轻型汽车国六常温排放PM不确定度评价研究

张 轲

(中汽研汽车检验中心(广州)有限公司 广东 广州 510000)

前言

PM(particulate matter)，为颗粒物的英文缩写，他是汽车尾气中的主要污染源之一，可被人体吸入，在呼吸道等部位沉积，进而引发一系列疾病。随着社会的进步，国家越发重视汽车尾气所带来的环保问题，在最新发布的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)》[1](以下简称国六)中，PM仍是轻型汽车型式认证试验不可或缺的部分，并将限值由GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》[2]的4.5mg/km降至3mg/km，因此有必要对其pm测量的不确度评价进行研究，依据JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评价和表示》[3]进行PM测量的不确定度评价加强PM测量的质量管理，提升试验的可靠性。

一、试验原理

(一)测量原理

汽车排放法规中PM的测量原理为滤纸过滤称重法。

实验开始前，从经过稀释的尾气抽取一部分气体以定流量的方式通过滤纸，滤纸采集经过稀释后的颗粒物质量，试验结束后将滤纸从托架中取出，经过一定处理后在称重箱中测量称重前后的质量差mg，然后根据颗粒物采样容积和稀释排气容积的比例关系以及行驶里程等参数计算整个测试过程中的颗粒物质量浓度g/km。

(二)数学模型

公式(1)

式中：

Vmix——稀释排气的容积(校正至标准状态273.2K和101.33kPa)，m3，

Vep——标准状态下，流经滤纸的排气容积，m3,

Pe——滤纸采集的颗粒物的质量，g；

d——车辆在一次实验中的实际行驶距离，km

PM——颗粒物排放量，g/km

V——稀释排气的容积

PB——试验室内大气压力，kPa；

P1——CFV进口处相对于环境大气压的真空度，kPa；

Tp——试验期间进入CFV的稀释排气平均温度，K。

二、试验方案

(一)试验程序

(1)将高低温环境仓温度设置在23℃，并将样车在底盘测功机上对中夹紧。

(2)运行WLTC工况，不采样。

(3)在恒温区域将车辆静置6-36h。

(4)将基准滤纸放置于颗粒采样的托架内。

(5)底盘测功机根据车辆测试质量设定阻力。

(6)驾驶员按照提示驾驶车辆，再次运行wltc工况，并在运行工况的同时进行不间断连续采样。

(7)试验结束后，在排气分析后的1h内将滤纸送到称重。

(8)将称得测试前后PM 的结果输入到分析仪器中，结果自动生成。

(二)试验设备及样车

试验设备参数如下：

样车参数：

测试质量1681kg整备质量1540kg驱动模式前驱胎压220kpa排放标准国VI排量1.5L燃油供给方式缸内直喷

三、评定方法

(一)影响因素

从上文所述数学模型可知，滤膜质量差，颗粒物采样容积，稀释排气的容积、车辆试验时的实际行驶距离对轻型车PM测试存在较大影响，其中：

稀释气体容积主要有两部分构成，分别为稀释排气容积(Vmix)和颗粒物的采样容积(Vep)，两者直接参与结果的计算，其中，颗粒物采样容积是由稀释排气以定流速形式经过滤纸采集后再返回到稀释通道中：

Vmix为标准状态的下的排气容积，需要测量PB、P1及Tp三个参数用于校正。由于以上参数均在实时变化，难以人为手动测量；而本实验所用轻型车排放分析仪MEXA-ONE具备实时监测文氏管流量，自动计算Vmix和Vep的功能，会在试验结束后与排放结果一同导出。

颗粒物采样质量(Pe)为试验前后两次滤纸的质量差与浮力修正系数的乘积，其中由于天平置于由颗粒物称重箱控制的环境中，而环境条件决定了浮力修正系数的数值，因此天平的精度和称重箱的控制精度对Pe有影响。

车辆试验时的实际行驶距离由底盘测功机通过测量转鼓转速乘以采样时间得到，其误差分为司机的操作偏差和底盘测功机的系统偏差。

(二)评定方法的确定

1.稀释排气的容积(Vmix)

现在采样系统一般通过测量PB、P1及Tp三个参数，修正流量采样与时间积分得出最终结果。而采样系统的流量偏差经由设备说明书得到，采用B类不确定度进行评价(以下简称B类)；

