張 軻

(中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司 廣東 廣州 510000)

前言

PM(particulate matter)，為顆粒物的英文縮寫，他是汽車尾氣中的主要污染源之一，可被人體吸入，在呼吸道等部位沉積，進而引發(fā)一系列疾病。隨著社會的進步，國家越發(fā)重視汽車尾氣所帶來的環(huán)保問題，在最新發(fā)布的GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[1](以下簡稱國六)中，PM仍是輕型汽車型式認證試驗不可或缺的部分，并將限值由GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》[2]的4.5mg/km降至3mg/km，因此有必要對其pm測量的不確度評價進行研究，依據(jù)JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評價和表示》[3]進行PM測量的不確定度評價加強PM測量的質(zhì)量管理，提升試驗的可靠性。

一、試驗原理

(一)測量原理

汽車排放法規(guī)中PM的測量原理為濾紙過濾稱重法。

實驗開始前，從經(jīng)過稀釋的尾氣抽取一部分氣體以定流量的方式通過濾紙，濾紙采集經(jīng)過稀釋后的顆粒物質(zhì)量，試驗結(jié)束后將濾紙從托架中取出，經(jīng)過一定處理后在稱重箱中測量稱重前后的質(zhì)量差mg，然后根據(jù)顆粒物采樣容積和稀釋排氣容積的比例關(guān)系以及行駛里程等參數(shù)計算整個測試過程中的顆粒物質(zhì)量濃度g/km。

(二)數(shù)學(xué)模型

公式(1)

式中：

Vmix——稀釋排氣的容積(校正至標準狀態(tài)273.2K和101.33kPa)，m3，

Vep——標準狀態(tài)下，流經(jīng)濾紙的排氣容積，m3,

Pe——濾紙采集的顆粒物的質(zhì)量，g；

d——車輛在一次實驗中的實際行駛距離，km

PM——顆粒物排放量，g/km

V——稀釋排氣的容積

PB——試驗室內(nèi)大氣壓力，kPa；

P1——CFV進口處相對于環(huán)境大氣壓的真空度，kPa；

Tp——試驗期間進入CFV的稀釋排氣平均溫度，K。

二、試驗方案

(一)試驗程序

(1)將高低溫環(huán)境倉溫度設(shè)置在23℃，并將樣車在底盤測功機上對中夾緊。

(2)運行WLTC工況，不采樣。

(3)在恒溫區(qū)域?qū)④囕v靜置6-36h。

(4)將基準濾紙放置于顆粒采樣的托架內(nèi)。

(5)底盤測功機根據(jù)車輛測試質(zhì)量設(shè)定阻力。

(6)駕駛員按照提示駕駛車輛，再次運行wltc工況，并在運行工況的同時進行不間斷連續(xù)采樣。

(7)試驗結(jié)束后，在排氣分析后的1h內(nèi)將濾紙送到稱重。

(8)將稱得測試前后PM 的結(jié)果輸入到分析儀器中，結(jié)果自動生成。

(二)試驗設(shè)備及樣車

試驗設(shè)備參數(shù)如下：

樣車參數(shù)：

測試質(zhì)量1681kg整備質(zhì)量1540kg驅(qū)動模式前驅(qū)胎壓220kpa排放標準國VI排量1.5L燃油供給方式缸內(nèi)直噴

三、評定方法

(一)影響因素

從上文所述數(shù)學(xué)模型可知，濾膜質(zhì)量差，顆粒物采樣容積，稀釋排氣的容積、車輛試驗時的實際行駛距離對輕型車PM測試存在較大影響，其中：

稀釋氣體容積主要有兩部分構(gòu)成，分別為稀釋排氣容積(Vmix)和顆粒物的采樣容積(Vep)，兩者直接參與結(jié)果的計算，其中，顆粒物采樣容積是由稀釋排氣以定流速形式經(jīng)過濾紙采集后再返回到稀釋通道中：

Vmix為標準狀態(tài)的下的排氣容積，需要測量PB、P1及Tp三個參數(shù)用于校正。由于以上參數(shù)均在實時變化，難以人為手動測量；而本實驗所用輕型車排放分析儀MEXA-ONE具備實時監(jiān)測文氏管流量，自動計算Vmix和Vep的功能，會在試驗結(jié)束后與排放結(jié)果一同導(dǎo)出。

顆粒物采樣質(zhì)量(Pe)為試驗前后兩次濾紙的質(zhì)量差與浮力修正系數(shù)的乘積，其中由于天平置于由顆粒物稱重箱控制的環(huán)境中，而環(huán)境條件決定了浮力修正系數(shù)的數(shù)值，因此天平的精度和稱重箱的控制精度對Pe有影響。

車輛試驗時的實際行駛距離由底盤測功機通過測量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速乘以采樣時間得到，其誤差分為司機的操作偏差和底盤測功機的系統(tǒng)偏差。

(二)評定方法的確定

1.稀釋排氣的容積(Vmix)

