国六轻型车排气污染物中甲烷的不确定度评定

张凤鸣

摘 要：本文介绍了汽车排气污染物中甲烷的生成机理，阐明了甲烷排放的危害和测量的必要性，在评定其不确定度的过程中，按GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中Ⅰ型试验流程开展试验，对底盘测功机和稀释采样系统等设备、环境条件、标准物质、人为操作等可能会影响排放结果的因素进行了评估，计算排气污染物中甲烷的不确定度。结果证明，在保证试验和标气质量的情况下，甲烷排气测量结果置信度是很高的。

关键词：轻型汽车 甲烷 不确定度

Abstract：This article introduces the generation mechanism of methane in automobile exhaust pollutants， and clarifies the hazards of methane emissions and the necessity of measurement. In the process of assessing its uncertainty， according to GB18352.6-2016 "Light Vehicle Pollutant Emissions" Limits and Measurement Methods （China Phase 6）" Type I test process is carried out to test the chassis dynamometer and dilution sampling system and other equipment， environmental conditions， reference materials， human operations and other factors that may affect the emission results. The article evaluates and calculates the uncertainty of methane in exhaust pollutants. The result proves that under the condition of ensuring the quality of the test and the calibration gas， the confidence of the methane exhaust measurement results is very high.

Key words：Light Vehicles， Methane， uncertainty of measurement

1 研究背景

隨着环境保护日益成为人类发展的重要议题之一，中国、欧盟、美国等世界主要国家的排放标准都在逐步加严。以中国为例，2020年正式实施的国六标准相比国五标准，各种污染物的限值平均下降了30%，降幅巨大。排放标准对污染物控制种类的增加、限值的降低持续促进着机动车排放控制技术的提高，从而降低了机动车排气污染物的水平。这也对排放实验室试验过程中排气污染物测量的准确度提出了更高要求。本文以排气污染物中甲烷成分为例，按照GB18352.6-2016中Ⅰ型试验要求重复3次，经过计算得出了甲烷的测量不确定度，评价了试验结果的置信程度。

2 甲烷生成机理及其危害

轻型汽油车的发动机在燃烧过程中，会因为缸内汽油液滴与空气混合不均、燃烧室壁面淬熄效应、狭隙效应等因素导致燃烧不完全从而产生甲烷。此外，气缸壁上的润滑油膜在缸内压力高时吸附甲烷，在压力低时解吸，阻碍甲烷的后续氧化，并且甲烷因为化学性质稳定难以通过汽车排气后处理系统消除[1]，最终造成甲烷排放至大气中。

甲烷作为一种高效的温室气体，等质量的甲烷的吸热量是二氧化碳的21～23倍[2]，在大气中的寿命约为12年，其对温室效应的贡献率约占15%[3]。它同CO2、N2O、HFCs等其他温室气体和气溶胶一道，打乱大气层辐射平衡、改变地表反射率从而造成温室效应。温室效应带来了极端天气频率的增加和全球平均气温的一路飙升。据世界气象组织（WMO）统计，1851年人类工业革命开始至2020年，全球平均表面温度呈明显上涨趋势，2020年是有历史记录以来第二热的一年。因此，在愈加关注气候变化和碳排放的当下，控制甲烷排放必要性非常高。我国的轻型车排放标准GB18352.6-2016是以控制总碳氢化合物的方式间接控制甲烷排放量。

3 不确定度评定概述

根据GB18352.6-2016对试验车辆进行3次Ⅰ型试验[4]，再参考JJF1059.1-2012对结果进行不确定度评定[5]，试验所用的设备、标气相关信息如表1：

4 检测原理和程序

排放分析仪中甲烷的测量采用气相色谱分析（GC）和氢火焰（FID）联用法。两根接续色谱柱中的一根只允许甲烷通过，而后甲烷通过H2/He混合气和合成空气组成燃料和助燃剂形成的氢火焰，燃烧后产生碳离子，碳离子在电极板之间的电压作用下转移至极板上并在两极板间形成电流，测量极板间的电流大小即可计算出样气中甲烷气体浓度。

检测程序如下：

（1）被测车辆固定在底盘测功机滚筒上。

（2）按车辆驱动方式、尺寸质量等默认参数计算当量惯量和默认道路载荷系数f1，f2，f3，经滑行验证后由底盘测功机模拟样车实际道路载荷。

（3）运行WLTC循环并对排气进行稀释和气袋采样。

（4）采样完成后对气袋中的稀释排气进行测量。

（5）计算结果。

5 影响因素分析

6 数学模型

6.1 根据GB18352.6-2016中气体排放质量计算公式[4]，计算汽油车甲烷测量结果的不确定度。计算公式如下（本文详述超高速段污染物，低速、中速、高速计算方法相同）：

