輕型汽車國(guó)六常溫排放PM不確定度評(píng)價(jià)研究

張 軻

(中汽研汽車檢驗(yàn)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(xiě)，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(jìn)而引發(fā)一系列疾病。隨著社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)家越發(fā)重視汽車尾氣所帶來(lái)的環(huán)保問(wèn)題，在最新發(fā)布的GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》[1](以下簡(jiǎn)稱國(guó)六)中，PM仍是輕型汽車型式認(rèn)證試驗(yàn)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(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》[2]的4.5mg/km降至3mg/km，因此有必要對(duì)其pm測(cè)量的不確度評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，依據(jù)JJF 1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)和表示》[3]進(jìn)行PM測(cè)量的不確定度評(píng)價(jià)加強(qiáng)PM測(cè)量的質(zhì)量管理，提升試驗(yàn)的可靠性。

一、試驗(yàn)原理

(一)測(cè)量原理

汽車排放法規(guī)中PM的測(cè)量原理為濾紙過(guò)濾稱重法。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，從經(jīng)過(guò)稀釋的尾氣抽取一部分氣體以定流量的方式通過(guò)濾紙，濾紙采集經(jīng)過(guò)稀釋后的顆粒物質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)束后將濾紙從托架中取出，經(jīng)過(guò)一定處理后在稱重箱中測(cè)量稱重前后的質(zhì)量差mg，然后根據(jù)顆粒物采樣容積和稀釋排氣容積的比例關(guān)系以及行駛里程等參數(shù)計(jì)算整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的顆粒物質(zhì)量濃度g/km。

(二)數(shù)學(xué)模型

公式(1)

式中：

Vmix——稀釋排氣的容積(校正至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)273.2K和101.33kPa)，m3，

Vep——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，流經(jīng)濾紙的排氣容積，m3,

Pe——濾紙采集的顆粒物的質(zhì)量，g；

d——車輛在一次實(shí)驗(yàn)中的實(shí)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(yàn)室內(nèi)大氣壓力，kPa；

P1——CFV進(jìn)口處相對(duì)于環(huán)境大氣壓的真空度，kPa；

Tp——試驗(yàn)期間進(jìn)入CFV的稀釋排氣平均溫度，K。

二、試驗(yàn)方案

(一)試驗(yàn)程序

(1)將高低溫環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)置在23℃，并將樣車在底盤測(cè)功機(jī)上對(duì)中夾緊。

(2)運(yùn)行WLTC工況，不采樣。

(3)在恒溫區(qū)域?qū)④囕v靜置6-36h。

(4)將基準(zhǔn)濾紙放置于顆粒采樣的托架內(nèi)。

(5)底盤測(cè)功機(jī)根據(jù)車輛測(cè)試質(zhì)量設(shè)定阻力。

(6)駕駛員按照提示駕駛車輛，再次運(yùn)行wltc工況，并在運(yùn)行工況的同時(shí)進(jìn)行不間斷連續(xù)采樣。

(7)試驗(yàn)結(jié)束后，在排氣分析后的1h內(nèi)將濾紙送到稱重。

(8)將稱得測(cè)試前后PM 的結(jié)果輸入到分析儀器中，結(jié)果自動(dòng)生成。

(二)試驗(yàn)設(shè)備及樣車

試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)如下：

樣車參數(shù)：

測(cè)試質(zhì)量1681kg整備質(zhì)量1540kg驅(qū)動(dòng)模式前驅(qū)胎壓220kpa排放標(biāo)準(zhǔn)國(guó)VI排量1.5L燃油供給方式缸內(nèi)直噴

三、評(píng)定方法

(一)影響因素

從上文所述數(shù)學(xué)模型可知，濾膜質(zhì)量差，顆粒物采樣容積，稀釋排氣的容積、車輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離對(duì)輕型車PM測(cè)試存在較大影響，其中：

稀釋氣體容積主要有兩部分構(gòu)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(jié)果的計(jì)算，其中，顆粒物采樣容積是由稀釋排氣以定流速形式經(jīng)過(guò)濾紙采集后再返回到稀釋通道中：

Vmix為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的下的排氣容積，需要測(cè)量PB、P1及Tp三個(gè)參數(shù)用于校正。由于以上參數(shù)均在實(shí)時(shí)變化，難以人為手動(dòng)測(cè)量；而本實(shí)驗(yàn)所用輕型車排放分析儀MEXA-ONE具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)文氏管流量，自動(dòng)計(jì)算Vmix和Vep的功能，會(huì)在試驗(yàn)結(jié)束后與排放結(jié)果一同導(dǎo)出。

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

車輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離由底盤測(cè)功機(jī)通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速乘以采樣時(shí)間得到，其誤差分為司機(jī)的操作偏差和底盤測(cè)功機(jī)的系統(tǒng)偏差。

