颗粒物与细颗粒物数量排放测量不确定度研究.pdf
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1、第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023绿色发展颗粒物与细颗粒物数量排放测量不确定度研究刘 康,李 娜,郭亚辰,闫鹏勇,吴春玲(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津,300300)摘要:选取一台符合国六排放标准的重型柴油发动机,在全流稀释排放系统台架上进行了 5 次世界统一稳态循环(World Harmonised Steady State Cycle,WHSC)和世界统一瞬态循环(World Harmonised Transient Cycle,WHTC)的冷热态测试,并分别对排放颗粒物和细颗粒物数量进行了测量。通
2、过对颗粒物与细颗粒物数量比排放的不确定度来源和影响因素进行分析,结合相关理论,建立了数学模型以评定各影响因素的不确定度。通过计算,得到了颗粒物与细颗粒物数量比排放的合成相对标准不确定度,并对这两者进行了对比分析,最终计算出了扩展不确定度。关键词:细颗粒物数量;不确定度评定;影响因素;国六排放;数学模型中图分类号:TK432 文章编号:1000-6494(2023)04-0001-08收稿日期:2023 年 7 月 16 日基金项目:国家重点研发计划(2022YFC3703600)作者简介:刘康(1993-),男,学士,助理工程师,主要研究方向为汽车及发动机节能减排,E-mail:liukang
3、 ca-。通讯作者:吴春玲(1984-),男,硕士,高级工程师,研究方向为汽车发动机排放检测。E-mail:。Research on Uncertainty of Normal and Fine Particle Number Emission MeasurementLIU Kang,LI Na,GUO Yachen,YAN Pengyong,WU Chunling(CATARC Automotive Test Center(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China)Abstract:A heavy-duty diesel engine compliant w
4、ith China VI emission standards was selected for a series of cold and hot state tests on a full-flow dilution emissions system bench.The engine underwent 5 repetitions of WHSC and WHTC,during which emissions of particulate matter and fine particulate matter were quantified.By analyzing the sources a
5、nd influencing factors of uncertainty in the ratio of particulate matter to fine particulate matter emissions,and incorporating relevant theories,a mathematical model was established to assess the uncertainty associated with each influencing factor.Through calculations,the composite relative standar
6、d uncertainty of par-ticulate matter to fine particulate matter emissions was determined,followed by a comparative analysis of the two.Ultimately,the ex-panded uncertainty was calculated.Key words:fine particulate number;uncertainty evaluation;influence factor;China emission;mathematical modelDOI:10
