黃佑賢，矯建偉，王茁，游云鵬，李憲斌

輕型汽車(chē)CO2排放測(cè)量不確定度評(píng)定

黃佑賢，矯建偉，王茁，游云鵬，李憲斌

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

CO2排放是汽車(chē)污染物排放檢測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，它表征的是汽車(chē)排出污染物的多少和車(chē)輛能耗高低的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，用以控制汽車(chē)使用中產(chǎn)生的污染物排放量，避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生損害。按照GB 18352.6-2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》的規(guī)定使用全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)工況進(jìn)行常溫下冷啟動(dòng)后污染物排放試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。文章闡述了輕型汽油車(chē)CO2排放測(cè)試所用的測(cè)試原理、法規(guī)工況曲線、測(cè)試設(shè)備、數(shù)學(xué)模型等，通過(guò)分析影響試驗(yàn)結(jié)果的各因素來(lái)源，綜合計(jì)算得出輕型車(chē)CO2排放測(cè)試結(jié)果的擴(kuò)展不確定度和相對(duì)擴(kuò)展不確定度。

汽車(chē)排放；CO2；不確定度評(píng)定；能耗

前言

CO2排放是汽車(chē)污染物排放檢測(cè)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，它表征的是汽車(chē)排出污染物的多少和車(chē)輛能耗高低的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，通過(guò)對(duì)汽車(chē)排放污染源的控制降低對(duì)環(huán)境的污染程度。

按照中國(guó)第六階段標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輕型汽車(chē)在進(jìn)行相關(guān)型式核準(zhǔn)項(xiàng)目申報(bào)認(rèn)證時(shí)都需要對(duì)CO2進(jìn)行檢測(cè)，按照中國(guó)第六階段排放法規(guī)規(guī)定使用全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)（WLTC）工況進(jìn)行常溫下冷啟動(dòng)后污染物排放試驗(yàn)，測(cè)得CO2的排放結(jié)果，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定[1-2]。

測(cè)量不確定度的目的是為了表征合理地賦予被測(cè)量值的分散性跟測(cè)量結(jié)果具有關(guān)聯(lián)性的參數(shù)。測(cè)量不確定度一般由若干分量組成，其中一些分量可根據(jù)一系列測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)分布，按測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定進(jìn)行評(píng)定，而另一些分量則可根據(jù)基于經(jīng)驗(yàn)或其他信息獲得的概率密度函數(shù)，按測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定進(jìn)行評(píng)定[2-3]。

1 試驗(yàn)程序

1.1 測(cè)量原理

本次測(cè)定CO2使用的是不分光紅外線法（NDIR），測(cè)試設(shè)備的工作原理是基于測(cè)量氣體對(duì)于特定波長(zhǎng)的紅外的能量的吸收。CO2能夠吸收波長(zhǎng)介于2.7~4.26μm的紅外線光，而且具有吸收峰值，在采集到的氧氣中CO2的濃度是通過(guò)紅外線透過(guò)一定長(zhǎng)度的該氣體后透射能量的強(qiáng)弱測(cè)量得到。測(cè)試中為了減小其他氣體對(duì)測(cè)量的干擾，需要在分析儀測(cè)量前端設(shè)置濾波室來(lái)過(guò)濾掉對(duì)測(cè)量有影響的其他干擾氣體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

1.2 測(cè)試工況

測(cè)試循環(huán)使用全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)（WLTC），循環(huán)分為四個(gè)階段：低速段、中速段、高速段和超高速段；整個(gè)循環(huán)共 1 800s。每一段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為：589秒、433秒、455秒和323秒。

表1 試驗(yàn)用儀器設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

1.3 測(cè)試步驟

（1）車(chē)輛驅(qū)動(dòng)輪固定在底盤(pán)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓上。

（2）底盤(pán)測(cè)功機(jī)根據(jù)車(chē)輛滑行阻力值進(jìn)行阻力設(shè)定。

（3）駕駛員按照系統(tǒng)設(shè)定好的工況曲線完成試驗(yàn)循環(huán)。

（4）樣品采集系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行采集存儲(chǔ)。

（5）試驗(yàn)工況和采樣結(jié)束后分析系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)氧氣袋中的污染物成分進(jìn)行分析，并輸出相應(yīng)測(cè)試結(jié)果。

