尹貽軍 邸少偉 李明宣

（1-中國重型汽車集團(tuán)有限公司汽車研究總院 山東 濟(jì)南 250101 2-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

引言

近年來，發(fā)動機(jī)以及整車生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)政府監(jiān)管部門對商用車節(jié)能重視程度逐漸加大，投入大量精力和成本降低商用車油耗。對于檢測機(jī)構(gòu)而言，如何準(zhǔn)確測量商用車油耗值和評估燃料消耗量測量不確定度是準(zhǔn)確評價商用車節(jié)能的前提，本文將基于GB/T 27840-2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法[1]對商用車燃料消耗量不確定度進(jìn)行評估，目的是為了確定油耗消耗量的準(zhǔn)確性，試驗測量結(jié)果的可靠性是評價測量結(jié)果可信程度的最重要的依據(jù)。本次評估活動的意義在于可以定量表征試驗活動結(jié)果的不確定性，不確定度大或者小可以用于判斷試驗測量結(jié)果的可用性和可信度。因為不確定度存在一切檢測試驗活動中，其無法消除不可避免，所以完整而有意義的試驗測量結(jié)果由兩部分組分，一是試驗活動所賦予的測量值，二是該次試驗的測量不確定度。

本文將依據(jù)中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示[2]中標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A、B 類評定標(biāo)準(zhǔn)，對重型柴油車整車燃料消耗量測量的不確定度進(jìn)行評估。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

本次油耗試驗通過環(huán)境艙設(shè)備控制試驗區(qū)域環(huán)境溫濕度的穩(wěn)定性，四驅(qū)底盤測功機(jī)模擬車輛實際道路行駛阻力，全流稀釋定容排放系統(tǒng)測量油耗值，所用試驗設(shè)備型號如表1 所示。

表1 試驗設(shè)備表

1.2 試驗車輛

試驗車輛為一輛滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)重型柴油貨車，滿載質(zhì)量為4495kg，試驗室大氣壓力為101.3 kPa，溫度設(shè)定控制25 ℃，濕度設(shè)定45%，燃油采用0 號柴油，試驗前加滿燃油，試驗過程中使用同個駕駛員。重型商用車燃料消耗量測量試驗基于GB/T 27840-2011 重型商用車輛燃料消耗量測量方法標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，油耗試驗（碳平衡法）示意圖如圖1 所示，各系統(tǒng)誤差如表2 所示，測得油耗平均結(jié)果為12.208 L/100 km。

圖1 燃料消耗量測試試驗示意圖

表2 測量系統(tǒng)部分誤差表 %

試驗設(shè)備參數(shù)均滿足或優(yōu)于GB/T 27840-2011中的要求；重型商用車油耗試驗采用C-WTVC 循環(huán)，C-WTVC 是在全球重型商用車瞬態(tài)循環(huán)（WTVC，Word Transient Vehicle Cycle）的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整WTVC 的加速度和減速度形成的，并結(jié)合國內(nèi)大部分車輛的行駛特點(diǎn)，完善形成的中國重型商用車循環(huán)。其適用于質(zhì)量大于3 500 kg 的重型車，共分3 個階段，其中1 900 s 為城市工況，900～1 368 s為公路工況，1 368～1 800 s 為高速工況。圖2 為CWTVC 循環(huán)速度圖。試驗車輛滿足GB/T 27840-2011標(biāo)準(zhǔn)5.1 車輛要求，車輛放置在底盤測功機(jī)上，連接汽車尾氣管路，確認(rèn)管路無泄漏并充分排氣。按照標(biāo)準(zhǔn)5.4 規(guī)定的試驗規(guī)程進(jìn)行試驗操作，試驗期間車輛連接排放設(shè)備CVS 管路，排氣被環(huán)境空氣稀釋后再進(jìn)行采樣，選擇使用碳平衡法對燃料消耗量進(jìn)行計算。

