轻型汽车CO2排放测量不确定度评定

黄佑贤，矫建伟，王茁，游云鹏，李宪斌

轻型汽车CO2排放测量不确定度评定

黄佑贤，矫建伟，王茁，游云鹏，李宪斌

（中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）

CO2排放是汽车污染物排放检测的一项重要技术指标，它表征的是汽车排出污染物的多少和车辆能耗高低的参考标准之一，用以控制汽车使用中产生的污染物排放量，避免对环境产生损害。按照GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》的规定使用全球统一的轻型车测试循环工况进行常温下冷启动后污染物排放试验，并对测量结果进行不确定度评定。文章阐述了轻型汽油车CO2排放测试所用的测试原理、法规工况曲线、测试设备、数学模型等，通过分析影响试验结果的各因素来源，综合计算得出轻型车CO2排放测试结果的扩展不确定度和相对扩展不确定度。

汽车排放；CO2；不确定度评定；能耗

前言

CO2排放是汽车污染物排放检测的一项重要技术指标，它表征的是汽车排出污染物的多少和车辆能耗高低的参考标准之一，通过对汽车排放污染源的控制降低对环境的污染程度。

按照中国第六阶段标准规定，轻型汽车在进行相关型式核准项目申报认证时都需要对CO2进行检测，按照中国第六阶段排放法规规定使用全球统一的轻型车测试循环（WLTC）工况进行常温下冷启动后污染物排放试验，测得CO2的排放结果，并对测量结果进行不确定度评定[1-2]。

测量不确定度的目的是为了表征合理地赋予被测量值的分散性跟测量结果具有关联性的参数。测量不确定度一般由若干分量组成，其中一些分量可根据一系列测量值的统计分布，按测量不确定度的A类评定进行评定，而另一些分量则可根据基于经验或其他信息获得的概率密度函数，按测量不确定度的B类评定进行评定[2-3]。

1 试验程序

1.1 测量原理

本次测定CO2使用的是不分光红外线法（NDIR），测试设备的工作原理是基于测量气体对于特定波长的红外的能量的吸收。CO2能够吸收波长介于2.7~4.26μm的红外线光，而且具有吸收峰值，在采集到的氧气中CO2的浓度是通过红外线透过一定长度的该气体后透射能量的强弱测量得到。测试中为了减小其他气体对测量的干扰，需要在分析仪测量前端设置滤波室来过滤掉对测量有影响的其他干扰气体对应的波长。

1.2 测试工况

测试循环使用全球统一的轻型车测试循环（WLTC），循环分为四个阶段：低速段、中速段、高速段和超高速段；整个循环共 1 800s。每一段所对应的时间分别为：589秒、433秒、455秒和323秒。

表1 试验用仪器设备及标准物质

1.3 测试步骤

（1）车辆驱动轮固定在底盘测功机的转鼓上。

（2）底盘测功机根据车辆滑行阻力值进行阻力设定。

（3）驾驶员按照系统设定好的工况曲线完成试验循环。

（4）样品采集系统对样品进行采集存储。

（5）试验工况和采样结束后分析系统自动对氧气袋中的污染物成分进行分析，并输出相应测试结果。

1.4 使用的仪器设备及标准物质（表1）

2 影响因素及评定方法

2.1 影响因素分析

影响轻型车常温排放污染物（Ⅰ）型试验的因素很多，根据计算公式以及使用经验，确定主要包括：稀释排气的容积、稀释排气中污染物的校正浓度、车辆试验时的实际行驶距离、试验室内大气压力、试验室内干球温度、标定用标准气体、采样系统、分析系统、底盘测功机的阻力设定、迎面冷却风机的冷却风量、驱动轮胎压力、驾驶员驾驶习惯以及试验用燃料特性等[4-5]。

2.1.1稀释排气容积（Vmix）

稀释排气容积Vmix试验中需要直接参与计算，测量的数值需要校正到标准状态下。校正所需的3参数为试验室内大气压力、容积泵进口处的真空度（相对于环境大气压）、进入容积泵的稀释排气平均温度。由于实际文氏管流量是实时变化的，同时试验室内大气压力、容积泵进口处相对于环境大气压的真空度以及进入容积泵的稀释排气平均温度也都是实时变化的，所以人工分别测量各个参数再进行计算非常复杂，很难实现。采样系统进行整合后，通过测量对应的这些参数进行积分计算，直接得到每次得到的稀释排气容积Vmix[4]。