2.颗粒物质量(Pe)

颗粒物质量受天平自身的最大允许误差，恒温箱精度的控制和重复测量等因素的影响，根据设备说明书，对天平称得的滤纸质量和恒温箱参数，采用B类；

3.流经颗粒物采样滤纸的排气体积(Vep)

与上同理，采用B类。

4.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线速度相同，从而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。根据底盘测功机的使用说明书，可确定其速度的最大误差，而测量时间由主控计算机控制，不计偏差，采用B类。

5.测量重复性引入的不确定度(PM)

由于PM的测量实验重复进行多次，采用A类不确定度进行评价(以下简称A类)。

四、不确定度评价模型

(一)不确定度评价数学模型

(1)A类：

公式(2)

式中：s(x)——试验标准偏差；

xi——第i次测量的结果；

n——测量次数；

公式(3)

u(xi)——标准不确定度。

(2)B类：

公式(4)

(3)合成标准不确定度计算公式：

公式(5)

式中：

uc(y)——合成标准不确定度；

(二)不确定度评价因果关系图

由上文确定的评价方法可得出如下不确定度因果关系图

图1 常温下PM排放量不确定度因果关系图

则PM测量结果的相对合成标准不确定度为：

公式(6)

其中：

Pe不是直接测量出，而是采用试验前后通过两次滤纸称量想减得出的，并且不允许更换天平，因此:c(Pe)=1。

(三)扩展不确定度：

U=kuc(y)

式中：U——扩展不确定度；

k取2[2]。

五、测试结果不确定度的计算

上文已描述了试验方案，测量数据如下，共进行了5次。

表3 测量数据

(一)重复测量引入的相对标准不确定度ur(PM)

将表1中PM的五次测量结果和均值带入可得

表1 试验设备主要参数

根据公式可知：

则重复测量的相对标准不确定度ur(PM)为 0.008535/0.2667=0.032

(二)天平引入的相对标准不确定度ur(Pe)

经查询相关说明书，天平准确度为0.1ug,最大量程为2.1g，则有：

(三)ur(Vmix)的相对标准不确定度ur(Vmix)

其最大允许误差为±0.3%，选用的CVS流量为11.5m3/min，WLTC工况的测试时间为1800s，则总采样容积为11500*1800/60=345000L。总采样容积的变化为±345000*0.003=±1035L。

则Vmix的相对标准不确定度：

(四)颗粒物采样流量的相对标准不确定度ur(Vep)

根据采样系统说明书，其最大允许误差为±0.5%，选用的CVS流量为42.5L/min，WLTP的测试时间为1800s，则总采样容积为42.5*1800/60=1275L。总采样容积的变化为±1275*0.005=±6.375L。

则Vep的相对标准不确定度：

(五)车辆试验时的实际行驶距离d的相对标准不确定度ur(d)

转鼓速度的偏差为±0.1% FS，实测速度范围为0-131.5km/h，WLTP工况时间为1800s，转化为d的偏差范围：±0.001*131.5/3600*1800=±0.06575km。

车辆试验时的实际行驶距离d的相对标准不确定度：

(六)合成不确定度评定

由公式(4),并将上述计算数据代入：

本次试验的PM=0.2667mg/km，则：uc(PM)=0.032*0.2667=0.00853mg/km

(七)扩展不确定度评定

U=kuc(PM)=2×0.00853=0.01706mg/km

六、结论

本文针对国六常温排放试验PM的测量的不确定度来源进行了分析，确定了不确定度来源，主要来自重复测量引入的A类不确定度，天平设备，稀释排气容积，颗粒物采样流量，车辆实际行驶距离引入的B类不确定度。因此，在进行该实验时要注意对天平，轻型车排放分析仪的系数排气体积和颗粒物采样流量的标定，试验员因注意控制试验车辆WLTC的运转精度。

此外，本文给出了国六常温排放试验PM测量不确定度的因果关系和计算模型，并通过试验测得的数据对不确定度进行了计算，得出了本实验室国六常温排放试验PM测量的扩展不确定度为0.01706mg/km，占比约为6.40%，是可以接受的。