輕型車污染物NOx排放量的不確定度評定

彭頌　鐘能超　蔣一春

摘 要：論文以我國的輕型汽油車為重點研究對象，并依據我國的測量標準技術JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規范，依據《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）》進行了I型試驗，通過對引起測試結果不定性改變的主要因素進行了分析和計算，從而判斷汽車所排出的NOx排放量的測量不確定度。根據結果可知，在保持測量過程統一性和標準物質質量的條件下，對NOx排放檢測結果的置信性影響是很大的。

關鍵詞：輕型汽油車 測量不確定度 Ⅰ型試驗

1 引言

由于環境對人類發展的不可或缺，近年來空氣污染標準也越來越嚴格，污染限值也在日益減少，同時對輕型車污染控制的日益提高，汽車污染排放量也已大幅度降低，不少車輛都已達到國六標準的水平，也導致了對試驗室中排放設備的精度檢測要求也愈來愈高。但檢測設備如底盤測功機、分析儀的準確度要求很高，而且大多數都是從國外引進，國家計量部門對其中一些項目無法計量，此類設備在國內只有少數實驗室擁有，而且測試成本相對較高，影響測量結果的因素比較復雜。為了進一步評價檢測設備的準確度控制范圍，我們按照JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規定的評定標準，以《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）》為依據，按照相關試驗要求重復進行五次I型試驗。為了更準確地了解I型試驗NOx排放結果的真實性和準確度，在對試驗結果和試驗裝置進行綜合考慮后，對NOx不確定度進行了評估。

2 試驗程序

2.1 試驗樣車、測試循環、試驗用設備及標準物質

本次試驗樣車選擇為某款符合中國第六階段排放標準的輕型汽油車，所有排放試驗都按照《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）》附錄C中I型試驗的各項規定進行操作，測試循環系統為WLTC（國內統一輕型機動車測試的循環系統），測試周期的總時限為1800秒，其在低速運行階段、中速段、高速階段、超高速階段的累計停留時間分別為589s、433s、455s、323s。試驗循環曲線如圖1，試驗的所有設備和標準物質都在表1所呈現。

2.2 試驗方法

測試前，對底盤測功機和排放分析儀均進行了標定和校正，試驗室溫度在（23±5）℃，預置間浸車溫度控制在（23±3）℃，樣車浸置6h～36h，并采用固定運轉法確定了底盤測功機負荷，測功機在標準軟件操作下完成了四次滑行試驗，當實現首次正常滑行試驗后，標準可計算得出測功機設定系數作為二次滑行的設定值，而以后的第三次滑行試驗也按照標準的計算結果得出的測功機設定系數進行設定。每次試驗前預熱底盤測功機30min，流量設置保持一致，分析儀采取同樣量程，無更換標準氣體，連續五天進行重復I型試驗。

3 影響因素分析

4 數學模型

根據《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）》的標準相關規定，車輛常溫下各速度區段的排氣污染物排放量的計算公式為（文中主要以低速運行段污染物為例，中速段、高速段、超高速段的計算公式依此類推）：

式中：

Mi----污染物i的排放量，g/km；

Vmix----標準狀態下（273.2K和101.33kPa）稀釋排氣的總容積，L/試驗；

ρi----標準狀態下（273.2K和101.33kPa）污染物i的密度，NOx的值為2.05g/L；

kH----用于計量氮氧化物的排放質量的濕度修正系數；

Ci----稀釋排氣中污染物 i 的體積分數，用于稀釋空氣中所含污染物的體積分數進行修正，ppm;

d----相當于測試循環的實際距離，km

為修正空氣濕度對NOx值測量結果的影響，可用以下計算公式：

H=

式中：H----絕對濕度（水/干空氣），g/kg;

Ra---環境空氣的相對濕度，%;

