CO2; Uncertainty evaluation; Energy consumption

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.028

U473.9

A

1671-7988(2021)06-88-05

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1671-7988(2021)06-88-05

黃佑賢，就職于中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司。