2 不確定度來源分析

圖2 C-WTVC 循環(huán)速度圖

商用車燃料消耗量影響因素較多，根據(jù)法規(guī)試驗方法、試驗使用的設(shè)備和試驗經(jīng)驗，主要有以下幾個方面：標(biāo)準(zhǔn)狀況下稀釋氣體容積，污染物的校正濃度，排放分析儀所用標(biāo)準(zhǔn)氣體，分析儀的測量精度，試驗車輛行駛里程以及試驗人員操作導(dǎo)致的誤差，人員誤差指的是駕駛員由于個人習(xí)慣在離合、換擋、加減速及油門等操作產(chǎn)生的誤差[2-3]。從以上分析可知采用碳平衡法測量商用車油耗是一個比較復(fù)雜的測量系統(tǒng)。油耗試驗測量結(jié)果不能直接獲取，首先通過不同測量設(shè)備測得稀釋排氣容積Vmix、稀釋排氣污染物濃度Ci、試驗循環(huán)中的行駛里程d 等參與測量值，通過建立數(shù)學(xué)模型經(jīng)過運(yùn)算才能得到最終油耗結(jié)果。在計算過程中參與測量值會對最終油耗測量值帶來不同的影響，包含人員操作、計量器具及環(huán)境條件等，據(jù)此我們建立商用車燃油消耗量數(shù)學(xué)模型，將全部測量不確定度來源包含在內(nèi)，逐步分析各個測量不確定度分量對最終試驗結(jié)果的影響。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中要求的測量方法，氣體污染物排放測量的數(shù)學(xué)模型如下：

式中:Mi為排氣污染物排放量，g/km；Vmix為稀釋排氣容積（0°下標(biāo)況），m3；Qi為標(biāo)況下污染物濃度，g/L；k為NOx計算中的校正系數(shù),其他氣態(tài)污染物為1；Ci為排氣污染物的校正濃度，10-6；d 為試驗循環(huán)的行駛里程，km。

式中：Q 為燃料消耗量，L/100 km；HC 為測得的碳?xì)浠衔锱欧帕?，g/km；CO 為測得的一氧化碳排放量，g/km；CO2為測得的二氧化碳排放量，g/km；ρg為15 ℃下的燃料密度，kg/L。

4 不確定度評定

4.1 A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

人員操作影響試驗數(shù)據(jù)重復(fù)性是不可避免的，多次試驗的重復(fù)性是考察試驗結(jié)果準(zhǔn)確度的一個指標(biāo)。以燃料消耗量為例，試驗重復(fù)性指的是在不同試驗循環(huán)駕駛過程中駕駛員對油門踏板、制動踏板以及變速器擋位變更的使用存在不一致的現(xiàn)象。我們可以使用A 類不確定度評價試驗人員操作重復(fù)性帶來的測量影響，同時試驗中某些因素對試驗結(jié)果的影響程度無法使用計算公式量化評估，歸為A 類不確定度，本試驗中包括試驗室的環(huán)境中大氣壓力和溫度變化，試驗人員操作，A 類不確定度可以通過試驗重復(fù)性計算使用重復(fù)性評估。

采用同一組試驗人員，對同一輛車，在相同的試驗條件下獨(dú)立進(jìn)行6 次重復(fù)試驗，最終試驗觀測結(jié)果如表3 所示，通過貝塞爾公式計算單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差即由于人員操作產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ua，結(jié)果如表3 所示，計算得到的實際燃油消耗量的A類不確定度為0.275%。

由于標(biāo)準(zhǔn)要求試驗駕駛員操作須將實際車速控制在理論車速±3 km/h 允差范圍內(nèi)。根據(jù)JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示規(guī)定：當(dāng)隨機(jī)效應(yīng)或系統(tǒng)效應(yīng)導(dǎo)致的不確定度分量，既可以按統(tǒng)計方法獲得，又可以用其他方法評定時，只允許在uc（y）中包含其中一個，故此處不再對車速誤差進(jìn)行B 類評定。A 類評定結(jié)果已經(jīng)廣泛包含人員操作（車輛固定安裝、駕駛操作及車輛預(yù)處理等）帶來的影響。