2.1.2稀释排气中污染物的校正浓度（Ci）

稀释排气中污染物对应的校正浓度参与结果计算，对结果有一定影响，其主要由稀释排气浓度、背景稀释空气浓度以及相应的稀释系数共同计算得出。稀释系数是通过袋采分析中氧气CO2、HC和 CO浓度计算得出。综上，通过测量稀释排气和稀释空气中的污染物浓度综合计算得出稀释排气中污染物校正浓度。

2.1.3车辆试验时的实际行驶距离（d）

试验时车辆的实际行驶距离是通过底盘测功机转鼓转速和采样时间的乘积得到，其误差的构成有两部分，驾驶员驾驶操作偏差造成的里程变化和底盘测功机测量时系统误差造成的里程变化。

2.1.4测量重复性引入的标准不确定度

经过分析下列给出了对试验影响的相关因素并采用标准不确定度的A类评估：

（1）测试环境舱内的干球温度会影响发动机和后处理系统运行温度和状态等，从而影响整车排放。

（2）标定测试设备所使用的标准气体会影响分析仪的零点和量距，从而影响污染物浓度测量结果准确性。

（3）试验室内大气压力会对发动机进气量造成影响，影响发动机燃烧，最终影响排放量。

（4）底盘测功机的加载阻力直接影响试验车辆的负荷，从而影响整车排放。

（5）迎面冷却风机的冷却风量影响试验过程中的发动机和后处理的温度，进而影响整车排放。

（6）驱动轮胎压力高低会影响试验车辆的负荷，从而影响整车排放。

（7）试验时驾驶员对油门、离合器以及制动踏板的使用会对发动机的燃烧造成影响，进而影响整车排放。

（8）试验燃料会对车辆油气混合、挥发性、燃烧特性造成影响；各种含量也会对处理系统的工作效率造成一定影响。

2.2 评估方法的确定

2.2.1标准状态下的稀释排气容积（Vmix）

根据排气取样系统的使用说明，稀释排气容积受文氏管流量、容积泵真空度、进排气温度、大气压影响，则稀释排气容积Vmix采用不确定度B类评估。

2.2.2稀释排气中污染物的校正浓度（Ci）

稀释排气中的校正稀释浓度结果受分析设备最大允许误差以及标准气体的最大允许误差影响，由分析设备和标准气体的相关使用说明可知，两个影响因素均采用不确定度B类评估，再通过不确定度合成方法合成为稀释排气中污染物的校正浓度的不确定度。

2.2.3车辆试验时的实际行驶距离（d）

由于车辆的车轮与底盘测功机的转鼓的转动线速度相同，因此通过底盘测功机的速度乘以测试时间就可以得到车辆的实际行驶距离。此处忽略计算机产生的误差，仅需对底盘测功机速度的最大允许误差进行分析。根据底盘测功机说明书，对车辆试验时的实际行驶距离（d）进行不确定度B类评估。