(二)評(píng)定方法的確定

1.稀釋排氣的容積(Vmix)

現(xiàn)在采樣系統(tǒng)一般通過(guò)測(cè)量PB、P1及Tp三個(gè)參數(shù)，修正流量采樣與時(shí)間積分得出最終結(jié)果。而采樣系統(tǒng)的流量偏差經(jīng)由設(shè)備說(shuō)明書(shū)得到，采用B類不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱B類)；

2.顆粒物質(zhì)量(Pe)

顆粒物質(zhì)量受天平自身的最大允許誤差，恒溫箱精度的控制和重復(fù)測(cè)量等因素的影響，根據(jù)設(shè)備說(shuō)明書(shū)，對(duì)天平稱得的濾紙質(zhì)量和恒溫箱參數(shù)，采用B類；

3.流經(jīng)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(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離(d)

由于車輛的車輪與底盤測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)線速度相同，從而通過(guò)底盤測(cè)功機(jī)的速度乘以測(cè)試時(shí)間就可以得到車輛的實(shí)際行駛距離。根據(jù)底盤測(cè)功機(jī)的使用說(shuō)明書(shū)，可確定其速度的最大誤差，而測(cè)量時(shí)間由主控計(jì)算機(jī)控制，不計(jì)偏差，采用B類。

5.測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度(PM)

由于PM的測(cè)量實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次，采用A類不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)(以下簡(jiǎn)稱A類)。

四、不確定度評(píng)價(jià)模型

(一)不確定度評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

(1)A類：

公式(2)

式中：s(x)——試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；

xi——第i次測(cè)量的結(jié)果；

n——測(cè)量次數(shù)；

公式(3)

u(xi)——標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

(2)B類：

公式(4)

(3)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式：

公式(5)

式中：

uc(y)——合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

(二)不確定度評(píng)價(jià)因果關(guān)系圖

由上文確定的評(píng)價(jià)方法可得出如下不確定度因果關(guān)系圖

圖1 常溫下PM排放量不確定度因果關(guān)系圖

則PM測(cè)量結(jié)果的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

公式(6)

其中：

Pe不是直接測(cè)量出，而是采用試驗(yàn)前后通過(guò)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(kuò)展不確定度：

U=kuc(y)

式中：U——擴(kuò)展不確定度；

k取2[2]。

五、測(cè)試結(jié)果不確定度的計(jì)算

上文已描述了試驗(yàn)方案，測(cè)量數(shù)據(jù)如下，共進(jìn)行了5次。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)

(一)重復(fù)測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(PM)

將表1中PM的五次測(cè)量結(jié)果和均值帶入可得

表1 試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)

根據(jù)公式可知：

則重復(fù)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(PM)為 0.008535/0.2667=0.032

(二)天平引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Pe)

經(jīng)查詢相關(guān)說(shuō)明書(shū)，天平準(zhǔn)確度為0.1ug,最大量程為2.1g，則有：

(三)ur(Vmix)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試時(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(四)顆粒物采樣流量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(Vep)

根據(jù)采樣系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)，其最大允許誤差為±0.5%，選用的CVS流量為42.5L/min，WLTP的測(cè)試時(shí)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(五)車輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(d)

轉(zhuǎn)鼓速度的偏差為±0.1% FS，實(shí)測(cè)速度范圍為0-131.5km/h，WLTP工況時(shí)間為1800s，轉(zhuǎn)化為d的偏差范圍：±0.001*131.5/3600*1800=±0.06575km。

車輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(六)合成不確定度評(píng)定

由公式(4),并將上述計(jì)算數(shù)據(jù)代入：

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

(七)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

U=kuc(PM)=2×0.00853=0.01706mg/km

六、結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)六常溫排放試驗(yàn)PM的測(cè)量的不確定度來(lái)源進(jìn)行了分析，確定了不確定度來(lái)源，主要來(lái)自重復(fù)測(cè)量引入的A類不確定度，天平設(shè)備，稀釋排氣容積，顆粒物采樣流量，車輛實(shí)際行駛距離引入的B類不確定度。因此，在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意對(duì)天平，輕型車排放分析儀的系數(shù)排氣體積和顆粒物采樣流量的標(biāo)定，試驗(yàn)員因注意控制試驗(yàn)車輛WLTC的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

此外，本文給出了國(guó)六常溫排放試驗(yàn)PM測(cè)量不確定度的因果關(guān)系和計(jì)算模型，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)不確定度進(jìn)行了計(jì)算，得出了本實(shí)驗(yàn)室國(guó)六常溫排放試驗(yàn)PM測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為0.01706mg/km，占比約為6.40%，是可以接受的。