欧Ⅵ排放测试中使用低浓度标准气的研究

温溢　杨正军　潘朋　高俊华

（中国汽车技术研究中心，天津300300）



欧Ⅵ排放测试中使用低浓度标准气的研究

温溢杨正军潘朋高俊华

（中国汽车技术研究中心，天津300300）

【摘要】根据试验室中出现的满足欧Ⅵ排放标准的超低排放车辆测量准确性问题，选用了一批超低浓度的标准气，对比研究了超低排放车辆3种低浓度常规污染物在常用标准气和超低浓度标准气下试验的差异。结果表明，国产1×10-6级别浓度标准气能在排放试验室中有效、稳定地使用，且低量程测量能够突显出测试结果的细微差别，可在超低排放车辆的研发过程中提供更准确的数据。

1　前言

近年来，随着排放法规的逐渐加严以及机动车尾气排放控制技术的迅速发展，车辆的污染物排放量已大幅度降低，出现了很多满足欧Ⅵ标准的超低排放的车辆，由于它们在排放试验中稀释尾气的浓度远低于目前排放试验分析仪配备的标准气浓度，因此无法确定测量出浓度值是否精确。

为解决上述问题，选取了一批超低浓度标准气装备在排放测试分析仪中，对低排放车辆分别使用超低浓度标准气和普通浓度标准气进行了NEDC工况下的排放对比试验，研究了在两种浓度标准气下3种常规污染物（下称污染物）测试结果的差异。

2　试验方法

2.1试验设备

试验设备如表1所列。其中，轻型车尾气排放分析仪MEXA-7400LE及定容取样分析系统配备了普通和超低两套管路，THC和NOx的超低管线量程最低达到1×10-6，CO超低管线最低量程为10×10-6，完全满足试验要求。另外，试验室还配备了背景空气净化装置DAR，以降低背景污染物浓度，提高试验精度。

表1　试验用设备

标准气选用目前国内生产的精度及稳定性较好的产品，产品特性如表2所列，其中THC测量所用标准气采用C3H8。

表2　标准气浓度及特性

2.2试验方法

试验选用了5辆满足超低排放的轻型汽油车做为试验样车，样车均按照GB18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段）》中的要求进行常温冷起动排放试验，试验车尾气经过全流定容稀释后，将其中一部分气体作为被测样气采集到气袋中进行测量。循环工况采用NEDC循环，如图1所示。整个工况分为市区循环（ECE）和市郊循环（EUDC）两部分，市区循环全长4.052 km、时长780 s、最高车速50 km/h；市郊循环全长6.955 km、时长400 s、最高车速120 km/h[2]。

图1　NEDC工况曲线

气袋采集的气体通过MEXA-7400LE分析系统进行污染物浓度分析。在MEXA-7400LE分析系统中，使用化学发光型分析仪测量NOx浓度，使用氢火焰离子化型分析仪测量THC浓度，使用不分光红外线吸收型分析仪测量CO浓度[3]。

试验中，排放分析仪分别使用两种不同量程（表2）来读取3种污染物浓度值，最后按照法规要求的方法计算得到每种量程下的最终排放结果。在NEDC循环结束后，分析系统会自动选取合适的量程进行读数，对于超低浓度排放污染物的测量，一般会选取低量程，所以在分析系统自动生成报告后，需要手动读取污染物在高量程下的浓度，并进行计算得出最终结果。

污染物浓度的计算方法为：式中，Mi为NEDC工况下污染物i的排放质量；Vmix为稀释排气的容积（校正至标准状态273.2 K和101.33 kPa）；Qi为在标准温度和压力（273.2 K和101.33 kPa）下污染物i的密度；kH为用于计算NOx的排放质量的湿度修正系数；Ci为稀释排气中污染物i的浓度，并用稀释空气中所含污染物i的含量进行修正；d为相当于运行循环的实际距离。

试验结果相对偏差ρ1计算式为：

读取浓度值相对偏差ρ2计算式为：

式中，Ce为稀释排气或稀释空气中测得污染物i的浓度。

3　试验结果分析

3.1标准气浓度对NOx测试结果的影响

图2为在两种量程（1×10-6和5×10-6）下，5辆样车进行Ⅰ型试验得到的NOx测试结果。从图2可看出，使用两种量程得到的5次测试结果之间存在一定差异，1× 10-6量程下的5次测量结果均略低于5×10-6量程下的测量结果。

