焦文健 葉平雄 楊文鑫 徐達(dá)

摘要：依據(jù)GB15097-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》進(jìn)行船舶柴油機(jī)臺(tái)架測(cè)功機(jī)排放試驗(yàn)測(cè)量NOx排放量，按照不確定度評(píng)估方法，從試驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、試驗(yàn)測(cè)量方法和原理等角度，建立了船舶柴油機(jī)排放試驗(yàn)NOx不確定度計(jì)算公式，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，得到其擴(kuò)展不確定度。

Abstract： According to GB15097-2016 emission limits and measurement methods of marine engine exhaust pollutants （the first and second stage in China）， the emission test of marine diesel engine bench dynamometer is carried out to measure the NOx emission. According to the uncertainty evaluation method， the calculation formula of the uncertainty of NOx emission test of marine diesel engine is established from the perspective of test environment， instruments and equipment， test measurement method and principle. And the expanded uncertainty is obtained by evaluation and calculation.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);船舶;不確定度

Key words： diesel engine;ship;uncertainty

0? 引言

環(huán)保問(wèn)題一直是近年來(lái)國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，機(jī)動(dòng)車是關(guān)注的重點(diǎn)，近年來(lái)，船舶污染物的排放問(wèn)題也受到了關(guān)注。依據(jù)GB15097-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》，基于臺(tái)架測(cè)功機(jī)使用部分流直采系統(tǒng)測(cè)量船舶柴油機(jī)是比較接近實(shí)際排放的測(cè)量方法。為了更加準(zhǔn)確的判斷此結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行不確定度的評(píng)估。

1? 評(píng)定依據(jù)

測(cè)量的目的是為了確定被測(cè)量的量值。測(cè)量結(jié)果的品質(zhì)是量度測(cè)量結(jié)果可信程度的最重要的依據(jù)。測(cè)量不確定度就是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，測(cè)量結(jié)果的可用性很大程度上取決于其不確定度的大小。所以，測(cè)量結(jié)果表述必須同時(shí)包含賦予被測(cè)量的值及與該值相關(guān)的測(cè)量不確定度，才是完整并有意義的。本研究依據(jù)JJF 1059.1—2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示、JJF 1001中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》、CNAS-CL01-G003：2018《測(cè)量不確定度的要求》、CNAS-GL05：2011《測(cè)量不確定度要求的實(shí)施指南》中不確定度的A、B類評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)船舶柴油機(jī)NOx排放測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)估。

2? 試驗(yàn)方法及不確定度分析來(lái)源

試驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)某廠家船舶主機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)備選取重型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)以及直采氣體排放分析系統(tǒng)。船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架安裝完畢，水、電、油及其他安全點(diǎn)檢項(xiàng)目檢查完畢，具備啟動(dòng)條件后，啟動(dòng)試驗(yàn)控制臺(tái)及控制系統(tǒng);啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至怠速工況。再次檢查各壓力溫度傳感器監(jiān)測(cè)正常，各水管、油管無(wú)泄漏后，緩慢控制油門及扭矩至暖機(jī)工況，暖機(jī)至發(fā)動(dòng)機(jī)出水水溫70℃以上，機(jī)油溫度80℃以上，并經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家工程師確認(rèn)各參數(shù)達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)后暖機(jī)完成，準(zhǔn)備進(jìn)入下一步試驗(yàn)。隨后進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)備，分別進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)熱、泄漏檢查、系統(tǒng)標(biāo)定等工作。準(zhǔn)備完成后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中D2循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，其循環(huán)工況如表1。

測(cè)量應(yīng)在柴油機(jī)每一工況穩(wěn)定后進(jìn)行，每一測(cè)量點(diǎn)的轉(zhuǎn)速調(diào)整偏差應(yīng)不大于額定轉(zhuǎn)速的±1%或±3rpm（取大者）（但低怠速除外，低怠速應(yīng)在制造廠聲明的偏差之內(nèi)），負(fù)荷調(diào)整偏差（測(cè)量過(guò)程平均扭矩與該工況規(guī)定扭矩的偏差）應(yīng)不大于額定轉(zhuǎn)速下額定扭矩的±2%;每一測(cè)量點(diǎn)至少穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5min后，從柴油機(jī)排氣中連續(xù)取樣測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出記錄在記錄紙上，或貯存在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中;分析廢氣時(shí)記錄時(shí)間應(yīng)不小于10min，且對(duì)每個(gè)零位和滿量程響應(yīng)檢查時(shí)間應(yīng)不小于3min。對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)使用每分鐘至少三次的取樣頻率。

影響船舶柴油機(jī)的NOx排放的影響因素較多，根據(jù)法規(guī)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾個(gè)方面：試驗(yàn)室環(huán)境包括干球溫度和大氣壓力，標(biāo)準(zhǔn)狀況下稀釋氣體容積，NOx濕度修正系數(shù)，污染物的校正濃度，試驗(yàn)循環(huán)的循環(huán)功，排放分析儀所用標(biāo)準(zhǔn)氣體，NO二分析儀的測(cè)量精度，試驗(yàn)人員操作導(dǎo)致的誤差。此外船舶柴油機(jī)的NOx需要考慮環(huán)境溫度和濕度，故需要將NOx濃度測(cè)量時(shí)的不同環(huán)境條件修正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)濕度），計(jì)算過(guò)程中需要進(jìn)行溫度和濕度校正，所以相對(duì)于其它氣體排放物NOx排放計(jì)算較為復(fù)雜，需要多種測(cè)量?jī)x器對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量才能得到最終結(jié)果。由于測(cè)量結(jié)果的精度不同對(duì)最終結(jié)果有很大影響，通過(guò)分析各個(gè)測(cè)量分量對(duì)最終結(jié)果的測(cè)量不確定度的靈敏度系數(shù)，得出各個(gè)測(cè)試設(shè)備精度的要求，達(dá)到提高精度，并最終計(jì)算船舶柴油機(jī)的NOx排放測(cè)試的不確定度。

