摘 要：根据试验程序和测量方法建立了国六柴油机颗粒物数量排放的数学计算模型，通过理论方法对模型中测量重复性、颗粒计数器精度、部分流稀释系统精度和测功机系统精度等各种参数的相对标准不确定度进行了分析，得到了颗粒物数量排放的不确定度评定结果。通过采取温度和压力控制参数优化、更换滤芯和计数单元重新标定等改进措施，颗粒物数量比排放量的合成相对标准不确定度为 4.82%，满足国六标准对颗粒物数量测量的精度要求。
关键词：国六标准 柴油机 颗粒物数量排放 不确定度评定
引言
改善环境空气质量是我国当前涉及国计民生的重大课题。2018 年，国务院发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，对氮氧化物(NOx )、PM 2.5 等污染物排放指标分别提出了明确的防控目标。生态环境部发布的数据显示，机动车污染是目前我国空气污染的重要来源之一。根据 《中国移动源环境管理年报(2019)》，我国机动车保有量超过 3.2 亿辆，其中汽车是机动车大气污染物排放的主要贡献者，而占汽车保有量 7.9%的柴油货车，排放了占比 84.6%的颗粒物(PM)[1]。由此可见，控制机动车污染，特别是重型柴油车的排放水平，是提高环境空气质量的重要手段。
欧盟在 2011 年已经颁布了(EU)No 582/2011欧 Ⅵ标准[2]，对重型柴油机的排放进行了严格的管理，特别是在颗粒物质量限值上提出了颗粒物数量(PN)排放的限值。生态环保部在 2018 年发布的 GB 17691- 2018 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[3](简称国六标准)中参考欧Ⅵ标准，引入了更加复杂的测试过程(冷热态 WHTC 测试循环)和更加严格的排放限值(NOx 和 PM 排放限值有超过 50%的降低幅度，并规定了 PN 排放限值)，这对排放测试的精度提出了更高的要求。
国六标准柴油机(简称国六柴油机)的颗粒物数量排放测试是现阶段发动机研究过程中的难题，为了更准确地评价国六柴油机颗粒物数量的排放水平，依据下列标准要求进行柴油机 PN 排放测量的不确定度评定：
1)CNAS-CL01-G003：2019 《测量不确定度的要求》[4]。
2)CNAS-GL023：2018《汽车和摩托车检测领域典型参数的测量不确定度评估指南及实例》[5]。
3)中华人民共和国国家计量技术规范 JJF 1001- 2011《通用计量术语及定义》[6]。
4)中华人民共和国国家计量技术规范 JJF 1059.1- 2012《测量不确定度评定与表示》[7]。
1 影响因素分析及评估方法的确定
国六标准增加了发动机排气污染物中颗粒物数量排放的测量，标准要求：发动机试验循环过程中，在排气管中采用部分流稀释系统或全流稀释系统连续取样，使用颗粒物计数器测定瞬时颗粒物数量浓度，最终计算试验循环过程的颗粒物数量比排放浓度，针对部分流稀释系统的颗粒物数量排放测量进行不确定度评定。
根据计算公式和使用经验，影响发动机尾气中颗粒物数量排放检验的因素主要包括：颗粒计数器的设备精度、部分流稀释系统的设备精度、测功机系统的设备精度以及试验采样和分析过程的测量重复性。
颗粒计数器的设备精度引入的不确定度包括 3 个方面：
1)粒子平均浓度的测量误差;
2)线性化标定误差;
3)挥发性粒子去除器的平均粒子浓度衰减系数误差。
3 者均可以采用 B 类不确定度进行评价。
部分流稀释系统的设备精度引入的不确定度包括 3 个方面：
1)稀释排气瞬时质量流量的测量误差;
2)部分流稀释系统采样流量的测量误差;
3)发动机排气瞬时质量流量的测量误差。
3 者均可以采用 B 类不确定度进行评价。
试验中，发动机的功率由测功机通过测量发动机瞬时转速和转矩，由功率与转速和转矩的关系式计算得到。测功机系统的设备精度引入的不确定度包括 2 个方面：测功机转速和转矩测量的最大允许误差，采用 B 类不确定度进行评价。
试验中，颗粒物数量排放的采样和分析过程是一个复杂的动态过程，部分流稀释系统的气密性和采样比控制稳定性、采样管路的加热效果和吸附能力、颗粒计数器的气密性和稀释比控制稳定性以及发动机运行的稳定性等都会对颗粒物数量排放测量产生影响。将以上影响因素所产生的重复性因素组合在一起，归入为输出量的重复性因素，不需分别评估各输入量重复性引入的不确定度分量，而是直接评估测量结果的重复性引入的不确定度分量 (A 类不确定度)。
综合来说，国六柴油机颗粒物数量排放测量不确定度的因果关系如图 1 所示。
3 测试结果不确定度的评估
为进行 A 类不确定度的评定，使用 1 台车用国六柴油机，在稳态工况下连续进行 10 次颗粒物数量排放的测量，测量值如表 1 所示。
3.2 稀释排气瞬时质量流量引入的不确定度 u(r GT )
依据部分流采样系统的期间核查报告，稀释排气瞬时质量流量的准确度误差为 0.14%，线性化标定误差为 0.02%，服从均匀分布，因此稀释排气瞬时质量流量引入的相对标准不确定度 u(r GT )可由公式(8)和公式(9)进行计算，计算结果为 u(r GT )=0.000 8。
3.3 部分流稀释系统采样流量引入的不确定度 u(r GP )