Pd----環境溫度下的飽和蒸氣壓，kPa。

PB---室內大氣壓，kPa

考慮各種影響測量結果不確定度的分量來源，建立NOx輸出量的數學模型如下：

MNOx=2.05×10-6×

設，則：

即在常溫下，污染物NOx排放量的相對合成標準不確定度如下：

該模型檢測參數繁多，且部分參數在標定和校正時有所反映，因此一般在對各個不確定度分量的評定中不予考慮，總輸出量MNOx的不穩定來源大致包括以下五個方面：

1）測量重復性引入的相對標準不確定度；

2）因稀釋排氣的總容積引入的相對標準不確定度；

3）由稀釋排氣中污染物的校正濃度而引入的相對標準不確定度，涉及兩個來源：分析儀和標準物質的影響；

4）由汽車測試時的實際行駛距離引入的相對標準不確定度；

5）自變量Z值所導致的相對標準不確定度，，由絕對濕度H值所導致。

靈敏系數：

，為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;

，為汽車測試中的實際行駛距離的靈敏系數;

，為自變量Z的靈敏系數；

5 測量結果的不確定度分析

對樣車進行了五次I型試驗，其中低速段的試驗結果如表2所給出。

5.1 測量重復性引入的相對標準不確定度

測量結果的算術平均值：

由于在實際過程中只進行 1 次試驗，所以因測量重復性引入的標準不確定度為：

測量重復性引入的相對標準不確定度：

5.2 稀釋排氣的總容積Vmix的相對標準不確定度

根據定容采樣系統說明書，其最大容許偏差范圍為±0.2%，在此范圍內服從均勻分布，其包含因子為，因此而引入的相對標準不確定度ur（Vmix）為：

5.3 稀釋排氣中污染物濃度Ci的相對標準不確定度

由兩個分量合成，為標準物質和分析設備引入的不確定度。

標準物質生產廠的氮氧化物（NOX）的標準含量為10.18ppm，相對擴展不確定度為1%，即k取2，則標準物質引入的標準不確定度：

通過分析儀說明書，可以得知NOx分析儀的最大誤差范圍為1.0%FS，選用的量程為10ppm，則分析結果的最大變化范圍為±（0.01*10）=±0.1ppm。在此范圍內服從均勻分布，其包含因子為，區間半寬為0.1ppm，那么分析儀中所引入的標準不確定度為：

兩個分量彼此不相關，其合成標準不確定度表示為：

則稀釋排氣中污染物的校正濃度Ci的相對標準不確定度為：

5.4 自變量Z的相對標準不確定度

根據說明書，絕對濕度H的最大容許偏差為±5%，上述計算的5次試驗絕對濕度均值為7.926g/kg，因此絕對濕度的變化范圍如下：±（7.926*0.05）=±0.396g/kg。在此范圍內服從均勻分布，包含因子為，區間半寬為0.396g/kg，即由絕對濕度H引入的標準不確定度：

則自變量Z的相對標準不確定度：

5.5 汽車測試時的實際行駛距離d的相對標準不確定度

按照汽車底盤測功機的說明書，轉鼓速度的最大容許偏差為±0.02km/h，其低速段測量時限為589s，而該車的實測行駛距離的變化范圍如下：

±（0.02/3600*589）=±0.0033km，在此范圍內服從均勻分布，包含因子為，區間半寬為0.0033km，由此引入的標準不確定度：

u（d）===0.0019km

汽車在低速段實際行駛距離d的相對標準不確定度：

ur（d）===0.00047

5.6 列表給出不確定度匯總如下：

5.7 合成標準不確定度評定

將各個來源的不確定度值和靈敏系數代入公式計算，即可得出合成的相對標準不確定度：

=0.062

本次試驗的，則常溫冷起動后NOx排放量的合成標準不確定度：

4.8 擴展不確定度評定

取包含因子k=2，其擴展不確定度如下：

6 報告試驗結果和擴展不確定度

該款樣車5次I型試驗NOx排放量MNOx的均值為0.050g/km，其擴展不確定度為：U=0.006g/km，k=2。相對擴展不確定度為：Urel=12.0%，k=2。

7 結論

經上述計算，得知常溫下冷起動后NOx排放量的相對擴展不確定度為12.0%，k=2。從各不確定度分量的比分析，重復性不確定度、分析設備質量和標準物質所引入的不確定度對測量結果影響都很大，在試驗過程中應保持測量過程的統一性，嚴格做好對分析設備的質量控制，提高儀器精度，并嚴格控制標準物質的質量和等級，在保持測量過程統一性和標準物質質量的條件下，對NOx排放檢測結果的置信性影響是很大的。

參考文獻：

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