1.4 使用的儀器設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（表1）

2 影響因素及評(píng)定方法

2.1 影響因素分析

影響輕型車(chē)常溫排放污染物（Ⅰ）型試驗(yàn)的因素很多，根據(jù)計(jì)算公式以及使用經(jīng)驗(yàn)，確定主要包括：稀釋排氣的容積、稀釋排氣中污染物的校正濃度、車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離、試驗(yàn)室內(nèi)大氣壓力、試驗(yàn)室內(nèi)干球溫度、標(biāo)定用標(biāo)準(zhǔn)氣體、采樣系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、底盤(pán)測(cè)功機(jī)的阻力設(shè)定、迎面冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量、驅(qū)動(dòng)輪胎壓力、駕駛員駕駛習(xí)慣以及試驗(yàn)用燃料特性等[4-5]。

2.1.1稀釋排氣容積（Vmix）

稀釋排氣容積Vmix試驗(yàn)中需要直接參與計(jì)算，測(cè)量的數(shù)值需要校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下。校正所需的3參數(shù)為試驗(yàn)室內(nèi)大氣壓力、容積泵進(jìn)口處的真空度（相對(duì)于環(huán)境大氣壓）、進(jìn)入容積泵的稀釋排氣平均溫度。由于實(shí)際文氏管流量是實(shí)時(shí)變化的，同時(shí)試驗(yàn)室內(nèi)大氣壓力、容積泵進(jìn)口處相對(duì)于環(huán)境大氣壓的真空度以及進(jìn)入容積泵的稀釋排氣平均溫度也都是實(shí)時(shí)變化的，所以人工分別測(cè)量各個(gè)參數(shù)再進(jìn)行計(jì)算非常復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)。采樣系統(tǒng)進(jìn)行整合后，通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)的這些參數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算，直接得到每次得到的稀釋排氣容積Vmix[4]。

2.1.2稀釋排氣中污染物的校正濃度（Ci）

稀釋排氣中污染物對(duì)應(yīng)的校正濃度參與結(jié)果計(jì)算，對(duì)結(jié)果有一定影響，其主要由稀釋排氣濃度、背景稀釋空氣濃度以及相應(yīng)的稀釋系數(shù)共同計(jì)算得出。稀釋系數(shù)是通過(guò)袋采分析中氧氣CO2、HC和 CO濃度計(jì)算得出。綜上，通過(guò)測(cè)量稀釋排氣和稀釋空氣中的污染物濃度綜合計(jì)算得出稀釋排氣中污染物校正濃度。

2.1.3車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離（d）

試驗(yàn)時(shí)車(chē)輛的實(shí)際行駛距離是通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和采樣時(shí)間的乘積得到，其誤差的構(gòu)成有兩部分，駕駛員駕駛操作偏差造成的里程變化和底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)量時(shí)系統(tǒng)誤差造成的里程變化。

2.1.4測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

經(jīng)過(guò)分析下列給出了對(duì)試驗(yàn)影響的相關(guān)因素并采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類(lèi)評(píng)估：

（1）測(cè)試環(huán)境艙內(nèi)的干球溫度會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)運(yùn)行溫度和狀態(tài)等，從而影響整車(chē)排放。

（2）標(biāo)定測(cè)試設(shè)備所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體會(huì)影響分析儀的零點(diǎn)和量距，從而影響污染物濃度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

（3）試驗(yàn)室內(nèi)大氣壓力會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量造成影響，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，最終影響排放量。

（4）底盤(pán)測(cè)功機(jī)的加載阻力直接影響試驗(yàn)車(chē)輛的負(fù)荷，從而影響整車(chē)排放。

（5）迎面冷卻風(fēng)機(jī)的冷卻風(fēng)量影響試驗(yàn)過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理的溫度，進(jìn)而影響整車(chē)排放。

（6）驅(qū)動(dòng)輪胎壓力高低會(huì)影響試驗(yàn)車(chē)輛的負(fù)荷，從而影響整車(chē)排放。

（7）試驗(yàn)時(shí)駕駛員對(duì)油門(mén)、離合器以及制動(dòng)踏板的使用會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒造成影響，進(jìn)而影響整車(chē)排放。

