轻型车污染物NOx排放量的不确定度评定

彭颂　钟能超　蒋一春

摘 要：论文以我国的轻型汽油车为重点研究对象，并依据我国的测量标准技术JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》规范，依据《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）》进行了I型试验，通过对引起测试结果不定性改变的主要因素进行了分析和计算，从而判断汽车所排出的NOx排放量的测量不确定度。根据结果可知，在保持测量过程统一性和标准物质质量的条件下，对NOx排放检测结果的置信性影响是很大的。

关键词：轻型汽油车 测量不确定度 Ⅰ型试验

1 引言

由于环境对人类发展的不可或缺，近年来空气污染标准也越来越严格，污染限值也在日益减少，同时对轻型车污染控制的日益提高，汽车污染排放量也已大幅度降低，不少车辆都已达到国六标准的水平，也导致了对试验室中排放设备的精度检测要求也愈来愈高。但检测设备如底盘测功机、分析仪的准确度要求很高，而且大多数都是从国外引进，国家计量部门对其中一些项目无法计量，此类设备在国内只有少数实验室拥有，而且测试成本相对较高，影响测量结果的因素比较复杂。为了进一步评价检测设备的准确度控制范围，我们按照JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》规定的评定标准，以《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）》为依据，按照相关试验要求重复进行五次I型试验。为了更准确地了解I型试验NOx排放结果的真实性和准确度，在对试验结果和试验装置进行综合考虑后，对NOx不确定度进行了评估。

2 试验程序

2.1 试验样车、测试循环、试验用设备及标准物质

本次试验样车选择为某款符合中国第六阶段排放标准的轻型汽油车，所有排放试验都按照《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）》附录C中I型试验的各项规定进行操作，测试循环系统为WLTC（国内统一轻型机动车测试的循环系统），测试周期的总时限为1800秒，其在低速运行阶段、中速段、高速阶段、超高速阶段的累计停留时间分别为589s、433s、455s、323s。试验循环曲线如图1，试验的所有设备和标准物质都在表1所呈现。

2.2 试验方法

测试前，对底盘测功机和排放分析仪均进行了标定和校正，试验室温度在（23±5）℃，预置间浸车温度控制在（23±3）℃，样车浸置6h～36h，并采用固定运转法确定了底盘测功机负荷，测功机在标准软件操作下完成了四次滑行试验，当实现首次正常滑行试验后，标准可计算得出测功机设定系数作为二次滑行的设定值，而以后的第三次滑行试验也按照标准的计算结果得出的测功机设定系数进行设定。每次试验前预热底盘测功机30min，流量设置保持一致，分析仪采取同样量程，无更换标准气体，连续五天进行重复I型试验。

3 影响因素分析

4 数学模型

根据《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）》的标准相关规定，车辆常温下各速度区段的排气污染物排放量的计算公式为（文中主要以低速运行段污染物为例，中速段、高速段、超高速段的计算公式依此类推）：

式中：

Mi----污染物i的排放量，g/km；

Vmix----标准状态下（273.2K和101.33kPa）稀释排气的总容积，L/试验；

ρi----标准状态下（273.2K和101.33kPa）污染物i的密度，NOx的值为2.05g/L；

kH----用于计量氮氧化物的排放质量的湿度修正系数；

Ci----稀释排气中污染物 i 的体积分数，用于稀释空气中所含污染物的体积分数进行修正，ppm;

d----相当于测试循环的实际距离，km

为修正空气湿度对NOx值测量结果的影响，可用以下计算公式：

H=

式中：H----绝对湿度（水/干空气），g/kg;

Ra---环境空气的相对湿度，%;

Pd----环境温度下的饱和蒸气压，kPa。

PB---室内大气压，kPa

考虑各种影响测量结果不确定度的分量来源，建立NOx输出量的数学模型如下：

MNOx=2.05×10-6×

设，则：

即在常温下，污染物NOx排放量的相对合成标准不确定度如下：

该模型检测参数繁多，且部分参数在标定和校正时有所反映，因此一般在对各个不确定度分量的评定中不予考慮，总输出量MNOx的不稳定来源大致包括以下五个方面：

1）测量重复性引入的相对标准不确定度；

2）因稀释排气的总容积引入的相对标准不确定度；

3）由稀释排气中污染物的校正浓度而引入的相对标准不确定度，涉及两个来源：分析仪和标准物质的影响；

4）由汽车测试时的实际行驶距离引入的相对标准不确定度；

5）自变量Z值所导致的相对标准不确定度，，由绝对湿度H值所导致。

灵敏系数：

，为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;

