重型车车载排放试验(PEMS)NOx排放测量不确定度研究

张岳秋， 李 梁， 刘子建， 于津涛， 张 凡(. 北京市机动车排放管理中心， 北京 0076； . 中国汽车技术研究中心， 天津 3006)

重型汽车约占我国汽车保有量的5.6%，重型车NOx的排放约占我国机动车总排放量的80%左右，是十三五的减排重点[1].对于重型车的排放，目前国内仍主要依赖发动机台架测试，由于模拟工况与真实道路行驶工况的差异，使得台架测试结果无法真实反映重型车载实际道路行驶实际排放状况[2].为了进一步控制重型汽车排气污染，改善大气环境，北京市环保局参照美国 EPA CFR 40 part 86 中 86.1370-1372和CFR part 1065 subpart J 部分、(EU)No 582/2011(修订草案)以及 HJ 439-2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车在用符合性技术要求》的部分技术内容，并根据北京市实际情况进行了修改，制定了DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测量法(车载法)》标准，并于2013年7月1日实施该标准作为实施 GB 17691-2005标准的补充，可有效监控车辆在使用中的实际NOx排放状况，弥补了部分道路行驶工况点在台架试验中不能充分体现的缺陷[3].

为了更加准确地评价重型汽车车载排放试验(PEMS)测量排放水平的准确性，依据下列法规要求进行重型汽车尾气中NOx排放检验的不确定度评定：

(1)CNAS-CL07测量不确定度的要求[4]；

(2)CNAS-GL05测量不确定度要求的实施指南[5]；

(3)JJF 1001中华人民共和国国家计量技术规范《通用计量术语及定义》[6]；

(4)JJF 1059.1中华人民共和国国家计量技术规范《测量不确定度评定与表示》[7].

1 测量原理及检验程序

1.1 测量原理

重型车载排放试验目前法规所控制为气态污染物，其中NOx的污染物浓度通过NDUV(非分散式紫外线分析仪)或CLD(化学发光检测器)进行湿基测量，这次试验设备为SENSOR公司生产的SEMTECH-DS型分析仪，NOx的测量原理为NDUV，排气流量通过皮托管的原理来测得，整车试验过程中的循环功通过OBD从发动机ECU数据中读取到的瞬时转速和瞬时净扭矩与测试时间计算得到，最终计算出NOx污染物的比排放量.

1.2 检验程序

(1)将车载排放分析系统SEMTECH-DS固定在被测样品车辆上.

(2)在车载排放分析系统中设定被测样品车辆信息及控制参数.

(3)将车载排放分析系统进行预热，标定，对车辆进行预热.

(4)试验开始，在实际道路行驶对排气流量及排气污染物进行实时测量.

(5) 试验结束，对测量数据进行分析，计算.

2 影响因素分析和评定方法确定

针对车载排放试验的排放结果不确定度分析，应该从两个方面分开讨论.一方面是测试用仪器设备的稳定性和精确度引入的不确定度，另一方面是车辆驾驶的稳定性和路况造成的排放水平波动引入的不确定度.根据计算公式和使用经验，影响车辆尾气中NOx排放检验的因素主要包括：排气的瞬时质量流量(皮托管进气压力、皮托管进气温度)、NOx的瞬时浓度测量、车辆道路试验的总循环功(发动机转速和扭矩)，以及试验测量重复性等影响造成的车辆排放的不确定度.

重型汽车车载排放检验NOx排气污染物排放量不确定度的因果关系如图1所示.

图1 整车车载法(PEMS)试验NOx排放测量不确定度的因果关系图

2.1 排气的瞬时质量流量(GEXH)(校正至标准状态293.15 K和101.3 kPa)

排气的瞬时质量流量的测量受皮托管流量、皮托管进口处的绝对压力和皮托管进口处绝对温度的影响，目前采样系统一般通过1 Hz的频率进行测量这些参数，经过公式转换将排气的瞬时流量转换为标准状态下的瞬时排气流量.根据车载排放分析系统的说明书，采用B类不确定度进行评价.

2.2 NOx的瞬时浓度(NOxconc)

车辆试验时,车载排放设备测量的NOx瞬时湿基浓度受仪器设备的稳定性和精准性及标准气不确定度的影响.根据设备说明书和标准气检验证书，对NOxconc的瞬时浓度采用B类不确定度评价.

2.3 车辆试验时的总循环功(Wact)

车辆试验时的实际循环功通过OBD测量获取发动机ECU数据中的瞬时转速和扭矩，与采样时间的乘积积分得到，其不确定度是由测量设备的系统误差(转速和扭矩测量)造成的循环功的不确定度.根据测量设备的使用说明书采用B类不确定度进行评估.

3 数学模型建立

3.1 NOx比排放量的计算方法

根据DB11/965-2013应按下列方法计算整车车载法(PEMS)试验的NOx比排放量(g/kWh).

(1)

(2)

车载排放分析系统的排气瞬时质量流量如公式(3)：

(3)

式中：GEXH为排气的瞬时质量流量，g/s；K为皮托管的标定函数；PEXH为排气绝对压力；TEXH为皮托管进气绝对温度；△h为皮托管的压差.

3.2 A类标准不确定度计算公式

(4)

(5)

3.3 B类标准不确定度计算公式

当B类评定的分量无任何信息时，仅知它在某一区间内变化时，经常使用均匀分布.