（8）試驗(yàn)燃料會(huì)對(duì)車(chē)輛油氣混合、揮發(fā)性、燃燒特性造成影響；各種含量也會(huì)對(duì)處理系統(tǒng)的工作效率造成一定影響。

2.2 評(píng)估方法的確定

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的稀釋排氣容積（Vmix）

根據(jù)排氣取樣系統(tǒng)的使用說(shuō)明，稀釋排氣容積受文氏管流量、容積泵真空度、進(jìn)排氣溫度、大氣壓影響，則稀釋排氣容積Vmix采用不確定度B類(lèi)評(píng)估。

2.2.2稀釋排氣中污染物的校正濃度（Ci）

稀釋排氣中的校正稀釋濃度結(jié)果受分析設(shè)備最大允許誤差以及標(biāo)準(zhǔn)氣體的最大允許誤差影響，由分析設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)氣體的相關(guān)使用說(shuō)明可知，兩個(gè)影響因素均采用不確定度B類(lèi)評(píng)估，再通過(guò)不確定度合成方法合成為稀釋排氣中污染物的校正濃度的不確定度。

2.2.3車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離（d）

由于車(chē)輛的車(chē)輪與底盤(pán)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度相同，因此通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)的速度乘以測(cè)試時(shí)間就可以得到車(chē)輛的實(shí)際行駛距離。此處忽略計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的誤差，僅需對(duì)底盤(pán)測(cè)功機(jī)速度的最大允許誤差進(jìn)行分析。根據(jù)底盤(pán)測(cè)功機(jī)說(shuō)明書(shū)，對(duì)車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離（d）進(jìn)行不確定度B類(lèi)評(píng)估。

2.2.4測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（f1）

將2.1.4列出影響因素所產(chǎn)生的重復(fù)性因素為輸出量的重復(fù)性因素，不需要單獨(dú)進(jìn)行評(píng)估，綜合評(píng)估測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引入的不確定度分量。

輕型車(chē)常溫排放污染物（I型）試驗(yàn)測(cè)量不確定度的輸入量的因果關(guān)系如圖1所示[6]：

圖1 CO2排氣污染物排放量不確定度因果關(guān)系圖

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)中國(guó)第六階段排放法規(guī)中CE.3.2.1所述，對(duì)Ｉ型試驗(yàn)排氣污染物排放量建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

Mi----污染物i的綜合排放量，g/km；

Vmix----表示稀釋排氣容積，L（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；

Qi----在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，污染物i的密度，CO2為1.964 g/L；

KH----表示用于計(jì)算氮氧化物的排放質(zhì)量的濕度修正系數(shù)（本次測(cè)試中對(duì)CO2測(cè)量不產(chǎn)生影響，不參與結(jié)果計(jì)算）；

Ci----表示稀釋排氣中某種污染物i對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)，并用稀釋空氣中對(duì)應(yīng)的污染物i的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行修正；

d----車(chē)輛按運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)試驗(yàn)時(shí)所行使的實(shí)際距離，km。

3.2 MCO2數(shù)學(xué)模型

考慮上述影響測(cè)量不確定度的所有來(lái)源，則MCO2數(shù)學(xué)模型如下：

3.3 靈敏度系數(shù)

重復(fù)測(cè)量的靈敏系數(shù)為：

混合排氣容積的靈敏系數(shù)為：

稀釋排氣中污染物的校正濃度的靈敏系數(shù)為：

車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離的靈敏系數(shù)為：

4 測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)估

4.1 測(cè)量物理量及結(jié)果匯總

表2 與試驗(yàn)結(jié)果的不確定度有關(guān)的物理量及測(cè)試結(jié)果

表2 （續(xù)）

根據(jù)中國(guó)第六階段排放法規(guī)中Ι型試驗(yàn)方法對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行5次測(cè)試，與不確定度計(jì)算相關(guān)量匯總見(jiàn)表2。

4.2 測(cè)量重復(fù)性引入的A類(lèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（f1）

在實(shí)際試驗(yàn)中只對(duì)樣車(chē)進(jìn)行1次測(cè)量，則引用貝塞爾計(jì)算公式如下：

式中：

（）----試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差；

M----第i次測(cè)量的結(jié)果；

----測(cè)量次數(shù)；

---- n次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值。

（x）----標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值：

所以測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

測(cè)量重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.3 Vmix的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（Vmix）

