基于底盘测功机重型车排放试验NOx不确定度评估

王凤滨 邸少伟 刘 辰

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

近年来环保问题深受社会各界重视，机动车污染是其中关注的焦点，而重型车污染物排放问题是其重中之重，重型车主要排放污染物为NOx。依据GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》[1]，基于底盘测功机使用全流定容稀释系统测量重型车NOx排放是准确而有效的检测方法。为了更加准确地了解NOx测量结果的精确性和可信度，特对其不确定性进行评估。

1 评定依据

测量的目的是为了确定被测量的量值，测量结果的品质是量度测量结果可信程度的最重要的依据。测量不确定度是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。因为一切测量结果都不可避免地具有不确定度，所以测量结果表述必须同时包含赋予被测量的值及与该值相关的测量不确定度，才是完整并有意义的。

本文将依据中华人民共和国国家计量技术规范JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》[2]中标准不确定度的A、B类评定标准，对重型柴油车整车NOx排放测量的不确定度进行评估。

2 试验方法

与轻型车辆排放认证体系不同，重型车辆的认证是通过发动机台架试验完成的，即检测发动机性能状况，在台架检测发动机排放性能，完成排放认证，而不是如轻型车辆排放认证体系一样通过检验整车评价和检验排放性能。这是由于重型车种类和用途繁多，作业情况复杂导致的，g/km指标不能很好地评价排放状况，重型车最终的限值评价基于g/（kW·h）的比排放指标进行。

重型车排放试验采用C-WTVC循环[3]，C-WTVC是在全球重型商用车瞬态循环（WTVC，Word Transient Vehicle Cycle）的基础上，通过调整WTVC的加速度和减速度形成的，并结合国内大部分车辆的行驶特点，完善形成的中国重型商用车循环。其适用于质量大于3 500 kg的重型车，共分3个阶段，其中1～900 s为城市工况，900～1 368 s为公路工况，1 368～1 800 s为高速工况。与轻型车不同的是重型车NOx排放结果并非通过分析气袋中NOx得到结果，而是通过加热型分析仪连续取样读取NOx浓度值，按照试验循环分阶段积分加和后得到NOx排放结果。

试验通过环境仓控制环境温湿度，底盘测功机模拟车辆道路行驶阻力，全流稀释定容排放系统测量NOx排放值，所用试验设备型号如表1所示。

表1 试验设备表

3 不确定度来源分析

重型柴油车整车NOx排放的影响因素较多，试验系统图如图1所示，根据法规和试验经验，主要有以下几个方面：试验室环境包括干球温度和大气压力，标准状况下稀释气体容积，NOx湿度修正系数，污染物的校正浓度，试验循环的循环功，排放分析仪所用标准气体，NOx分析仪的测量精度，试验人员操作导致的误差，主要是驾驶员由于个人习惯在离合、换挡、油门等操作产生的误差[4]。此外测量重型车NOx排放需要考虑环境温度和湿度，故需要将NOx浓度测量时的不同环境条件修正到标准状态（基准温度和基准湿度），计算过程中需要进行温度和湿度校正，所以相对于其它气体排放物NOx排放计算非常复杂，欲得到最终NOx排放结果，需要多种测量仪器对多个参数进行测量才能得到最终结果。由于测量结果的精度不同对最终结果有很大影响，通过分析各个测量分量对最终结果的测量不确定度的灵敏度系数，得出各个测试设备精度的要求，达到提高精度，并最终计算重型柴油车整车NOx排放测试的不确定度。

图1 试验系统图

4 不确定度评估计算

4.1 NOx测量的A类不确定度

试验中某些因素无法使用计算公式量化评估其对试验结果的影响程度，统称之为A类不确定度，本试验中包括试验室的环境中大气压力和干球温度，试验人员操作，A类不确定度可以通过试验重复性计算使用重复性评估。

试验车辆为一辆欧Ⅵ重型柴油货车，满载质量为4 495 kg，试验室大气压力为101.3 kPa，温度设定控制25℃，湿度设定45%，燃油采用0号柴油，试验前加满燃油，试验过程中使用同一个驾驶员。10次试验结果如表2所示。

表2 排放试验NOx统计表

计算公式

将各次试验数据代入公式，计算得到平均值为0.530 g/（kW·h），不确定度为0.004 g/（kW·h），A类相对不确定度为0.83%。

4.2 NOx测量的B类不确定度

根据GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》可知，重型柴油机排放NOx的比排放量计算公式为：

式中：Mi为NOx比排放，单位为g/（kW·h），Vmix为标准状况下稀释气体容积，单位为m3，Qi为标况下污染物密度，单位为g/L，试验采用法规规定值，2.053 g/L，在此不做讨论，k为NOx湿度修正系数，Ci为污染物的校正浓度，Pi为C-WTVC循环的循环功。

4.2.1 稀释气体容积不确定度

重型车排放污染物测试系统采用文丘里管测定稀释气体容积，10次试验数据如表3所示。

表3 稀释气体容积统计表

采用式（1）和（2）计算，得到平均值为 1 509.1 m3，不确定度为13.7 m3，相对不确定度为uB1=u（Vmi）x=0.91%。

4.2.2 修正系数的不确定度

修正系数k计算公式为

式中：Ha为进气的绝对湿度，g水/kg干空气。Ha计算公式为

式中：Ra为相对湿度，Pd为饱和蒸汽压，PB为大气压力，kPa；

饱和蒸汽压Pd计算公式为

进气饱和蒸汽压Pd可根据进气温度通过查饱和蒸汽压与温度关系表得出A，B，C的值。

根据仪器报告，压力计相对不确定度为1%，温度计和湿度计不确定度为1%，计算得到uB2=uk=0.95%。

4.2.3 分析仪测量浓度的不确定度

分析仪测量NOx不确定度来源于两个方面，一是分析仪精度，二是标准气体不确定度[5]。气体分析仪的误差分布属于矩形（均匀）分布，测试误差为1.0%，NOx标准气体的不确定度为u31=1%。

4.2.4 循环功的不确定度

式中：M为发动机净转矩，n为发动机转速，f1为转矩百分比，f2为摩擦转矩百分比，MC为参考转矩，为定值，单位N·m。OBD读取转矩和转速数据相对不确定度为1.0%。根据JJF1059-1999所提供的测量不确定度计算方法，计算各个分量的不确定度。各分量互不相关，由不确定度的传播率可以得到功率P的不确定度为：uB4=uPi=1.22%。

5 计算结果

计算得到uB=1.08%，即B类不确定度为1.08%。由此得到NOx不确定度为

u=1.36%

计算扩展不确定度时，包含因子k为2，

u95=2.72%

6 结论

本文依据不确定度评定方法，根据重型车排放测量方法，从重型车排放污染物测试设备、循环功参数读取设备、试验环境、人员操作等方面对NOx不确定度进行分析，评估各因素对测量NOx影响，提出计算NOx的方法。从结果可知，A类不确定度占扩展不确定度的30.5%，说明试验重复性操作对试验结果影响较小，试验结果稳定，试验系统的测试精度是影响不确定度的主要因素。通过本次NOx不确定度的评定，得到其扩展不确定度，保证了排放试验NOx重复操作测量的稳定性。