(6)

3.4 合成标准不确定度计算公式

(7)

3.5 NOx比排放量不确定度

考虑上述影响测量不确定度的所有来源(采样时间误差很小，可以忽略)，加入NOx排放和车辆试验时的总循环功测量重复性引入的不确定度，建立NOx比排放量不确定度的数学模型如下.

(8)

式中：排气中NOx污染物的瞬时校正浓度相对标准不确定度ur(NOxconc)；排气的瞬时质量流量相对标准不确定度ur(GEXH)；车辆试验时的总循环功相对标准不确定度ur(Wact).

依据JF 1059-1999中第6.6条的式(20)，对于相对不确定度，灵敏系数是幂的次数.对此例，各影响量的灵敏系数分别为：排气的瞬时质量流量的灵敏系数为c(GEXH)=0.5；排气中NOx污染物的瞬时校正浓度灵敏系数为c(NOxconc)=1；车辆试验时的总循环功的灵敏系数为c(Wact)=1.

3.6 扩展不确定度计算公式

U=kur(y)

,

(9)

式中：U为扩展不确定度；k为包含因子，这里k取2.

4 测量结果不确定度评估

根据DB11/965-2013的方法采用同一司机对一辆N2类样品车辆进行满载配重在同一条路线进行了5次试验，尽量保证每次试验市区、市郊和高速的比例偏差在允许范围之内，并对NOx不确定度进行评估，与NOx车载排放试验结果的不确定度有关的物理量测试结果如表1所示.

表1 整车车载法(PEMS)5次试验数据

4.1 排气的瞬时质量流量(GEXH)的相对标准不确定度ur(GEXH)

公式(3)也符合JF 1059-1999中第6.6条的函数关系，GEXH的相对标准不确定度ur(GEXH)可以计算如下.

(10)

4.1.1 皮托管的标定函数K引起的B类的不确定度ur(K)

根据试验车辆发动机排量和经验,选取了管径为3英寸的流量计，流量范围为0～17 m3/min，查询流量计设备检验证书可以得知其允许误差为2.5%R.S.，区间内服从均匀分布，因此，K引起的B类的不确定度

4.1.2 排气的绝对压力PEXH引起的B类的不确定度ur(PEXH)

根据设备说明书得知排气压力传感器的最大允许误差为±1%，测量范围为70～115 kPa，服从均匀分布，因此,PEXH引起的B类的不确定度

4.1.3 皮托管的进气绝对温度TEXH引起的B类的不确定度ur(TEXH)

依据设备说明书，该温度传感器为K型传感器，其最大允许误差为±1%R.S.，测量范围为0～700 ℃，服从均匀分布，因此,TEXH引起的B类的不确定度

因此，GEXH的合成的相对标准不确定度ur(GEXH)为

4.2 NOx的瞬时浓度(NOxconc) 的相对标准不确定度ur(NOxconc)

由分析仪说明书得知NO和NO2分析仪的最大允许误差为±3%R.S，区间内服从均匀分布，因此由分析仪引入的B类不确定度ur(d1)、ur(d2)：

因此，NOxconc的合成相对标准不确定度ur(NOxconc)为

4.3 车辆试验时的总循环功(Wact)的相对标准不确定度ur(Wact)

车辆进行整车车载(PEMS)试验时的总循环功计算如式(2)，其B类的不确定度

(11)

依据标准规定和经验,转速测量装置的最大允许误差为1%,服从正态分布.因此，转速的相对标准不确定度

依据标准规定和经验,扭矩测量的最大允许误差为7%,服从正态分布.因此，扭矩的相对标准不确定度

因此，ur(Wact)的合成标准不确定度为

4.4 标准不确定度汇总

整车车载法(PEMS)试验NOx排放测量的不确定度汇总如表2所示.

表2 整车车载法(PEMS)试验NOx排放测量的不确定度汇总

5 合成标准不确定度和扩展不确定度评定

由式(8)，得到NOx的比排放量的合成相对标准不确定度为

直接取包含因子k=2,则NOx的比排放量的扩展不确定度为

6 结 论

针对重型车依据DB11/965-2013标准在车载排放试验(PEMS)中的NOx污染物排放.根据测量原理、测量方法和试验程序对NOx建立了数学计算模型，并通过理论方法对模型中各种参数进行了相对不确定度分析，最终得出了NOx排放不确定度评定结果，结果为5.02%.从不确定度的评定过程中可以看出，排气的瞬时质量流量测量、发动机转速和扭矩测量、污染物瞬时浓度测量、试验路况、车辆状况等因素对重型车NOx污染物排放有较大影响，因此,在试验时应尽量保证车辆状况稳定，在日常保养中,应加强对排放分析系统的标定和维护，对流量计进行维护工作等.

参考文献：

[1] 机动车污染防治年报，2015.

[2] Cocker D R,Shan S D,Johnson K ,et al.Develop and application of a mobile laboratory f or measuring emissions from diesel engines.1.regulat ed gaseous emissions[J].Environmental Science & Technology ,2004, 38(7):2182-2189 .

[3] 北京市环保局.DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测量法(车载法)》.

[4] 中国合格评定国家认可委员会.CNAS-CL07:2011测量不确定度的要求[S].北京：中国计量出版社，2011.

[5] 中国合格评定国家认可委员会. CNAS-GL05:2011测量不确定度要求的实施指南[S].北京：中国计量出版社，2011.

[6] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1001-2011通用计量术语及定义.[S].北京：中国计量出版社，2011.

[7] 全国法制计量管理计量技术委员会. JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示.[S].北京：中国计量出版社，2012.