民用涡扇和涡喷发动机非挥发性颗粒物排放符合性方法研究

涂 杰，王晓明，宋建宇，查筱晨，吴晶峰

(中国民用航空适航审定中心，北京 100102)

1 引言

燃气涡轮发动机尾喷口排出的非挥发性颗粒物(nvPM)，在温度低于350℃时不会挥发[1]，主要包括纳米级的黑炭或超微烟灰[2]，如被人体吸入，将损害支气管上皮细胞，影响人体健康[3]。而燃气涡轮发动机排出的黑炭和烟灰的尺寸，通常小于汽车发动机排出物[4]，这种小颗粒物在整个人体呼吸道内高效沉积[5-6]，推测能够产生比大颗粒物更大的毒性[7-10]。因此有必要对燃气涡轮发动机nvPM 排放提出特别要求。

国际民航组织(ICAO)航空环境保护委员会，于2016 年2 月批准并建议ICAO 通过一项新的航空发动机nvPM 标准，在其中设立与烟度数值的可见污染物标准相匹配的排放要求[11]。2018 年1 月1 日生效的ICAO 附件16 卷II 第4 次修订文件规定，自2020 年1 月1 日起生产的额定推力大于26.7 kN的涡扇和涡喷发动机，应符合航空环境保护委员会第10 次会议(CAEP/10)通过的nvPM 排放标准。目前，美国联邦航空局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)已批准多个涡扇发动机型号符合nvPM 排放标准，欧美航空发动机厂家已向中国民用航空局(CAAC)提出nvPM 排放认可审查申请，但国内工业方和CAAC 缺乏对nvPM 排放符合性方法的了解，急需开展相关研究。

本文通过挖掘CAEP/10 nvPM 排放标准的技术内涵，提出nvPM 排放标准的符合性验证思路，并据此开展民用涡扇和涡喷发动机nvPM 排放符合性方法研究。

2 符合性方法

通过研究CAEP/10 nvPM 排放标准的技术内涵，总结、提炼形成如图1[1]所示的nvPM 排放的符合性验证思路。该验证思路包含nvPM 排放测量试验的采样和测量系统搭建、仪器和系统校准、试验用燃油、试验程序、颗粒物损失修正、试验数据分析和符合性判据7 个方面，以下就此分别开展符合性方法研究。

图1 nvPM 排放的符合性验证思路Fig.1 A compliance path of CAEP/10 nvPM

2.1 采样和测量系统搭建

民用涡扇和涡喷发动机排出nvPM 的采样和测量系统(图2[1])，应包括采集、传输和测量3 个部分，并可细分为5 段。其中，第1 段为采集部分，第2～4 段为传输部分，第5 段为测量部分。

图2 nvPM 采样和测量系统Fig.2 A nvPM sampling and measurement system

2.1.1 采集部分

采集部分由气体采样耙和加热连接管路组成，总长度应不超过8 m，用于在涡扇或涡喷发动机尾喷口采集有代表性的排放气体，并提供采集气体向后传输的通道。气体采样耙的采样平面与涡扇或涡喷发动机尾喷口平面的距离，应不超过尾喷口的半径。发动机喷出的高温和高速气体使得采样耙工作环境恶劣，采样耙应选择不锈钢或其他耐高温材料制造，同时应足够坚固。为采集有代表性的排放气体，采样耙上的气体采集孔应不少于12 个，且所有气体采集孔应等距分布。为降低采样气体的流动速度，采样耙的设计应实现气体采集孔前后气体的动压至少降低80%。目前，欧美航空发动机厂家主要采用固定式或旋转式十字形采样耙。进行nvPM排放符合性试验前，申请人应通过工程试验确定：采样耙安装位置、采样耙旋转角度、采样耙旋转速度(如适用)，以及采样耙上气体采集孔的选取能够采集有代表性的排放气体。为减少颗粒物在管路传输过程中的热泳损失，应对气体传输管路加热，且试验过程中保持管路的温度不低于145℃。