式中，为甲烷的排放质量，mg/km;

为排气容积（修正到标准状态），L/试验;

式中，

PB为实验室内大气压力，单位kPa;

P1為文氏管进口处相对于环境大气压的真空度，kPa;

TP为试验期间进入文氏管的稀释排气平均温度，K;

为标准状态下（273.15K和101.325kPa），甲烷的密度，即0.716g/L;

为用于污染物排放质量的湿度修正系数，对于甲烷，=1;

为稀释排气中甲烷的校正浓度，

气袋中污染物校正浓度公式如下：

为稀释排气中的甲烷浓度，ppm;

为稀释空气中的甲烷浓度，ppm;

为稀释系数。试验所用样车为汽油车，所以公式如下：

d为车辆在WLTC循环超高速段所行驶的实际距离，km。

6.2 考虑上述影响测量不确定度的因素，乘以修正因子f1（f1=1），可建立数学模型如下：

整理后，

则常温下甲烷排气污染物质量的相对合成标准不确定度为

6.3 的不确定因素如下：

（1）重复测量的相对标准不确定度;

（2）稀释排气体积的相对标准不确定度;

（3）稀释排气中甲烷的校正浓度的相对标准不确定度，包括甲烷分析仪和标准气两个子因素;

（4）车辆实际行驶距离d的相对标准不确定度。

6.4 灵敏系数

为重复测量的灵敏系数，取1;

为稀释排气体积的灵敏系数，取1;

为稀释排气中甲烷校正后浓度的灵敏系数，取1;

为车辆实际行驶距离的灵敏系数，取-1[6]。

7 试验结果不确定度评估

对样车进行三次Ⅰ型试验，其超高速段试验结果如表2。

7.1 重复测量的相对标准不确定度

甲烷排放量平均值：

由于实际测量中每个气袋仅读袋一次，所以有

重复测量的相对标准不确定度：

7.2 稀释排气体积的相对标准不确定度

全流稀释采样系统最大允许误差为±0.3%，区间内服从均匀分布，包含因子等于，则其标准不确定度：

7.3 稀释排气中甲烷的校正浓度的相对标准不确定度

由两部分合成，分别为分析仪分量和甲烷标准气分量。

查试验使用的甲烷标准气浓度为 3.99ppm，相对扩展不确定度为1.0%，k=2，则标准气引入的标准不确定度为：

甲烷分析仪最大允许误差为示值的±2.0%，区间内服从均匀分布，包含因子等于，则甲烷分析仪引入的标准不确定度

两个分量互不相关，其合成标准不确定度为

稀释排气中甲烷的校正浓度的相对标准不确定度

7.4 实际行驶距离d的相对标准不确定度

根据底盘测功机的技术协议，转毂表面线速度准确度为±0.1%FS.WLTC超高速段最大速度为 131.3km/h，测试时间为323s，则样车超高速段实际行驶距离的变化范围为±0.001×131.3/3600×323=±0.0118km，区间内服从均匀分布，其包含因子等于，区间半宽为0.0118km，实际行驶距离引入的标准不确定度

样车超高速段实际行驶距离d的相对标准不确定度

汇总可得（保留三位有效数字）：（表3）

8 合成标准不确定度

由公式（1），带入表2中各不确定度分量，则相对相对标准不确定度

超高速段甲烷平均排放量=1.858mg/km，则常温下冷起动后甲烷排放量的合成标准不确定度

9 扩展不确定度评估

取包含因子k=2，则常温下冷起动后甲烷排放量的扩展不确定度为：

10 结论

经过上文计算，得出常温下冷起动后甲烷排放量的相对扩展不确定度为7.84%，k=2。从各不确定度分量占比来看，实验室如能保证试验过程的一致性和标准气体质量，Ⅰ型试验甲烷排放结果的置信度是很高的。

参考文献：

[1]谢淑霞，胡京南，鲍晓峰，等.天然气-汽油双燃料车实际道路排放特性研究[J].环境科学报，2011，31（11）：2347-2353.

[2]Hansen J E，Lacis A A.Sun and dust versus greenhouse gases： An assessment of their relative roles in global climate change[J].Nature，1990，346（6286）：713-719.

[3]IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis[R].Cambridge：Cambridge University Press，2007.

[4]环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限制及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2016-46-56.

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

[6]周猛，解难，杨帆等.国Ⅵ轻型车污染物不确定度评价[J].汽车工程师，2019（4）：48.