車用發(fā)動機WHTC試驗NOx排放測量結(jié)果的不確定度評定

張　凡　李　昂　于津濤（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

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車用發(fā)動機WHTC試驗NOx排放測量結(jié)果的不確定度評定

張凡李昂于津濤
（中國汽車技術(shù)研究中心天津300162）

試驗針對車用發(fā)動機在WHTC循環(huán)試驗中的NOx污染物排放，根據(jù)試驗程序和測量方法建立了NOx排放的數(shù)學計算模型，并通過理論方法對模型中測量重復性、稀釋排氣流量、排氣污染物濃度、NOx濕度校正系數(shù)和實際循環(huán)功等各種參數(shù)的相對標準不確定度進行了分析，最終得到了NOx排放的不確定度評定結(jié)果。結(jié)果表明，WHTC試驗NOx比排放量的合成相對標準不確定度為5%，滿足標準法規(guī)對NOx測量的精度要求。從不確定度的評定過程可以看出，在試驗時要保證發(fā)動機和后處理系統(tǒng)狀況良好，工作穩(wěn)定，并在日常保養(yǎng)時加強定容稀釋系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)和發(fā)動機測功機系統(tǒng)的標定和維護工作。

車用發(fā)動機WHTC試驗NOx排放不確定度評定

引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，重型柴油車的保有量也迅速增加，這些汽車帶來的NOx、THC、CH4和顆粒物污染物排放對環(huán)境和人體帶來的危害日益嚴重。中國于2005年頒布的GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》［1］引入了ETC（European Transient Cycle）瞬態(tài)循環(huán)來評價重型車用柴油機的循環(huán)工況排放，并分別規(guī)定了國Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ階段的限值要求。隨著對重型汽車道路工況條件和發(fā)動機運行規(guī)律的進一步研究，歐盟在2011年頒布了（EU）No 582/2011歐Ⅵ法規(guī)［2］，引入新的瞬態(tài)工況WHTC（World Harmonized Transient Driving Cycle）循環(huán)對重型柴油機的排放進行了更為嚴格的管理。北京從2013年7月1日起正式實行《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）》北京市地方標準（DB11 964-2013），加入了WHTC和WHSC試驗測試循環(huán)，解決臺架認證的試驗工況與車輛實際使用工況之間存在明顯差異的問題［3］。環(huán)保部在2014年頒布的HJ 689-2014《城市車輛用柴油發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）》標準中也引入了WHTC循環(huán)測試，對重型柴油機在低負荷工況條件下的排放限值進行了規(guī)定［4］。

為了更加準確地評價車用發(fā)動機在WHTC循環(huán)下的污染物排放水平，依據(jù)下列法規(guī)要求進行重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗排氣污染物的不確定度評定：

1）CNAS-CL07測量不確定度的要求［5］

2）CNAS-GL05測量不確定度要求的實施指南［6］

3）JJF 1001中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范《通用計量術(shù)語及定義》［7］

4）JJF 1059.1中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范《測量不確定度評定與表示》［8］

1　影響因素分析及評估方法的確定

WHTC的檢驗程序為：

1）將被測發(fā)動機固定于底座上，并用聯(lián)軸器與測功機連接。

2）調(diào)整發(fā)動機的邊界條件，進行發(fā)動機的動態(tài)外特性試驗，并設(shè)定好測功機控制程序的參數(shù)。

3）被測發(fā)動機根據(jù)測功機控制程序的設(shè)定，完成冷態(tài)WHTC和熱態(tài)WHTC的運轉(zhuǎn)循環(huán)。

4）采樣系統(tǒng)進行氣袋采樣。

5）采樣完成后對需要的污染物進行分析。

6）結(jié)果自動生成。

1.1影響因素分析

根據(jù)計算公式和使用經(jīng)驗，影響重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗排氣污染物的因素主要包括：稀釋排氣總質(zhì)量、NOx濕度校正系數(shù)、稀釋排氣中污染物的校正濃度、發(fā)動機進氣壓力、發(fā)動機進氣溫度、發(fā)動機進氣濕度、排放分析系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、標定用標準氣體、發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功和試驗用燃料特性。