2.1.2 传输部分

传输部分主要由三通管、压力控制活门、隔离活门、稀释装置加热器、稀释装置、旋风分离器和加热连接管路等组成，每段均规定了长度限制和温度限制。传输部分的作用是将采样气体向后传递至测量部分，同时降低采样气体温度，移除气体中非燃烧产生的大颗粒物，减少采样气体中小颗粒物损失。采样气体经过三通管1 进入传输部分。第1 路采样气体依次流经隔离活门1、稀释装置1、旋风分离器和三通管2 进入试验系统的测量部分。其中，稀释装置应使用加热过的过滤空气或氮气对采样气体进行稀释(稀释比DF1_S应控制在8～14 之间)，最小化颗粒物凝结，降低采样气体温度，以最小化热泳损失；旋风分离器应移除气体中非燃烧产生的大颗粒物(大于1 μm)，以防止下游测量设备堵塞。第2 路采样气体直接通过管路进入测量部分的CO2分析仪，用于测量未稀释采样气体中的CO2浓度。第3 路气体经过1p 压力控制活门通向大气，以控制第1 路气体中进入稀释装置采样气体的压力。

2.1.3 测量部分

测量部分主要由nvPM质量测量仪器(nvPMmi)、nvPM 数量测量仪器(nvPMni)、挥发性颗粒物移除装置(VPR)、CO2分析仪、主泵、气路流量控制器、过滤器等组成，用于测量采样气体中nvPM 的质量和数量数据，同时通过主泵和气路流量控制器的工作，保持采样气体持续流入。经过三通管2 的气体，分3 路进入测量部分。第1 路气体依次流经过滤器、气路流量控制器和泵，流入CO2分析仪，用于测量第一次稀释后气体中的平均CO2浓度。第2 路气体经过挥发性颗粒物移除装置时，移除了气体中的挥发性物质，并用稀释气体(典型稀释气体为空气)对采样气体进行第2 次稀释，稀释后的气体流入nvPM 数量测量仪器，用于测量气体中的nvPM数量。第3 路气体直接流入nvPM 质量测量仪器，用于测量气体中的nvPM 质量。

2.1.4 审查关注

为了实现nvPM 排放测量试验的标准化，CAEP/10 对nvPM 采样和测量系统的搭建提出了详细和具体的要求。审查过程中，应重点关注：

(1)申请人是否通过工程试验，证明采样耙能够采集有代表性的发动机排放气体；

(2)试验系统中各段的长度和温度要求是否能够满足；

(3)试验系统能否有效降低采样气体的动压和温度，实现采样气体在试验系统中正常流动。

2.2 仪器和系统校准

为保证nvPM 排放测量结果的准确性，应至少以年为基础或按照仪器制造商的建议，对nvPM 采集、气体传输和测量的仪器以及整个试验系统进行校准，并按照仪器制造商的指导，保持nvPM 采样和测量系统的有效性。

2.2.1 仪器校准

仪器制造商或合格的试验机构可以使用热光透射率(TOT)方法[1]、ISO 标准等仪器性能确定方法，每年对nvPM 质量测量仪器校准，校准结果应符合表1[1]中的性能规范。

表1 nvPM 质量测量仪器性能规范Table 1 Performance specifications for nvPM mass instruments

仪器制造商或合格的试验机构应使用ISO 27891中的标准校准方法[12]，每年对nvPM 数量测量仪器进行校准，即在nvPM 数量测量仪器和1 个已校准的气溶胶静电计同时采样静电分类校准颗粒物时，比较nvPM 数量测量仪器与静电计的响应差异是否符合CAEP/10 的要求。

合格的试验机构应每年针对挥发性颗粒物移除装置进行校准，主要校准挥发性颗粒物移除装置的采样气体稀释特性、采样气体颗粒物损失特性和挥发性颗粒物移除特性，是否符合CAEP/10 的要求。