則Vmix的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.4 標(biāo)準(zhǔn)氣體引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（e1）

標(biāo)準(zhǔn)氣體生產(chǎn)廠已經(jīng)給出二氧化碳（CO2）濃度為2.40%，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1%，服從正態(tài)分布，包其含因子k取2，則引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.5 分析設(shè)備引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（e2）

4.6 車(chē)輛試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（d）

試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際行駛距離d的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.7 標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算分量匯總

表3 常溫下CO2排氣污染物排放量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算分量匯總

表3 （續(xù)）

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)估

常溫下CO2排氣污染物排放量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度將所有來(lái)源的不確定度值和靈敏系數(shù)代入計(jì)算：

本次試驗(yàn)的MCO2=165.21g/km，則CO2排氣污染物排放量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

6 擴(kuò)展不確定度評(píng)估

直接取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

則MCO2的擴(kuò)展不確定度為U=1.99g/km。

7 相對(duì)擴(kuò)展不確定度的評(píng)估

相對(duì)擴(kuò)展不確定度：

8 報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果和擴(kuò)展不確定度

輕型汽車(chē)常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)（I型試驗(yàn)）在此次測(cè)試中，MCO2的綜合試驗(yàn)結(jié)果為165.21g/km，其擴(kuò)展不確定度為：

U=1.99g/km，k=2。

或者Urel=1.20%，k=2。

9 結(jié)論

綜上，此次輕型汽車(chē)CO2排放從多個(gè)影響因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，從相關(guān)數(shù)據(jù)得出重復(fù)性不確定度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響相對(duì)較大，在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)對(duì)試驗(yàn)條件、樣品狀態(tài)以及試驗(yàn)人員的控制至關(guān)重要；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)的管理，保證測(cè)試設(shè)備精度，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，以此降低測(cè)試結(jié)果不確定度。最終測(cè)試得到的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果才具有較高的置信度，能保證試驗(yàn)結(jié)果在合理的誤差范圍內(nèi)。

[1] 環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局GB 18352.6-2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[S].北京:中國(guó)環(huán)境出版社出版2017:46-56.

[2] 全國(guó)法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示》[S].北京:國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012:1-48.

[3] 游云鵬.炭罐初始工作能力測(cè)量不確定度評(píng)定[J].汽車(chē)使用技術(shù), 2020,38(07):128-129.

[4] 中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì).CNAS-GL023:2018《汽車(chē)和摩托車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域典型參數(shù)的測(cè)量不確定度評(píng)估指南》[S].2018:1-62.

[5] 張凡.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC試驗(yàn)NOX排放測(cè)試結(jié)果的不確定度評(píng)定[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù),2015,44(06):19-20.

[6] 潘鵬,王建海,田東蓮.輕型車(chē)排放測(cè)試影響因素試驗(yàn)研究[J].汽車(chē)技術(shù),2012(09):48-51.

Evaluation of Uncertainty of CO2Emission Measurement of Light Vehicles

Huang Youxian, Jiao Jianwei, Wang Zhuo, You Yunpeng, Li Xianbin

( CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

The CO2emission is an important technical index of vehicle pollutant emission detection, It represents one of the reference standards for the amount of pollutants emitted by vehicles and the level of vehicle energy consumption,To control the emission of pollutants produced in the use of automobiles and avoid damage to the environment. According to GB 18352.6-2016" Limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles (CHINA 6)", the world's uniform light vehicle test cycle (WLTC) is used to conduct the pollutant emission test after cold start at room temperature，And evaluate the uncertainty of the measurement results.This paper describes the test principle, regulation working condition curve, test equipment and mathematical model used in the CO2emission test of light-duty gasoline vehicles. By analyzing the sources of various factors affecting the test results, the expanded uncertainty and relative expanded uncertainty of the CO2emission test results of light-duty vehicles are calculated comprehensively.

Vehicle Emission; CO2; Uncertainty evaluation; Energy consumption

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.028

U473.9

A

1671-7988(2021)06-88-05

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黃佑賢，就職于中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司。