稀釋排氣總質(zhì)量（MTOTW）直接參與結(jié)果的計算，由選擇的文丘里管流量與測試時間的乘積積分得到，同時需要校正到標準狀態(tài)273 K和101.3 kPa下。此校正需要CFV標定函數(shù)、文丘里管進口處絕對壓力和文丘里管進口處絕對溫度3個參數(shù)。由于實際文丘里管流量是實時變化的，同時文丘里管進口處絕對壓力和文丘里管進口處絕對溫度也是實時變化的，所以人工分別測量各個參數(shù)再進行計算非常復雜，不可行。采樣系統(tǒng)一般已經(jīng)整合，通過測量這些參數(shù)，積分計算出結(jié)果，直接給出每次測量的MTOTW。

由于NOx易溶于水，所以對于NOx污染物來說，還需要進行濕度校正。此時需要發(fā)動機進氣壓力、發(fā)動機進氣溫度和發(fā)動機進氣濕度3個參數(shù)。這3個參數(shù)通過經(jīng)驗公式計算出絕對濕度，進而計算出濕度校正系數(shù)。實際的發(fā)動機進氣空調(diào)通過計算可以直接給出絕對濕度。

稀釋排氣中污染物的校正濃度直接參與結(jié)果的計算，由某種稀釋排氣的濃度，某種稀釋空氣（背景氣）的濃度和稀釋系數(shù)計算得出。而稀釋系數(shù)又是通過取樣袋中稀釋排氣的CO2濃度，HC濃度和CO濃度計算得出。因此，關(guān)鍵因素就歸結(jié)為稀釋排氣和稀釋空氣中的污染物濃度的測量。

發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功由測功機通過測量發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速和扭矩，與采樣時間的乘積積分得到，其誤差由兩部分構(gòu)成，一部分是發(fā)動機的跟隨特性（動態(tài)響應特性）造成的循環(huán)功變化（隨機誤差），另一方面是測功機的測量系統(tǒng)誤差（循環(huán)時間、轉(zhuǎn)速和扭矩測量）造成的循環(huán)功變化（系統(tǒng)誤差）。

根據(jù)GL05的要求，下列因素對測試結(jié)果有影響，但是無法用確切的數(shù)學公式進行表達，所以計入測試結(jié)果的重復性引入的不確定度。

發(fā)動機進氣壓力影響進氣量，從而影響發(fā)動機燃燒情況，最終影響整車排放。

發(fā)動機進氣溫度影響進氣量、發(fā)動機和后處理達到正常工作溫度的時間，最終影響發(fā)動機排放。

采樣系統(tǒng)的精度影響MTOTW的測量準確性。

試驗用燃料特性中影響發(fā)動機排放的主要是辛烷值（十六烷值）、蒸汽壓、組分（苯、烯烴和芳烴含量）和硫含量。辛烷值（十六烷值）直接影響燃料和空氣的混合以及燃燒質(zhì)量。蒸汽壓影響燃料的揮發(fā)性，從而影響冷啟動特性和發(fā)動機燃燒特性。組分影響發(fā)動機的燃燒特性。硫含量影響后處理系統(tǒng)的工作效率。

1.2評估方法的確定

1.2.1稀釋排氣總質(zhì)量（MTOTW）（校正至標準狀態(tài)273.2 K和101.33 kPa）

稀釋排氣總質(zhì)量（MTOTW）的測量受文丘里管流量、文丘里管進口處絕對壓力和文丘里管進口處絕對溫度的影響，人工分別測量各個參數(shù)再進行計算非常復雜，不可行。現(xiàn)在采樣系統(tǒng)一般通過測量這些參數(shù)，積分計算出結(jié)果，直接給出每次測量的稀釋排氣總質(zhì)量。根據(jù)排氣取樣系統(tǒng)的說明書，采用B類不確定度進行評價。

1.2.2稀釋排氣中污染物的校正濃度（conc）

濃度的測量不確定度由2部分構(gòu)成，分別為分析系統(tǒng)的不確定度分量和標定用標準氣體的不確定度分量。分析系統(tǒng)影響排放氣體濃度的測量準確性，標準氣體影響分析設(shè)備的零點和量距，進而影響污染物濃度的測量準確性。根據(jù)分析系統(tǒng)和標準氣體的說明書，分別采用B類不確定度進行評價，然后再合成為稀釋排氣中排放氣體的校正濃度不確定度。

1.2.3NOx濕度校正系數(shù)（KH，D）

對于NOx測試需要濕度校正。試驗室內(nèi)為由發(fā)動機進氣空調(diào)直接計算出NOx濕度校正系數(shù)，因此根據(jù)發(fā)動機進氣空調(diào)的說明書，采用B類不確定度進行評價。