图2　两种量程下NOx测试结果对比

表3为在两种量程下的NOx相对偏差。由表3可知，5次测量结果的相对均值偏差均小于±3 %，其中，1#样车偏差最大，为-2.23 %，4#样车偏差最小，为-0.72 %；两种量程下的相对限值偏差都很小，均不到±1 %。标准GB18352.5—2013中对NOx的限值为0.06 g/km。

表3　两种量程下NOx测量偏差　%

注：a.相对均值偏差是指样车在两种量程下测量偏差值相对两种量程下测量均值的相对偏差；b.相对限值偏差是指样车在两种量程下测量偏差相对限值的相对偏差。

对试验中ECE和EUDC工况下的5辆样车NOx测试结果分别进行了对比，如图3所示。由图3a可看出，在ECE工况下，1#、2#、3#样车在1×10-6量程下的测试结果小于5×10-6量程下的测试结果；4#、5#样车在两种量程下的测试结果相差较小；由图3b可看出，在EUDC工况下，2#样车在两种量程下的测试结果相差不大，其它4辆样车在1×10-6量程下的测试结果小于5×10-6量程下的测试结果。

图3　两种工况下NOx测量结果对比

在Ⅰ型排放试验的污染物计算中，每个工况下的排放值都是由样气浓度减去背景空气浓度后计算得出的，为了具体分析两种量程测试结果出现差异的原因，分别对比分析了每次测量得到的样气浓度与背景空气浓度。每辆样车分别在ECE和EUDC工况下进行了10次浓度测量，图4为5辆样车在试验中读取的NOx浓度值。由图4可看出，因背景空气中NOx自身浓度很低，所以两种量程下得到的NOx测量值相差不明显；两种量程下读数的差别主要在样气浓度读取上，当被测NOx的浓度在0.2×10-6～0.7×10-6之间时，在1×10-6量程下的读数会略低于5×10-6量程下的读数，当被测NOx浓度在0.5×10-6附近时偏差最大。

3.2标准气浓度对THC测试结果的影响

图5为在两种量程（3×10-6和50×10-6）下，5辆样车进行Ⅰ型试验得到的THC测试结果。3×10-6量程装备了浓度为1×10-6的C3H8标准气，50×10-6量程装备了浓度为15×10-6的C3H8标准气。从图5可看出，超低排放车辆的THC污染物在NEDC工况下总的排放结果均在0.02 g/km以下，即不到国Ⅴ法规限值（0.1 g/km）的20 %。通过对比分析可知，THC在两种量程下得到的测试结果变化不大，采用3×10-6量程的测试结果比采用50×10-6量程的测试结果略低。

图4　NOx浓度测量值对比

图5　两种量程下THC测试结果对比

表4为5辆样车在两种量程下THC的测量偏差。由表4可知，最大相对均值偏差为-1.04 %，最小为-0.22 %；相对限值偏差更小，均不到±0.3 %。这说明在排放试验中THC受量程变化的影响不大，用大量程测量小数据也较准确。这是因为氢离子火焰测量方法比较稳定，且C3H8标准气的扩展不确定度较小等原因导致。

表4　THC测量偏差值　%

对试验中ECE和EUDC工况下的5辆样车THC测试结果分别进行了对比（图略）。可知，在ECE工况下，1#样车在3×10-6量程下的测试结果大于50×10-6量程下的测试结果，其它4辆样车在3×10-6量程下的测试结果均低于50×10-6量程下的测试结果；在EUDC工况下，1#、2#、3#样车在3×10-6量程下的测量结果更低，而4#、5#样车在3×10-6量程下的测量结果均大于50×10-6量程下的测量结果；在EUDC工况下测试结果的差异比ECE工况下明显。THC在ECE工况下的排放量高于EUDC工况下的排放量，当被测的THC浓度值在0.5×10-6～ 3×10-6区间时测量结果偏差整体较小，最大测量偏差不到0.04×10-6。结合两个阶段的测量偏差可知，被测THC的浓度越低，两种量程下的测量偏差会越大。

3.3标准气浓度对CO测试结果的影响

图6为在两种量程（10×10-6和100×10-6）下，5辆样车进行Ⅰ型试验得到的CO测试结果。从图6可看出，对于超低排放车辆的CO排放值，使用10×10-6量程的测试结果低于100×10-6量程下的测试结果。