2.2.4测量重复性引入的标准不确定度（f1）

将2.1.4列出影响因素所产生的重复性因素为输出量的重复性因素，不需要单独进行评估，综合评估测量结果的重复性引入的不确定度分量。

轻型车常温排放污染物（I型）试验测量不确定度的输入量的因果关系如图1所示[6]：

图1 CO2排气污染物排放量不确定度因果关系图

3 数学模型

3.1 建立数学模型

根据中国第六阶段排放法规中CE.3.2.1所述，对Ｉ型试验排气污染物排放量建立数学模型如下：

式中：

Mi----污染物i的综合排放量，g/km；

Vmix----表示稀释排气容积，L（标准状态下）；

Qi----在标准状态下，污染物i的密度，CO2为1.964 g/L；

KH----表示用于计算氮氧化物的排放质量的湿度修正系数（本次测试中对CO2测量不产生影响，不参与结果计算）；

Ci----表示稀释排气中某种污染物i对应的体积分数，并用稀释空气中对应的污染物i的体积分数进行修正；

d----车辆按运转循环试验时所行使的实际距离，km。

3.2 MCO2数学模型

考虑上述影响测量不确定度的所有来源，则MCO2数学模型如下：

3.3 灵敏度系数

重复测量的灵敏系数为：

混合排气容积的灵敏系数为：

稀释排气中污染物的校正浓度的灵敏系数为：

车辆试验时的实际行驶距离的灵敏系数为：

4 测量结果不确定度的评估

4.1 测量物理量及结果汇总

表2 与试验结果的不确定度有关的物理量及测试结果

表2 （续）

根据中国第六阶段排放法规中Ι型试验方法对试验样车进行5次测试，与不确定度计算相关量汇总见表2。

4.2 测量重复性引入的A类相对标准不确定度ur（f1）

在实际试验中只对样车进行1次测量，则引用贝塞尔计算公式如下：

式中：

（）----试验标准偏差；

M----第i次测量的结果；

----测量次数；

---- n次测量结果的算术平均值。

（x）----标准不确定度。

测量结果的算术平均值：

所以测量重复性标准不确定度：

测量重复性相对标准不确定度为：

4.3 Vmix的相对标准不确定度ur（Vmix）

则Vmix的相对标准不确定度：

4.4 标准气体引入相对标准不确定度ur（e1）

标准气体生产厂已经给出二氧化碳（CO2）浓度为2.40%，标准不确定度为1%，服从正态分布，包其含因子k取2，则引入相对标准不确定度：

4.5 分析设备引入的相对标准不确定度ur（e2）

4.6 车辆试验时的实际行驶距离d的相对标准不确定度ur（d）

试验时的实际行驶距离d的相对标准不确定度：

4.7 标准不确定度计算分量汇总

表3 常温下CO2排气污染物排放量的标准不确定度计算分量汇总

表3 （续）

5 合成标准不确定度评估

常温下CO2排气污染物排放量的相对合成标准不确定度将所有来源的不确定度值和灵敏系数代入计算：

本次试验的MCO2=165.21g/km，则CO2排气污染物排放量的合成标准不确定度为：

6 扩展不确定度评估

直接取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

则MCO2的扩展不确定度为U=1.99g/km。

7 相对扩展不确定度的评估

相对扩展不确定度：

8 报告试验结果和扩展不确定度

轻型汽车常温下冷起动后排气污染物排放试验（I型试验）在此次测试中，MCO2的综合试验结果为165.21g/km，其扩展不确定度为：

U=1.99g/km，k=2。

或者Urel=1.20%，k=2。

9 结论

综上，此次轻型汽车CO2排放从多个影响因素进行分析评价，从相关数据得出重复性不确定度对试验结果影响相对较大，在测试过程中应对试验条件、样品状态以及试验人员的控制至关重要；同时应加强对相关测试系统的管理，保证测试设备精度，标准物质应符合相关标准等级，以此降低测试结果不确定度。最终测试得到的相关试验结果才具有较高的置信度，能保证试验结果在合理的误差范围内。

[1] 环境保护部,国家质量监督检验检疫总局GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[S].北京:中国环境出版社出版2017:46-56.

[2] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1059.1-2012《测量不确定度的评定与表示》[S].北京:国家质量监督检验检疫总局,2012:1-48.

[3] 游云鹏.炭罐初始工作能力测量不确定度评定[J].汽车使用技术, 2020,38(07):128-129.

[4] 中国合格评定国家认可委员会.CNAS-GL023:2018《汽车和摩托车检测领域典型参数的测量不确定度评估指南》[S].2018:1-62.

[5] 张凡.车用发动机WHTC试验NOX排放测试结果的不确定度评定[J].小型内燃机与车辆技术,2015,44(06):19-20.

[6] 潘鹏,王建海,田东莲.轻型车排放测试影响因素试验研究[J].汽车技术,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

U473.9

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1671-7988(2021)06-88-05

黄佑贤，就职于中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司。