1.2.4發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功（Wact）

發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功由測功機通過測量發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速和扭矩，與采樣時間的乘積積分得到。其不確定度由兩部分構(gòu)成，一部分是發(fā)動機的跟隨特性造成的循環(huán)功不確定度分量，另一方面是測功機的測量系統(tǒng)誤差（循環(huán)時間、轉(zhuǎn)速和扭矩測量）造成的循環(huán)功不確定度分量。前者采用A類不確定度評估，后者根據(jù)使用說明書，采用B類不確定度評估。由于測試時間由計算機程序控制，非常準確，其產(chǎn)生的不確定度可以忽略，只需要確定測功機轉(zhuǎn)速和扭矩測量的最大允許誤差。根據(jù)測功機的使用說明書，采用B類不確定度進行評價。

1.2.5測量重復性引入的不確定度（f1）

將以上影響因素所產(chǎn)生的重復性因素組合在一起，歸入為輸出量的重復性因素，不需分別評估各輸入量重復性引入的不確定度分量，而是直接評估測量結(jié)果的重復性引入的不確定度分量（A類不確定度）。

重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗NOx排氣污染物排放量不確定度的因果關(guān)系如圖1所示。

圖1　NOx排氣污染物排放量不確定度因果關(guān)系圖

2　數(shù)學模型

2.1NOx比排放量的計算方法

根據(jù)GB 17691-2005和（EU）No 582/2011的規(guī)定，以柴油發(fā)動機的NOx比排放量為例來說明重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗排氣污染物不確定度的計算。

應按下列方法計算NOx的比排放量（g/（kW· h））：

式中：NOx為NOx的比排放量，g/（kW·h）；NOxconc為稀釋排氣中NOx污染物的平均背景校正濃度，10-6；KH，D為柴油機NOx濕度校正系數(shù)；MTOTW為稀釋排氣的總質(zhì)量，kg；Wact為實際循環(huán)功，kW·h。

因為柴油機的NOx排放和環(huán)境空氣狀態(tài)有關(guān)，NOx濃度應用環(huán)境濕度進行校正，其系數(shù)由下式給出：

式中：Ha為進氣的絕對濕度，g水/kg干空氣。

對于CFV-CVS系統(tǒng)，稀釋排氣的總質(zhì)量MTOTW計算如下：P

式中：t為循環(huán)時間；Kv為CFV標定函數(shù)；PA為文丘里管進口處的絕對壓力，kPa；T為文丘里管進口處的絕對溫度，K。

使用下列公式計算平均背景校正濃度：

式中：conc為經(jīng)稀釋空氣中污染物含量校正后的稀釋排氣中污染物的平均背景校正濃度，10-6；conce為稀釋排氣中污染物的濃度，10-6；concd為稀釋空氣中污染物的濃度，10-6；DF為稀釋系數(shù)。

對于柴油機，稀釋系數(shù)按下式計算：

式中：CO2，conce為稀釋排氣中CO2的濃度，%；HCconce為稀釋排氣中HC的濃度，10-6C1；COconce為稀釋排氣中CO的濃度，10-6。

2.2A類標準不確定度計算公式：

式中：s（x）為測量結(jié)果的標準偏差；u（x）為標準不確定度；s（x）為試驗標準偏差；m為實際檢驗中的測量次數(shù)。

而的計算公式如下所示：

式中：xi為第i次測量的結(jié)果；n為測量次數(shù)；x為所考慮的n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

2.3B類標準不確定度計算公式

當B類評定的分量無任何信息時，僅知它在某一區(qū)間內(nèi)變化時，經(jīng)常使用均勻分布。

2.4合成標準不確定度計算公式

2.5考慮上述影響測量不確定度的所有來源，建立NOx比排放量不確定度的數(shù)學模型如下

2.6輸出量NOx的不確定來源有5個方面

1）測量重復性引入的相對標準不確定度ur（f1）；

2）稀釋排氣總質(zhì)量引入的相對標準不確定度ur（MTOTW），包括3個來源：CFV標定函數(shù)、文丘里管進口處的絕對壓力和文丘里管進口處的絕對溫度的影響；