图6　两种量程下CO测试结果对比

表5为5辆样车在两种量程下CO的测量偏差。由表5可知，3#样车的相对均值偏差最大，为-3.38 %，2#样车和4#样车的相对均值偏差最小，分别为-0.8 %和-0.88 %；相对限值偏差都很小，均不到±1 %，其中最大相对限值偏差为-0.54 %。标准GB18352.5—2013中对CO的限值为1 g/km，

表5　CO测量偏差　%

对试验中ECE和EUDC工况下的5辆样车CO测试结果分别进行了对比（图略）。可知，在ECE工况下，除3#车外，其它4辆样车在两种量程下的测试结果相差不大；在EUDC工况下，1#和5#号样车在10×10-6量程下的测量值较低，其它3辆样车在100×10-6量程下的测量值小于10×10-6量程下的测量值。由于多数车辆在EUDC工况下CO排放量很低，结合两个工况的测量偏差可知，被测CO浓度过低会造成两种量程下的测量偏差。

3.43种污染物排放试验结果对比分析

3.4.13种污染物排放试验结果对比

将排放试验过程中在两种量程下测得的3种污染物的测量偏差进行了对比，如图7所示。从图7可看出，NOx的平均相对限值偏差最大，约为0.44 %，THC的平均相对限值偏差最小，小于0.14 %。这表明3种污染物中，THC受标准气浓度影响最小，用高浓度标准气测试低浓度值也能得到较准确的结果。

NOx在排放试验中受标准气影响大的原因是，一方面NOx自身特性不稳定，内部成分容易发生变化，另一方面是NOx标准气不确定度也最大[4]，其中1×10-6的NOx标准气不确定度为±6 %。 3.4.2 3种污染物浓度读取偏差对比

图7　3种污染物试验结果偏差对比

试验中利用排放分析仪对3种污染物在超低和普通两种量程下进行了浓度读取，3种污染物的测量浓度偏差值如图8所示。由图8可看出，CO的测量浓度偏差最大，大于0.05×10-6，NOx的测量浓度偏差最小，小于0.01×10-6。另外，由于试验中进行CO测量的标准气量程较大，所以在3种污染物浓度偏差相对测量量程的相对偏差中，CO的相对偏差最小，而NOx的相对偏差最大。

图8　浓度测量值偏差对比

4　结束语

a.对于超低排放车辆，在NEDC工况下进行尾气测试时，采用超低浓度标准气的测量结果与普通深度标准气下的测量结果存在一定差异，其中，NOx测量结果偏差最大，平均为0.44 %；THC测量偏差最小，平均值为0.14 %。3种污染物相对国Ⅴ标准限制的偏差均未超过±1 %。

b. 3种污染物在不同浓度标准气下测量的浓度值存在一定的偏差。3种污染物中，浓度测量值偏差最大的是CO，平均偏差为0.052×10-6；最小的是NOx，平均偏差为0.007 7×10-6。

c.使用超低浓度标准气更能突显出测试结果的细微差别，能够在超低排放车辆的研发过程中提供更准确的数据。

参考文献

1闻俊杰，康赫男，侯健生.关于标准气体使用中一些问题的探讨.计量与测试技术, 2014（3）: 39～41.

2许立斌，俞小莉，葛蕴珊.用于测量轻型车超低排放的分流稀释气袋取样系统.汽车工程, 2004（6）: 652～654.

3郭卫.一氧化碳红外线气体分析器示值误差测量结果不确定度评定.天然气工业, 1996（7）: 59～61.

4夏朝彬.浅析认证标准气不确定度的来源及计算方法.天然气工业, 1996（7）:66～69.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2015年9月10日。

Research on Low Concentration Standard Gas in EURO VI Emission Test

Wen Yi, Yang Zhengjun, Pan Peng, Tian Donglian, Yu Jintao, Gao Junhua
（China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300）

【Abstract】To improve the measuring accuracy of super ultra- low emission vehicles (SULEV) appearing in the laboratory that satisfies Euro VI emission standard, a batch a super low concentration standard gases are selected, and three kinds of low concentration normal pollutants from SULEV are studied in conventional standard gas test and ultra low concentration standard gas test and their difference is compared, which indicate that China- made 1×10- 6Class concentration standard gas can be used effectively and stably in emission test lab, and low range measurement can highlight the slight difference of measurement results, which can provide more accurate data in SULEV development.

Key words:Automobile, Euro IV standard, Low concentration pollutant, Test, Standard gases

中图分类号:U467.4+8

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）02-0050-05

主题词:汽车欧Ⅵ标准低浓度污染物测试标准气