一种汽油机有效功率测量不确定度的评定方法

李振　刘金龙

摘 要：测量不确定度对发动机性能评定有着重要影响。根据性能试验方法的要求，确定影响不确定度的分量并建立数学模型。在发动机试验台架上按照确定好的方法进行测量。对试验数据分析处理后得到各分量的标准不确定度，再算出合成不确定度和扩展不确定度。为后续汽油发动机台架测量的有效功率不确定评定提供参考。

关键词：测量不确定度 有效功率 评定

1 引言

测量不确定度是表征赋予被测量值分散性的非负参数。20世纪60年代学术界提出用不确定度取代“误差”表示测量准确度的建议，70年代逐渐得到应用。测量不确定度在检测、校准、检定以及生产质量控制过程中都有广泛的应用。中国合格评定国家认可委员会（CNAS）体系文件中明确要求开展检测的实验室应评定测量不确定度。由此可见通过CNAS认可的试验室，测量不确定度的评定是必须完成的一项工作。同时也是试验室质量控制工作中关键一项。

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。在A类评定中的测量值一般认为服从正态分布并可用标准偏差表征。而另一些分量用非统计的方法评定，这类方法称为B类评定。在B类评定中不能确定的分布类型一般按照均匀分布对待，一般从测量仪器的最大允差和最大估计误差两方面来进行评定。测量结果可以理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性。当测量结果的标准不确定度由若干标准不确定度分量构成时，按方和根进行（加权）合成得到的标准不确定度。

2 测试条件及设备信息

2.1 环境条件

标准环境状况：干空气压力为99kPa，进气温度为25℃。若现场环境状况偏离标准环境状况，按GB/T 18927-2001第5.3条的规定的公式对功率进行修正。

（为干空气压力，T为温度）

2.2 测试仪器

发动机台架使用的测试设备见表1

2.3 测试对象及项目

测试样机编号为8LA0920675，测试项目为汽油发动机有效功率。

3 数学模型和评定方法的选择

3.1 数学模型

由四冲程发动机功率的计算公式可得到如下模型

—汽油发动机的有效功率（kW）;—汽油发动机的有效扭矩（N·m）;n —汽油发动机的转速（r/min）

3.2 不确定度评定方法的选择

由功率测量的试验方法和设备信息可以得出发动机功率的不确定度来源主要有：

①相同试验条件下，有限次重复测量引起的不确定度。

②测量仪器引起的不确定度，主要是测试台架的转速传感器和扭矩传感器。

③标定杠杆和标定砝码以及转速校准仪表等标准器具引起的不确定度。

④测量人员的习惯不同引起的不确定度。

⑤被测对象的取样代表性不够引起的不确定度。

由于在相同试验条件下由同一人员对同一发动机进行功率测试，④⑤项不确定度分量可不做考虑。而标准器具一直由第三方计量机构定期校准，此项的不确定分量影响很小。因此将从①②项来源来进行不确定度的评定。有限次重复测量引起的不确定度按A类评定，仪器设备引起的不确定度按B类评定。

4 求汽油发动机有效扭矩的标准不确定度分量u（Me0）

4.1 扭矩重复性测量引起的不确定度分量u1（Me0）（A类评定）

4.1.1 对汽油发动机扭矩及转速进行m （取m=10）次独立测量（即每次重新安装发动机，对仪表重新调零，对汽油发动机油门重新锁定在最大供油位置），扭矩测量结果见表2，转速测量结果见表3。

4.1.2 汽油发动机扭矩测量值的平均值

4.1.3 不确定度分量u1（Meo）的计算

4.2 扭矩测量传感器引起的不确定度分量u2（Meo）（B类评定）

根据出厂技术参数得知，该测功机扭矩值最大允许误差为±0.05%FS，测量范围为（-1000～1000）N·m，则0.50N·m，按矩形分布选取包含因子为，α—为变化区间的半宽。

=0.29 N·m

4.3 标准不确定度

=0.31N·m

5 求汽油发动机转速的标准不确定度分量u（n）

5.1 转速重复性测量引起的不确定度分量u1（n）（A类评定）

5.1.1 對汽油发动机转速进行测量，数据见表3。

5.1.2 汽油发动机转速测量值的平均值

5.1.3 不确定度分量u1（n）的计算

5.2 转速测量传感器引起的不确定度分量u2（n）（B类评定）

根据出厂技术参数得知，该测功机转速最大允许误差为±0.05%FS，测量范围为（0～10000）r/min，则5.00r/min，按矩形分布选取包含因子为，α—为变化区间的半宽。

5.3 标准不确定度u（N）

=2.89r/min

6 有效功率的测量结果

=68.23kW

7 有效功率测量值的合成标准不确定度uc（pe0）

由数学模型知，灵敏系数

0.6074 r/min;

0.0118 N·m

则合成不确定度为

=0.19kW

8 有效功率测量结果的扩展不确定度

取，=0.38kW

9 结论

按不确定度A类评定和B类评定方法并分析影响不确定分量的因素，确定了以有限次重复测量引起的不确定度和测量仪器引起的不确定度为分量来进行发动机有效功率的不确定评定。经过分析发动机台架测量数据和测试设备的参数信息，算出各分量的标准不确定度和有效功率的合成不确定度。该汽油发动机在额定转速时，有效功率的测量结果为：Pe0=68.23kW，U=0.38kW，k=2。

参考文献：

[1]JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示 [S].

[2]CNAS-CL01-G003测量不确定度的要求 [S].

[3]GB/T 18297—2001 汽车发动机性能试验方法[S].