船舶柴油机排放试验NOx不确定度评估

2020-09-10焦文健叶平雄杨文鑫徐达

内燃机与配件 2020年9期

焦文健叶平雄杨文鑫徐达

摘要：依据GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》进行船舶柴油机台架测功机排放试验测量NOx排放量，按照不确定度评估方法，从试验环境、仪器设备、试验测量方法和原理等角度，建立了船舶柴油机排放试验NOx不确定度计算公式，并对其进行评估计算，得到其扩展不确定度。

Abstract： According to GB15097-2016 emission limits and measurement methods of marine engine exhaust pollutants （the first and second stage in China）， the emission test of marine diesel engine bench dynamometer is carried out to measure the NOx emission. According to the uncertainty evaluation method， the calculation formula of the uncertainty of NOx emission test of marine diesel engine is established from the perspective of test environment， instruments and equipment， test measurement method and principle. And the expanded uncertainty is obtained by evaluation and calculation.

关键词：柴油机;船舶;不确定度

Key words： diesel engine;ship;uncertainty

0 引言

环保问题一直是近年来国家重点关注的问题，机动车是关注的重点，近年来，船舶污染物的排放问题也受到了关注。依据GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》，基于台架测功机使用部分流直采系统测量船舶柴油机是比较接近实际排放的测量方法。为了更加准确的判断此结果的准确性和可信度，依据相应标准对其进行不确定度的评估。

1 评定依据

测量的目的是为了确定被测量的量值。测量结果的品质是量度测量结果可信程度的最重要的依据。测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以，测量结果表述必须同时包含赋予被测量的值及与该值相关的测量不确定度，才是完整并有意义的。本研究依据JJF 1059.1—2012 测量不确定度评定与表示、JJF 1001中华人民共和国国家计量技术规范《通用计量术语及定义》、CNAS-CL01-G003：2018《测量不确定度的要求》、CNAS-GL05：2011《测量不确定度要求的实施指南》中不确定度的A、B类评定标准，对船舶柴油机NOx排放测量的不确定度进行评估。

2 试验方法及不确定度分析来源

试验选取国内某厂家船舶主机作为试验对象，设备选取重型发动机测功机系统以及直采气体排放分析系统。船舶柴油发动机台架安装完毕，水、电、油及其他安全点检项目检查完毕，具備启动条件后，启动试验控制台及控制系统;启动发动机至怠速工况。再次检查各压力温度传感器监测正常，各水管、油管无泄漏后，缓慢控制油门及扭矩至暖机工况，暖机至发动机出水水温70℃以上，机油温度80℃以上，并经发动机厂家工程师确认各参数达到正常运转参数标准后暖机完成，准备进入下一步试验。随后进行系统准备，分别进行系统预热、泄漏检查、系统标定等工作。准备完成后，根据标准中D2循环进行检测，其循环工况如表1。

测量应在柴油机每一工况稳定后进行，每一测量点的转速调整偏差应不大于额定转速的±1%或±3rpm（取大者）（但低怠速除外，低怠速应在制造厂声明的偏差之内），负荷调整偏差（测量过程平均扭矩与该工况规定扭矩的偏差）应不大于额定转速下额定扭矩的±2%;每一测量点至少稳定运转5min后，从柴油机排气中连续取样测量，将测量数据输出记录在记录纸上，或贮存在数据获取系统中;分析废气时记录时间应不小于10min，且对每个零位和满量程响应检查时间应不小于3min。对数据采集系统，应使用每分钟至少三次的取样频率。

影响船舶柴油机的NOx排放的影响因素较多，根据法规和试验经验，主要有以下几个方面：试验室环境包括干球温度和大气压力，标准状况下稀释气体容积，NOx湿度修正系数，污染物的校正浓度，试验循环的循环功，排放分析仪所用标准气体，NO二分析仪的测量精度，试验人员操作导致的误差。此外船舶柴油机的NOx需要考虑环境温度和湿度，故需要将NOx浓度测量时的不同环境条件修正到标准状态（基准温度和基准湿度），计算过程中需要进行温度和湿度校正，所以相对于其它气体排放物NOx排放计算较为复杂，需要多种测量仪器对多个参数进行测量才能得到最终结果。由于测量结果的精度不同对最终结果有很大影响，通过分析各个测量分量对最终结果的测量不确定度的灵敏度系数，得出各个测试设备精度的要求，达到提高精度，并最终计算船舶柴油机的NOx排放测试的不确定度。

用对观测列的统计分析进行评定得出的标准不确定度称为A类标准不确定度，用不同于对观测列的统计分析来评定的标准不确定度称为B类标准不确定度。将不确定度分为“A”类与“B”类，仅为讨论方便，并不意味着两类评定之间存在本质上的区别，A类不确定度是由一组观测得到的频率分布导出的概率密度函数得出：B类不确定度则是基于对一个事件发生的信任程度。它们都基于概率分布，并都用方差或标准差表征。两类不确定度不存在那一类较为可靠的问题。一般来说，A类比B类较为客观，并具有统计学上的严格性。测量的独立性、是否处于统计控制状态和测量次数决定A类不确定度的可靠性。测量重复性引入的标准不确定度，采用A类方法评定;下文用uA表示A类标准不确定度，urA表示A类标准相对不确定度;各测量仪器引起的标准不确定度，可根据最大允许误差，采用B类方法评定;下文用uB表示B类标准不确定度，urB表示B类标准相对不确定度。

3 不确定度评估计算

依据GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》，NOx比排放计算方式由如下公式计算得出。（其中饱和蒸气压的Pa计算采用Antoine方程估算）：

其中：为NOx比排放，g/（kW·h）;Gasmass为湿基排气质量流量;μ为质量流量计算用湿基系数，查表取0.001587;conc为NOx浓度;GEXHW为湿基排气质量流量;GAIRW为湿基排气质量;GFUEL为燃油质量流量;KH为温湿度校正系数;Ha进气绝对温度;Ta为进气绝对温度;Ra为进气相对湿度;pa为进气饱和蒸气压;pB为总大气压力;A、B为常数。

综合以上公式，得到NOx比排放的数学模型：

为进行A类不确定度的评定，在按照D2循环工况下连续进行了10次测量，计算得到氮氧化物比排放计算结果平均值为0.3210g/（kW·h）。A类不确定度可以由下式综合计算：

其中：n为测量次数;uA为eNOx的A类标准不确定度; S（xi）为eNOx的标准差，g/（kW·h）;x为eNOx的均值，g/（kW·h）。计算得到：

=0.012551g/（kW·h） =0.039101g/（kW·h）

物理量之间互不相关，根据不确定度传导公式，可以得到NOx比排放的B类标准相对不确定度uB。

其中：uB指代各物理量的B类标准不确定度;U（xi）指代各物理量的扩展不确定度;k指代各物理量的包含因子;UB（y）指数学模型y的B类标准不确定度。

综合各式可以得到NOx比排放量的B类不确定度的计算公式如式（1）。

根据各物理量的测量值及允差、量程、校准证书等信息，分别得到以下各物理量的B类标准不确定度。

进气湿空气流量的B类标准不确定度：

=6.486530kg/h

湿基NOx体积浓度的B类标准不确定度来源有两项，分别由分析仪引起和标气引起。NOx体积浓度的B类标准不确定度可以合成为：

=0.571876×