7、.20082/ki.nrj.2023.04.0010 前言生态环境部发布的 2022 年中国移动源环境管理年报 数据显示,2021 年全国汽车保有量达到 3.02 亿辆,同比增长 7.5%。其中,PM 排放量为 6.4 万吨,且柴油车颗粒物排放占比超过 90%。2 内燃机2023 年 8 月因此,合理控制柴油车颗粒物排放水平对于治理雾霾和保障人体健康具有重要意义。目前,欧盟和中国均在研究下一阶段机动车排放标准,对于重型柴油车的排放要求将更加严格,特别是对颗粒物数量的界定,将由之前要求的直径 23nm 以上的颗粒物数量(PN23),扩展为直径 10nm 以上的颗粒物数量(PN10)。在此之前,张
8、凡1使用部分流稀释系统对 PN23 排放进行了测量,并对其不确定度进行了评估。沈睍2通过 WHTC 试验循环测得颗粒物排放结果,建立了数学模型以分析国六标准柴油机颗粒物数量比排放结果的不确定度。另外,黄志强3通过对非道路发动机稳态循环(NRSC)排放的氮氧化物(NOx)进行分析评定,得出了 NOx比排放测量的不确定度。本文依据相关不确定度标准和文献资料4-12中总结得到的相关经验,选取一台符合国六标准的柴油发动机,使用全流定容稀释系统对 5 次WHSC 和 5 次冷热态 WHTC 排放结果进行连续采样。通过计算并对比分析这两种工况下的排放结果,得出 WHSC 和 WHTC 的合成相对标准不确定
9、度。在工况循环过程中,使用颗粒计数器测量PN23 和 PN10 的瞬时颗粒物浓度,结合测功机记录的发动机转速和扭矩值,计算试验过程中颗粒物与细颗粒物数量比的排放结果。最终,根据排放结果及其影响因素,对比分析了 PN23 和 PN10的比排放不确定度。1 试验配置1.1 发动机配置本次试验选取一台直列六缸符合国六排放标准的涡轮增压柴油机进行测试,后处理系统由DOC+DPF+SCR+ASC 组合形成。本台发动机的主要参数如表 1 所示。表 1 发动机主要参数项目参数额定功率/kW402额定功率转速/(rmin-1)1900最大转矩/(Nm)2700最大转矩转速/(rmin-1)10001400排量
10、/L16进气方式涡轮增压1.2 试验室配置本次试验采用 HORIBA 公司的 STARS 系统作为主控,借助 HORIBA HD460 电力测功机来准确测量发动机的转速和转矩。使用 AVL 公司的 CVS i60 全流定容稀释采样系统对排气进行稀释采样,PN10 和 PN23 的测量则通过 AVL 公司的 489 设备进行。为实现发动机额定点边界控制,本次试验借助了多项系统,包括 553 温控、进气空调、排气背压调节装置以及中冷温控等。主要设备配置见表 2。表 2 试验主要设备配置设备型号生产厂家测功机HD460HORIBA油耗仪FQ-3110DPHORIBA空气流量计Sensyflow FM
11、T700-P-TubeABB 集团进气空调CAC3600-C南通力达环保设备有限公司进气温湿度传感器HMT333Vaisala OyjCVS 全流排放分析系统CVS i60奥地利 AVL 公司颗粒计数器AVL489奥地利 AVL 公司2 测试方法本试验根据 GB 17691-2018 的规定13,运行发动机至额定点,按照边界条件对发动机边界进行调节,调节完成后将各个调节阀锁死。本台发动机边界条件如表 3 所示。表 3 发动机边界条件边界参数边界条件进气阻力/kPa3.50.1最大净功率对应的最高转速下的排气背压/kPa35-36中冷压降/kPa111中冷后温度/505试验开始前,对分析仪进行标
12、定,同时进行489 设备检查,以确保设备的测量准确性。将发动机运行至第九工况热机状态,并保持至少 10min。随后,停机并进行 5min 的热浸操作。之后,在进行 WHSC 试验循环的同时,进行相关排放的测量。在进行冷热态 WHTC 试验时,首先需要进行一次 WHTC 预处理,然后浸机 6h 以上,待发动机第 4 期刘 康,等:颗粒物与细颗粒物数量排放测量不确定度研究 3 冷却液温度、机油温度以及后处理温度均降至30以下后,方可开始试验。试验过程中,在冷态WHTC 与热态 WHTC 之间需要热浸 10min。3 试验结果不确定度评定流程结合 CNAS-GL023 评估指南6和试验测量的整个过程
13、,总结出本次试验不确定度评定流程如图 1 所示。图 1 不确定度评定流程图3.1 不确定度来源分析通过解析不确定度评定过程中的计算公式,并结合试验过程中对各设备的使用经验,对不确定度来源展开分析。本次试验采用了临界文丘里管(CFV)全流定容稀释系统,其中试验循环总稀释排气量是瞬时流量对时间的积分。在理想情况下,瞬时流量应为固定值,但实际情况中受 CFV 入口处的温度、压力和标定参数的影响,增加了不确定度。该全流定容稀释系统的设备精度引入的不确定度包括:CFV 入口处温度、压力和标定系数。CFV 入口绝对温度和压力的不确定度采用 B 类方法评估,而CFV 标定系数的不确定度与全流稀释系统流量核查