依据部分流采样系统的采样期间核查报告，部分流稀释系统采样流量的准确度误差为 0.97%，线性化标定误差为 0.07%，服从均匀分布，因此部分流稀释系统采样流量引入的相对标准不确定度 u(r GP )可由公式(8)和公式(9)进行计算，计算结果为 u(r GP )= 0.005 6。
3.4 发动机排气流量引入的不确定度 u(r GEXH)
依据流量计说明书，排气流量测量的最大允许误差为±1%，服从均匀分布，因此发动机排气流量引入的相对标准不确定度 u(r GEXH)可由公式(8)和公式(10)进行计算，计算结果为 u(r GEXH)=0.005 8。
3.5 粒子计数器标定系数引入的不确定度 u(r k)
依据颗粒计数器的出厂检定报告，粒子计数器标定系数的线性化最大误差为±0.4%，服从均匀分布，因此粒子计数器标定系数引入的相对标准不确定度 u(r k)可由公式(8)和公式(10)进行计算，计算结果为 u(r k)= 0.002 3。
3.6 挥发性粒子去除器粒子浓度衰减系数引入的不确定度 u(r fr )
依据颗粒计数器的出厂检定报告，挥发性粒子去除器粒子浓度衰减系数的最大误差为±1.1%，服从均匀分布，因此挥发性粒子去除器粒子浓度衰减系数引入的相对标准不确定度 u(r f)r 可由公式(8)和公式(10)进行计算，计算结果为 u(r f)r = 0.006 4。
4 PN 排放测量不确定度的改进
从上述的不确定度评定结果来看，对 PN 排放测量不确定度的主要影响为测量重复性和稀释排气中粒子平均浓度 2 个因素引入的不确定度，因此需要从这 2 个方面进行改进，主要有 5 个措施：
1)对颗粒物采样通道路径上的所有温度和压力控制参数进行优化，确保采集的尾气温度在传输过程中的稳定性;
2)更换部分流稀释系统的滤芯，对采样通道进行长时间吹扫，降低采样通道残留 PN 排放浓度对测试结果的影响;
3)更换二次稀释空气通道的滤芯，对二次稀释空气的温度和压力控制参数进行优化，提高二次稀释空气温度和背景 PN 浓度的稳定性;
4)对发动机进气空调温度和湿度控制的 PID 参数进行优化，提高进气空调温度和湿度的稳定性，降低发动机污染物排放的波动;
5)将计数单元返厂进行重新标定，提高计数单元的相关精度。
在采取相关优化措施后，在稳态工况下重新连续进行 10 次颗粒物数量的测量，测量值如表 3 所示。
5 结论
1)针对国六柴油机的颗粒物数量排放，测量重复性、颗粒计数器精度、部分流稀释系统精度和测功机系统精度等各种参数引入了测量的不确定度。
2)对 PN 排放测量不确定度的主要影响为测量重复性和稀释排气中粒子平均浓度 2 个因素。
3)温度和压力控制参数优化、更换滤芯和计数单元重新标定等措施可以改进 PN 排放的测量不确定度。 4)改进后，PN 比排放量的合成相对标准不确定度为 4.82%，满足国六标准对颗粒物数量测量的精度要求。——论文作者：张 凡 李 昂 于津涛
参考文献
1 中华人民共和国生态环境部. 中国移动源环境管理年报(2019)[EB/OL]. http：//www.huanjing100.com/p -9232.html， 2019-09-05
2 The European Parliament and The Council of the European Union. 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 [EB/OL]. (2011-06- 25). https://eur -lex.europa.eu/legal -content/EN/TXT/?uri = CELEX%3A32011R0582&qid=1605161041836
3 生态环境部，国家市场监督管理总局. GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[S]. 北京：中国环境科学出版社，2018
4 中国合格评定国家认可委员会. CNAS-CL01-G003 测量不确定度的要求[EB/OL]. https：//www.cnas.org.cn/images/rkgf/ sysrk/rkyyzz/2019/04/09/3CCECF38765ECA560242EF19F56 23829.pdf，2019-04-09
5 中国合格评定国家认可委员会. CNAS-GL023 汽车和摩托车检测领域典型参数的测量不确定度评估指南及实例 [EB/OL]. https：//www.cnas.org.cn/images/rkgf/sysrk/rkzn/2018/ 03/01/8652E3A66B5845457E500F07A284ADD5.pdf，2018 - 03-01
6 国家质量监督检验检疫总局. JJF1001-2011 通用计量术语及定义[S]. 北京：中国质检出版社，2012
7 国家质量监督检验检疫总局. JJF1059.1-2012 测量不确定度评定与表示[S]. 北京：中国标准出版社，2013https://eurlex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32011 R0582&qid=1605161041836