3）稀釋排氣中污染物的校正濃度引入的相對標準不確定度ur（NOxconc），包括2個來源：分析設(shè)備和標準氣體的影響；

4）NOx濕度校正系數(shù)引入的相對標準不確定度ur（KH，D）；

5）發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功引入的相對標準不確定度ur（Wact），包括2個來源：扭矩和轉(zhuǎn)速測量的影響。

2.7靈敏系數(shù)

依據(jù)JJF 1059－1999中第6.6條的式20，對于相對不確定度，靈敏系數(shù)是冪的次數(shù)。對此例，各影響量的靈敏系數(shù)分別為：

c（f1）=1，為重復測量的靈敏系數(shù)；

c（MTOTW）=1，為稀釋排氣總質(zhì)量的靈敏系數(shù)；

c（NOxconc）=1，為稀釋排氣中污染物的校正濃度的靈敏系數(shù)；

c（KH，D）=1，為NOx濕度校正系數(shù)的靈敏系數(shù)；

c（Wact）=1，為發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功的靈敏系數(shù)。

2.8擴展不確定度計算公式

式中：U為擴展不確定度；k為包含因子，這里k取2。

3　測試結(jié)果不確定度的評估

根據(jù)（EU）No 582/2011歐Ⅵ法規(guī)中的方法對樣品進行5次測試，此處考慮整個試驗階段分為冷態(tài)和熱態(tài)兩部分，不確定度影響因素在兩階段中一樣？。因此，此處僅對冷態(tài)部分的試驗結(jié)果進行不確定度評定，與試驗結(jié)果的不確定度有關(guān)的物理量測試結(jié)果如下表1所示。

3.1測量重復性引入的相對標準不確定度ur（f1）

由于實際測量中只測量1次，所以測量重復性引入的標準不確定度為：

因此，測量重復性引入的相對標準不確定度為：

表1　WHTC試驗的5次測試結(jié)果

3.2MTOTW的相對標準不確定度ur（MTOTW）

公式（3）也符合JF1059-1999的6.6條的函數(shù)關(guān)系，忽略循環(huán)時間引入的不確定度（時間由循環(huán)程序控制，誤差很?。?，稀釋排氣總質(zhì)量的相對標準不確定ur（MTOTW）度可以計算如下：

3.2.1Kv的相對標準不確定度u（rK）v

依據(jù)試驗報告，文丘里管選擇的流量檔位為60 m3/min，查詢《重型發(fā)動機排放CVS采樣和分析系統(tǒng)自檢報告》可以得知，標定函數(shù)的算數(shù)平均值為9.735 2，標準偏差為0.005 5，因此Kv的相對標準不確定度u（rK）v計算如下：

3.2.2PA的相對標準不確定度ur（PA）

依據(jù)設(shè)備說明書，該壓力測量裝置的最大允許誤差為±0.1%F.S.，測量范圍為0～106.6 kPa，服從均勻分布，因此PA的相對標準不確定度ur（PA）計算如下：

3.2.3T的相對標準不確定度ur（T）

依據(jù)設(shè)備說明書，該溫度測量裝置為PT100，最大允許誤差為±0.5 K，服從均勻分布，因此T的相對標準不確定度ur（T）計算如下：

因此，MTOTW的相對標準不確定度ur（MTOTW）為：

3.3NOxconc的相對標準不確定度ur（NOxconc）

由分析儀說明書，知NOx分析儀的最大誤差為0.5%，最大量程為100×10-6，則分析結(jié)果的變化為0.5%×100=0.5×10-6。區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為，區(qū)間半寬為0.5×10-6，因此由分析儀引起的B類測量不確定度：

標準氣體生產(chǎn)廠已給出NOx的標準氣濃度為88.91×10-6，擴展不確定度為0.01，k取2，因此由標準氣體引起的B類測量不確定度：

則相對合成標準不確定度：

3.4KH，D的相對標準不確定度ur（KH，D）

根據(jù)說明書，絕對濕度Ha的測量最大允許誤差為5%，最大測量范圍為20 g水/kg干空氣，絕對濕度的變化為20×0.05=1 g水/kg干空氣。區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，包含因子為■3，區(qū)間半寬為0.5 g水/kg干空氣。由此引入的標準不確定度：

因此，KH，D的相對標準不確定度

3.5Wact的相對標準不確定度ur（Wact）

發(fā)動機功率的計算方式為：

式中：pe為發(fā)動機功率，kW；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；Te為發(fā)動機扭矩，N·m。