申请人应使用SAE ARP6320[12]中符合性检查清单中的校准和保持表格，对其他nvPM 采集、气体传输和测量设备进行校准。

2.2.2 系统校准

局方可以使用SAE ARP6320[12]中符合性检查清单，审查申请人搭建的nvPM 试验系统是否符合CAEP/10 的要求。

在每次nvPM 排放测量试验前或试验过程中，申请人应对nvPM 整个试验系统的空气燃油比进行校准，即依据试验系统采样气体中测量的CO2浓度，计算出试验发动机的空气燃油比，并将该空气燃油比与基于试验发动机性能参数计算得到的空气燃油比进行比较。当两个空气燃油比在发动机滑行或地面慢车工作状态的差异不超过±15%、在发动机其他工作状态的差异不超过±10%时，证明nvPM 整个试验系统实现了碳平衡，可以用于nvPM 排放测量。

2.2.3 审查关注

nvPM 是纳米级的颗粒物，试验仪器和系统的准确性将严重影响试验结果，因此试验仪器和系统的校准是CAEP/10 nvPM 排放标准符合性的重要环节。审查过程中，应重点关注：

(1)nvPM 采集、气体传输和测量设备是否以年为基础，或按照设备制造商的建议完成了校准并保持有效，且能提供设备制造商或合格试验机构出具的校准合格证明文件；

(2)应使用SAE ARP6320[12]中的符合性检查清单，审查申请人搭建的nvPM 试验系统是否符合CAEP/10 的要求；

(3)在试验目击时，应在每次nvPM 排放测量试验前或试验过程中，检查试验系统的碳平衡是否符合要求。

2.3 试验用燃油

2.3.1 试验用燃油的要求

试验用燃油的性能应满足表2[1]所规定的燃油性能规范。在每次发动机排放测量试验过程中，均应对试验用燃油进行取样，并对取样的燃油性能进行评估。

2.3.2 审查关注

燃油的性能和成分差异可以影响航空发动机nvPM 排放的测量结果。审查过程中，应重点关注：

(1)申请人是否在每次试验过程中，对试验用燃油进行了取样；

(2)是否由有资质的实验室对燃油样品进行性能分析和评估；

(3)每次试验采集的燃油样品是否均符合表2的要求。

表2 航空涡轮发动机排气排出物测量用燃油规范Table 2 Specification for fuel to be used in aircraft turbine engine emission testing

2.4 试验程序

试验用发动机在地面台架上完成nvPM 排放测量。针对试验用发动机与取证构型的任何构型偏离，申请人应评估对nvPM 排放测量结果的影响。申请人应至少完成3 次nvPM 排放测量试验，试验用发动机可以是1 台，也可以是多台。

2.4.1 试验前的检查

在每次nvPM 排放测量试验前，为避免前次试验残留对本次试验测量结果产生影响，应对试验系统完成以下检查和清理工作：

(1)对nvPM 试验系统的采集部分、传输部分、管路进行泄漏和清洁度检查；

(2)关闭隔离活门1 和 1p 压力控制活门，对采样耙反向输送压力气体，去除采样耙中的残留物(图3[1])；

图3 去除采样耙中残留物的气路设计Fig.3 Flowpath schematic for section 1 back-purge

(3)检查挥发性颗粒物移除装置的采样气体稀释特性；

(4)关闭试验系统第2 段中的2 个隔离活门，测量试验环境气体(有代表性的试验发动机进口空气)中nvPM 的质量和数量浓度(图4[1])。

图4 测量试验环境气体中nvPM 质量和数量浓度的气路设计Fig.4 Flowpath schematic for ambient particle air measurement

2.4.2 试验要求

在每次nvPM 排放测量试验中，发动机应在4个推力工作状态点(表3[1，13])附近及各状态点之间，完成至少10 个状态点的nvPM 排放测量，以覆盖典型的起飞-着陆循环，并拟合出1 条nvPM 排放曲线。