用對(duì)觀測(cè)列的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行評(píng)定得出的標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用不同于對(duì)觀測(cè)列的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。將不確定度分為“A”類與“B”類，僅為討論方便，并不意味著兩類評(píng)定之間存在本質(zhì)上的區(qū)別，A類不確定度是由一組觀測(cè)得到的頻率分布導(dǎo)出的概率密度函數(shù)得出：B類不確定度則是基于對(duì)一個(gè)事件發(fā)生的信任程度。它們都基于概率分布，并都用方差或標(biāo)準(zhǔn)差表征。兩類不確定度不存在那一類較為可靠的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，A類比B類較為客觀，并具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的嚴(yán)格性。測(cè)量的獨(dú)立性、是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)和測(cè)量次數(shù)決定A類不確定度的可靠性。測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，采用A類方法評(píng)定;下文用uA表示A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，urA表示A類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度;各測(cè)量?jī)x器引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可根據(jù)最大允許誤差，采用B類方法評(píng)定;下文用uB表示B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，urB表示B類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度。

3? 不確定度評(píng)估計(jì)算

依據(jù)GB15097-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》，NOx比排放計(jì)算方式由如下公式計(jì)算得出。（其中飽和蒸氣壓的Pa計(jì)算采用Antoine方程估算）：

其中：為NOx比排放，g/（kW·h）;Gasmass為濕基排氣質(zhì)量流量;μ為質(zhì)量流量計(jì)算用濕基系數(shù)，查表取0.001587;conc為NOx濃度;GEXHW為濕基排氣質(zhì)量流量;GAIRW為濕基排氣質(zhì)量;GFUEL為燃油質(zhì)量流量;KH為溫濕度校正系數(shù);Ha進(jìn)氣絕對(duì)溫度;Ta為進(jìn)氣絕對(duì)溫度;Ra為進(jìn)氣相對(duì)濕度;pa為進(jìn)氣飽和蒸氣壓;pB為總大氣壓力;A、B為常數(shù)。

綜合以上公式，得到NOx比排放的數(shù)學(xué)模型：

為進(jìn)行A類不確定度的評(píng)定，在按照D2循環(huán)工況下連續(xù)進(jìn)行了10次測(cè)量，計(jì)算得到氮氧化物比排放計(jì)算結(jié)果平均值為0.3210g/（kW·h）。A類不確定度可以由下式綜合計(jì)算：

其中：n為測(cè)量次數(shù);uA為eNOx的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度; S（xi）為eNOx的標(biāo)準(zhǔn)差，g/（kW·h）;x為eNOx的均值，g/（kW·h）。計(jì)算得到：

=0.012551g/（kW·h）? ? =0.039101g/（kW·h）

物理量之間互不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳導(dǎo)公式，可以得到NOx比排放的B類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度uB。

其中：uB指代各物理量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度;U（xi）指代各物理量的擴(kuò)展不確定度;k指代各物理量的包含因子;UB（y）指數(shù)學(xué)模型y的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

綜合各式可以得到NOx比排放量的B類不確定度的計(jì)算公式如式（1）。

根據(jù)各物理量的測(cè)量值及允差、量程、校準(zhǔn)證書等信息，分別得到以下各物理量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

進(jìn)氣濕空氣流量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

=6.486530kg/h

濕基NOx體積濃度的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源有兩項(xiàng)，分別由分析儀引起和標(biāo)氣引起。NOx體積濃度的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以合成為：

=0.571876×

10-6。

燃料流量的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

kg/h

轉(zhuǎn)速的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uBn=1.154701r·min-1

轉(zhuǎn)矩的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

uBT=220×0.4%/=1.270171N·m

進(jìn)氣壓力的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定：

u=106.6×0.1%/=0.061546kPa

進(jìn)氣濕度的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u=3/=1.732051%R.H.

進(jìn)氣溫度的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u=0.5/=0.288675℃

綜合所有結(jié)果計(jì)算得到總B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

由A類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度，由下式得到合成相對(duì)不確定度為：

計(jì)算得到NOx的合成不確定度大小為0.040013g/（kW·h）。取包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度提供P≈95%的包含概率。則氮氧化物濃度測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度由下式給出：

最終得到NOx的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度大小為0.080027g/（kW·h）。本文最終計(jì)算得到NOx的結(jié)果為：=（0.3210±0.0800）g/（kW·h）（k=2，P=95%）

4? 結(jié)論分析

依據(jù)不確定度評(píng)定方法，根據(jù)船舶柴油機(jī)的測(cè)量方法，從影響試驗(yàn)的因素對(duì)NOx的不確定度進(jìn)行分析，評(píng)估各因素對(duì)測(cè)量NOx影響。通過(guò)本次NOx不確定度的評(píng)定，得到其擴(kuò)展不確定度，保證了排放試驗(yàn)NOx重要操作測(cè)量的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB15097-2016，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2018.

[2]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1059.1-2012，測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2013.

[3]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì) CNAS-CL01-G003：2018，測(cè)量不確定度的要求[S].

[4]中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì) CNAS-GL05：2011，測(cè)量不確定度要求的實(shí)施指南[S].

[5]中國(guó)船級(jí)社 GD08-2015，船用產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)構(gòu)認(rèn)可指南.