發(fā)動機試驗時的實際循環(huán)功是發(fā)動機功率和循環(huán)時間乘積的積分結(jié)果，忽略循環(huán)時間引入的不確定度（誤差很?。?，Wact的B類相對標準不確定度ur（Wact）可以計算如下：

依據(jù)測功機的說明書，轉(zhuǎn)速測量裝置的最大允許誤差為±0.1%，服從均勻分布，因此的相對標準不確定度ur（n）計算如下：

依據(jù)測功機的說明書，扭矩測量裝置的最大允許誤差為±0.4%，服從均勻分布，因此Te的相對標準不確定度ur（Te）計算如下：

3.6標準不確定度匯總

重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗NOx排放量的標準不確定度匯總?cè)缦卤?所示。

表2　重型汽車用發(fā)動機排氣WHTC檢驗NOx排放量的標準不確定度匯總

4　合成標準不確定度和擴展不確定度評定

由公式（9），得到NOx比排放量的合成相對標準不確定度為：

本次試驗的NOx=3.523 5 g/（kW·h），則NOx比排放量的合成標準不確定度為：

直接取包含因子k=2，則NOx比排放量的擴展不確定度為：

5　結(jié)論

本文針對車用發(fā)動機在WHTC循環(huán)試驗中的NOx污染物排放，根據(jù)試驗程序和測量方法建立了NOx排放的數(shù)學計算模型，并通過理論方法對模型中各種參數(shù)的相對標準不確定度進行了分析，最終得到了NOx排放的不確定度評定結(jié)果。結(jié)果表明，WHTC試驗NOx比排放量的合成相對標準不確定度為5%，滿足標準法規(guī)對NOx測量的精度要求。從不確定度的評定過程可以看出，發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、稀釋排氣流量測量、污染物濃度測量和發(fā)動機扭矩控制等因素對發(fā)動機的NOx污染物排放有較大影響，所以在試驗時要保證發(fā)動機和后處理系統(tǒng)狀況良好，工作穩(wěn)定，并在日常保養(yǎng)時加強定容稀釋系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)和發(fā)動機測功機系統(tǒng)的標定和維護工作。

1國家環(huán)境保護總局.GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2005

2The European Commission.Commission Regulation（EU）No 582/2011 of 25 May 2011 implementing and amending Regulation（EC）No 595/2009 of the European Parliament and of the Council with respect to emissions from heavy duty vehicles（Euro VI）and amending Annexes I and III to Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council［J］.Official Journal of the European Union，2011，L167：1-168

3北京市環(huán)境保護局.DB11/964-2013車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法（臺架工況法）［S］.北京：北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2013

4環(huán)境保護部.HJ689-2014城市車輛用柴油發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2014

5中國合格評定國家認可委員會.CNAS-CL07：2011測量不確定度的要求［S］.北京：中國計量出版社，2011

6中國合格評定國家認可委員會.CNAS-GL05：2011測量不確定度要求的實施指南［S］.北京：中國計量出版社，2011

7全國法制計量管理計量技術(shù)委員會.JJF1001-2011通用計量術(shù)語及定義［S］.北京：中國計量出版社，2011

8全國法制計量管理計量技術(shù)委員會.JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示［S］.北京：中國計量出版社，2012

Uncertainty Evaluation of NOxEmissions Measurement Results during WHTC Test from Automotive Engine

Zhang Fan，Li Ang，Yu Jintao
China Automotive Technology&Research Center（Tianjin，300162，China）

This test focuses on NOxemissions during the WHTC cycle test from automotive engine.According to the test procedure and measurement method，the mathematics model of NOxemissions was established.Relative standard uncertainty of measurement repeatability，dilute exhaust flow，NOxemissions concentration，humidity correction coefficient，actual circulation work and so on various parameters were analyzed by means of theoretical model.Finally evaluation results of uncertainty of NOxemissions were obtained.Results show that the synthesis of relative standard uncertainty of NOxemissions during WHTC test was 5%，satisfying the requirement of the standards and regulations for NOxmeasurement precision.Seen from the process of uncertainty evaluation process，the engine and after-treatment system should be in good condition and work stable in the test.The calibration and maintenance work of constant volume dilution system，emission analysis system and engine dynamometer system should also be strengthened during daily maintenance.

Automotive engine，WHTC test，NOxemissions，Uncertainty evaluation

U467.4+99

A

2095-8234（2015）06-0018-07

張凡（1982-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為排放測試技術(shù)。

（2015-09-29）