表3 試驗結(jié)果信息統(tǒng)計表

4.2 B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

燃料消耗量B 類不確定度公式如下：

參考試驗循環(huán)C-WTVC 對CO2、CO 及HC 測量結(jié)果進(jìn)行分析計算。公式（1）符合JJF1059.1-2012 中的函數(shù)關(guān)系，公式中各參數(shù)獨(dú)立，可以采用標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行評定，即：

4.2.1 稀釋排氣容積Vmix標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

重型車排放污染物測試系統(tǒng)采用文丘里管測定稀釋氣體容積，該6 次試驗的試驗數(shù)據(jù)如表所示。

式中：t 為試驗總時間；C 為CFV 標(biāo)定系數(shù)；P 為CFV入口壓力，kPa；T 為CFV 入口溫度，K。

查測量儀說明書得知t 的半寬t=0.05 s，服從均勻分布，k=，則

查HORIBA 分析儀CVS7400T 出廠檢驗報告得到C 的不確定度為0.159 7%

根據(jù)說明書該壓力測量裝置為：

測量范圍：0～108 kPa，最大允許誤差服從均勻分布，則k=3

根據(jù)儀器說明溫度測量裝置為Pt100，最大誤差為±1.0%F.S.；測量范圍0～100℃，則測量誤差T=±1.0%×100=±1.0 ℃=±1.0K。服從均勻分布，則k=3

4.2.2 污染物濃度相對標(biāo)準(zhǔn)值不確定度

燃料消耗量碳平衡法試驗所采用設(shè)備精度如表4 所示，分析計算分析儀帶的不確定度分量。

表4 設(shè)備分析儀信息表

4.2.3 修正系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

稀釋空氣的修正系數(shù)k 計算公式為：

式中：H 為進(jìn)氣的絕對濕度。

進(jìn)氣絕對濕度的計算公式為：

式中：Ra為相對濕度，Pd為飽和蒸氣壓，Pb為大氣壓力。

進(jìn)氣飽和蒸氣壓可以依據(jù)進(jìn)氣溫度通過查表獲得。

根據(jù)測量儀器的允許誤差范圍，本次試驗中所使用的的溫度計、壓力計和濕度計的儀器不確定度均為1%，通過計算得到修正系數(shù)k 的不確定度為0.953 2%。

2.2.4 駕駛距離相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

按照底盤測功機(jī)裝置距離測量的最大允許誤差為0.5%，其結(jié)果服從矩形分布，取k=3，u=算后獲得駕駛距離相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.288 7%。

綜合可知各污染物測量不確定度，CO 測量不確定度為=2.243%，CO2測量不確定度為1.739%，THC測量不確定度為2.451%，測量油耗B 類不確定度為0.412%

5 排放污染物質(zhì)量合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

通過碳平衡法計算燃料消耗量僅與CO2、CO 和HC 的濃度質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)JJF1059-2002 中提供的測量不確定度計算方法，計算各分量的不確定度。最終獲得B 類不確定度，合成不確定度為A 類和B 類的組合：

6 擴(kuò)展不確定度

計算擴(kuò)展不確定度，包含因子k 取為2，得：

實際燃油消耗量的不確定度是0.992%，4 495 kg貨車油耗試驗值為12.208 L/100 km，故實際燃油消耗量不確定度為0.119 L/100 km。

7 結(jié)束語

依據(jù)不確定度評定方法，根據(jù)商用車燃料消耗量測量方法，從重型車排放污染物測試設(shè)備、試驗環(huán)境、人員操作等方面對燃料消耗量不確定度進(jìn)行分析，評估各因素對測量商用車油耗影響。從結(jié)果可知，A 類不確定度占擴(kuò)展不確定度的27.7%，說明試驗重復(fù)性操作對試驗結(jié)果影響較小，試驗結(jié)果穩(wěn)定，人員對試驗結(jié)果影響程度較小，試驗系統(tǒng)的測試精度是影響不確定度的主要因素。通過本次商用車燃料消耗量不確定度的評定，了解了油耗測量試驗不確定程度，保證了商用車燃料消耗量試驗的可靠性和設(shè)備重復(fù)操作測量的穩(wěn)定性。