，为汽车测试中的实际行驶距离的灵敏系数;

，为自变量Z的灵敏系数；

5 测量结果的不确定度分析

对样车进行了五次I型试验，其中低速段的试验结果如表2所给出。

5.1 测量重复性引入的相对标准不确定度

测量结果的算术平均值：

由于在实际过程中只进行 1 次试验，所以因测量重复性引入的标准不确定度为：

测量重复性引入的相对标准不确定度：

5.2 稀释排气的总容积Vmix的相对标准不确定度

根据定容采样系统说明书，其最大容许偏差范围为±0.2%，在此范围内服从均匀分布，其包含因子为，因此而引入的相对标准不确定度ur（Vmix）为：

5.3 稀释排气中污染物浓度Ci的相对标准不确定度

由两个分量合成，为标准物质和分析设备引入的不确定度。

标准物质生产厂的氮氧化物（NOX）的标准含量为10.18ppm，相对扩展不确定度为1%，即k取2，则标准物质引入的标准不确定度：

通过分析仪说明书，可以得知NOx分析仪的最大误差范围为1.0%FS，选用的量程为10ppm，则分析结果的最大变化范围为±（0.01*10）=±0.1ppm。在此范围内服从均匀分布，其包含因子为，区间半宽为0.1ppm，那么分析仪中所引入的标准不确定度为：

两个分量彼此不相关，其合成标准不确定度表示为：

则稀释排气中污染物的校正浓度Ci的相对标准不确定度为：

5.4 自变量Z的相对标准不确定度

根据说明书，绝对湿度H的最大容许偏差为±5%，上述计算的5次试验绝对湿度均值为7.926g/kg，因此绝对湿度的变化范围如下：±（7.926*0.05）=±0.396g/kg。在此范围内服从均匀分布，包含因子为，区间半宽为0.396g/kg，即由绝对湿度H引入的标准不确定度：

则自变量Z的相对标准不确定度：

5.5 汽车测试时的实际行驶距离d的相对标准不确定度

按照汽车底盘测功机的说明书，转鼓速度的最大容许偏差为±0.02km/h，其低速段测量时限为589s，而该车的实测行驶距离的变化范围如下：

±（0.02/3600*589）=±0.0033km，在此范圍内服从均匀分布，包含因子为，区间半宽为0.0033km，由此引入的标准不确定度：

u（d）===0.0019km

汽车在低速段实际行驶距离d的相对标准不确定度：

ur（d）===0.00047

5.6 列表给出不确定度汇总如下：

5.7 合成标准不确定度评定

将各个来源的不确定度值和灵敏系数代入公式计算，即可得出合成的相对标准不确定度：

=0.062

本次试验的，则常温冷起动后NOx排放量的合成标准不确定度：

4.8 扩展不确定度评定

取包含因子k=2，其扩展不确定度如下：

6 报告试验结果和扩展不确定度

该款样车5次I型试验NOx排放量MNOx的均值为0.050g/km，其扩展不确定度为：U=0.006g/km，k=2。相对扩展不确定度为：Urel=12.0%，k=2。

7 结论

经上述计算，得知常温下冷起动后NOx排放量的相对扩展不确定度为12.0%，k=2。从各不确定度分量的比分析，重复性不确定度、分析设备质量和标准物质所引入的不确定度对测量结果影响都很大，在试验过程中应保持测量过程的统一性，严格做好对分析设备的质量控制，提高仪器精度，并严格控制标准物质的质量和等级，在保持测量过程统一性和标准物质质量的条件下，对NOx排放检测结果的置信性影响是很大的。

参考文献：

[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：中国环境科学出版社，2016：46-56.

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

[3]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及实例》[S].2018：26-35.

[4]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）：47-49.