14、报告相关,因此采用 A 类方法评估。AVL489 颗粒计数器的不确定度主要来自设备误差,主要包括粒子平均浓度测量误差、线性化标定误差和挥发性粒子去除器平均粒子浓度衰减系数误差。由于不确定度均源自设备自身精度,因此采用 B 类方法进行评估。基于比排放计算公式,测功机系统参与计算的变量为发动机转速和转矩,因此测功机系统不确定度主要来源于这两项的测量误差。由于这两项均受测功机的测量误差影响,所以均采用 B 类方法评估不确定度。不同系统因重复性测量而引入的不确定度统一归为输出量重复性测量不确定度,即对 PN10 和PN23 比排放结果进行 A 类不确定度评定。综上所述,国六标准下重型柴油机细颗粒物数量
15、比排放的不确定度因果关系如图 2 所示。图 2 细颗粒物数量比排放量不确定度因果关系图3.2 数学模型建立3.2.1 PN23 与 PN10 比排放计算公式根据 GB 17691-2018 规定13,颗粒物数量比排放计算公式为:PN=NPact(1)4 内燃机2023 年 8 月式中:PN 为颗粒物数量比排放,粒/(kWh);N 为试验循环的粒子数量;Pact为发动机实际功率,kW。当采用 GB 17691-2018 中 CA.6 规定程序用全流稀释系统对粒子数量进行取样时,试验循环中排出的粒子数量应按照下列公式计算:N=med1.293kCsfr106(2)式中:med为 GB 17691-
16、2018 CA.6.1.2 CA6.1.4 规定的任意方法计算的试验循环期间稀释排气总质量,kg;k 为标定系数,用于修正粒子计数器到标准测试设备下的标定系数,不适用于内部标定的粒子计数器,当为内部标定时,k=1;Cs为校正至标准条件(273.2K、101.33kPa)的稀释排气中的粒子平均浓度,粒/cm3;fr为试验时稀释设定挥发性粒子去除器的平均粒子浓度衰减系数。本次试验使用全流排放稀释系统将整个试验循环内的稀释排气温度保持在11K,试验循环质量流量计算公式为:med=1.293tKvPpT-0.5(3)式中:Kv为标准条件下临界流量文丘里管标定系数;Pp为文丘里管入口绝对压力,kPa;T
17、 为文丘里管入口绝对温度,K。采用 CFV 全流稀释系统对排放进行取样,根据公式(1)(3),采用下列公式对颗粒物数量比排放进行计算:PN=KvPpT-0.5PactkCsfr106(4)通过式(4)可知颗粒物数量比排放不确定度来源有 7 个方面,再加上试验中测量重复性引入的不确定度,共有 8 个方面。分别为临界文丘里管标定系数引入的相对标准不确定度 ur(Kv);文丘里管入口绝对压力引入的相对标准不确定度 ur(Pp);文丘里管入口绝对温度引入的相对标准不确定度 ur(T),试验过程中发动机自身功率引入的相对标准不确定度 ur(Pact),粒子计数器标定系数引入的相对标准不确定度 ur(k)
18、,稀释排气中粒子平均浓度引入的相对标准不确定度 ur(Cs),试验时稀释设定的挥发性粒子去除器的平均粒子浓度衰减系数引入的相对标准不确定度 ur(fr),试验过程中测量重复性引入的不确定度 ur(PN)。3.2.2 不确定度计算公式(1)相对标准不确定度与标准不确定度关系相对标准不确定度与标准不确定度关系如下:urxi()=u xi()a(5)式中:ur(xi)为相对标准不确定度;u(xi)为分量标准不确定度;a 为该不确定度来源的均值。(2)A 类标准不确定度计算公式A 类标准不确定度按照贝塞尔公式进行计算,如下:u xA()=s x()m(6)式中:u(xA)为 A 类标准不确定度;s(x
19、)为标准偏差;m 为试验的测量次数。标准偏差 S(x)计算公式如下:s x()=ni=1xi-x-()2n-1(7)式中:n 为试验测量的次数;xi为第 i 次测量结果;x-为 n 次测量结果的均值。(3)B 类标准不确定度计算公式本次 B 类方法评定分量仅在某一区间变化,没有相关分布信息,所以使用均匀分布来进行评定,即本次分析 B 类标准不确定度计算公式为:u xB()=3(8)式中:u(xB)为 B 类标准不确定度;为被测参数的可能取值区间。(4)合成标准不确定度计算公式合成相对标准不确定度计算公式为:ury=ni=1 f xi()2u2xi(9)式中:ur(y)为合成相对标准不确定度;f
20、 xi为各不确定度分量的灵敏系数。根据 JJF 1059.1-2012 相关标准8,得知相对标准不确定度灵敏系数即为幂的次数,本次分析的不确定度来源及灵敏系数如表 4 所示。第 4 期刘 康,等:颗粒物与细颗粒物数量排放测量不确定度研究 5 根据式(5)可得出合成标准不确定度计算公式为:u y()=aury()(10)式中:u(y)为合成标准不确定度。(5)扩展不确定度计算公式扩展不确定度计算公式为:U y()=ku y()(11)式中:U(y)为扩展不确定度;k 为包含因子。根据式(10)可得出本次试验颗粒物数量比排放扩展不确定度计算公式如下:U PN()=ku PN()(12)式中:包含因
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