現(xiàn)在采樣系統(tǒng)一般通過測量PB、P1及Tp三個參數(shù)，修正流量采樣與時間積分得出最終結(jié)果。而采樣系統(tǒng)的流量偏差經(jīng)由設(shè)備說明書得到，采用B類不確定度進行評價(以下簡稱B類)；

2.顆粒物質(zhì)量(Pe)

顆粒物質(zhì)量受天平自身的最大允許誤差，恒溫箱精度的控制和重復(fù)測量等因素的影響，根據(jù)設(shè)備說明書，對天平稱得的濾紙質(zhì)量和恒溫箱參數(shù)，采用B類；

3.流經(jīng)顆粒物采樣濾紙的排氣體積(Vep)

與上同理，采用B類。

4.車輛試驗時的實際行駛距離(d)

由于車輛的車輪與底盤測功機的轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)線速度相同，從而通過底盤測功機的速度乘以測試時間就可以得到車輛的實際行駛距離。根據(jù)底盤測功機的使用說明書，可確定其速度的最大誤差，而測量時間由主控計算機控制，不計偏差，采用B類。

5.測量重復(fù)性引入的不確定度(PM)

由于PM的測量實驗重復(fù)進行多次，采用A類不確定度進行評價(以下簡稱A類)。

四、不確定度評價模型

(一)不確定度評價數(shù)學(xué)模型

(1)A類：

公式(2)

式中：s(x)——試驗標準偏差；

xi——第i次測量的結(jié)果；

n——測量次數(shù)；

公式(3)

u(xi)——標準不確定度。

(2)B類：

公式(4)

(3)合成標準不確定度計算公式：

公式(5)

式中：

uc(y)——合成標準不確定度；

(二)不確定度評價因果關(guān)系圖

由上文確定的評價方法可得出如下不確定度因果關(guān)系圖

圖1 常溫下PM排放量不確定度因果關(guān)系圖

則PM測量結(jié)果的相對合成標準不確定度為：

公式(6)

其中：

Pe不是直接測量出，而是采用試驗前后通過兩次濾紙稱量想減得出的，并且不允許更換天平，因此:c(Pe)=1。

(三)擴展不確定度：

U=kuc(y)

式中：U——擴展不確定度；

k取2[2]。

五、測試結(jié)果不確定度的計算

上文已描述了試驗方案，測量數(shù)據(jù)如下，共進行了5次。

表3 測量數(shù)據(jù)

(一)重復(fù)測量引入的相對標準不確定度ur(PM)

將表1中PM的五次測量結(jié)果和均值帶入可得

表1 試驗設(shè)備主要參數(shù)

根據(jù)公式可知：

則重復(fù)測量的相對標準不確定度ur(PM)為 0.008535/0.2667=0.032

(二)天平引入的相對標準不確定度ur(Pe)

經(jīng)查詢相關(guān)說明書，天平準確度為0.1ug,最大量程為2.1g，則有：

(三)ur(Vmix)的相對標準不確定度ur(Vmix)

其最大允許誤差為±0.3%，選用的CVS流量為11.5m3/min，WLTC工況的測試時間為1800s，則總采樣容積為11500*1800/60=345000L?？偛蓸尤莘e的變化為±345000*0.003=±1035L。

則Vmix的相對標準不確定度：

(四)顆粒物采樣流量的相對標準不確定度ur(Vep)

根據(jù)采樣系統(tǒng)說明書，其最大允許誤差為±0.5%，選用的CVS流量為42.5L/min，WLTP的測試時間為1800s，則總采樣容積為42.5*1800/60=1275L?？偛蓸尤莘e的變化為±1275*0.005=±6.375L。

則Vep的相對標準不確定度：

(五)車輛試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度ur(d)

轉(zhuǎn)鼓速度的偏差為±0.1% FS，實測速度范圍為0-131.5km/h，WLTP工況時間為1800s，轉(zhuǎn)化為d的偏差范圍：±0.001*131.5/3600*1800=±0.06575km。

車輛試驗時的實際行駛距離d的相對標準不確定度：

(六)合成不確定度評定

由公式(4),并將上述計算數(shù)據(jù)代入：

本次試驗的PM=0.2667mg/km，則：uc(PM)=0.032*0.2667=0.00853mg/km

(七)擴展不確定度評定

U=kuc(PM)=2×0.00853=0.01706mg/km

六、結(jié)論

本文針對國六常溫排放試驗PM的測量的不確定度來源進行了分析，確定了不確定度來源，主要來自重復(fù)測量引入的A類不確定度，天平設(shè)備，稀釋排氣容積，顆粒物采樣流量，車輛實際行駛距離引入的B類不確定度。因此，在進行該實驗時要注意對天平，輕型車排放分析儀的系數(shù)排氣體積和顆粒物采樣流量的標定，試驗員因注意控制試驗車輛WLTC的運轉(zhuǎn)精度。

此外，本文給出了國六常溫排放試驗PM測量不確定度的因果關(guān)系和計算模型，并通過試驗測得的數(shù)據(jù)對不確定度進行了計算，得出了本實驗室國六常溫排放試驗PM測量的擴展不確定度為0.01706mg/km，占比約為6.40%，是可以接受的。