表3 发动机推力设置方式和工作时间Table 3 Thrust settings and operation time of test engine

在每次nvPM 排放测量试验前或试验过程中，申请人应对nvPM 试验系统的空气燃油比进行校准检查。在每次nvPM 排放测量试验过程中，应对试验用燃油进行取样。

2.4.3 审查关注

严格按照试验程序要求做好试验前准备工作和开展试验，是准确测量nvPM 的重要保证。审查过程中，应重点关注：

(1)评估试验用发动机构型与取证发动机构型差异对nvPM 排放测量结果的影响；

(2)审查申请人是否在每次nvPM 排放测量试验前，按照要求完成了试验系统的检查和清理工作；

(3)目击试验过程中，关注是否在发动机工作状态稳定后测量nvPM。

2.5 颗粒物损失修正

nvPM 排放测量试验的颗粒物损失修正，主要包括热泳损失修正和颗粒物尺寸相关的系统损失修正。

2.5.1 热泳损失修正

热泳损失是nvPM 排放测量试验中，与颗粒物尺寸无关的最大损失类型[12]。颗粒物热泳损失的数量与采样气体和气路管壁的温度梯度成正比，温度梯度越大，会有越多的颗粒物沉积在气路管壁，造成采样气体中损失更多数量的颗粒物[14-16]。由于采集部分中的采样气体与气路管壁的温度梯度最大，故nvPM 排放测量试验系统中超过95%的颗粒物热泳损失在采集部分产生[12]。颗粒物热泳损失修正因子的计算公式见公式(1)[1]。

式中：1T 是试验系统传输部分稀释装置1 进口处气路管壁的温度，TEGT是发动机排气温度。当TEGT小于 T1时，kthermo取1。

2.5.2 颗粒物尺寸相关的系统损失修正

采样气体在nvPM 排放测量试验系统中流动时，气体颗粒物在扩散作用和流动惯性[12]的影响下，一部分沉积在流通通道的内壁导致颗粒物损失。这种损失与颗粒物的尺寸相关，颗粒物尺寸越小，受到的影响越大。ICAO 附件16 第二卷第四次修订文件的附录8[1]，给出了nvPM 颗粒物尺寸相关系统损失因子的一种估算方法。目前，颗粒物尺寸相关的系统损失修正方法仍在研究中，CAEP/10 标准并不要求申请人将nvPM 排放测量得到的质量和数量数据，进行颗粒物尺寸相关的系统损失修正，但要求申请人按附录8 完成系统损失修正，并将结果报告ICAO，以便对修正方法进一步开展研究。

2.5.3 审查关注

开展颗粒物损失修正能够提高nvPM 排放测量的准确度。审查过程中，应重点关注：

(1)试验目击过程中，应关注针对每个nvPM排放测量点所记录的1T 和 TEGT数值是否准确；

(2)关注申请人在进行颗粒物尺寸相关的系统损失修正时，是否考虑了采样气体中不同尺nvPM颗粒物的分布情况。

2.6 试验数据分析

nvPM 排放测量试验测得的数据，需经过数据分析后生成排放曲线。

2.6.1 用于分析的试验数据

试验数据分析的输入主要包括以下3 方面：

(1)每个nvPM 排放测量点所对应的发动机性能参数；

(2)每个nvPM 排放测量点所测得的nvPM 质量和数量数据；

(3)标准海平面大气数据。

2.6.2 排放曲线的生成

将用于分析的数据输入SAE ARP6320[12]中的计算工具，可以得到每次nvPM排放测量试验获得的nvPM 质量浓度(nvPMmass)曲线、nvPM 质量因子(EImass)曲线以及nvPM 数量因子(EInum)曲线。

每次nvPM 排放测量所对应的质量因子和数量因子，分别由质量浓度和数量浓度除以本次测量所消耗的燃油质量得到。由于现代涡轮发动机的燃烧效率大于95%，可以近似认为燃油中的所有碳，经过发动机燃烧后均转化为CO2，因此每次nvPM 排放测量所消耗的燃油质量，可以通过所测得的CO2得到[12，17]。CAEP/10 据此对EImass和EInum的计算公式进行了简化。

(1)nvPMmass曲线

nvPMmass的计算公式见式(2)[17]，式中nvPMmass_STP是nvPM 质量测量仪器在标准状态下所测nvPMmass。在实际试验过程中，如nvPM 质量测量仪器不处于标准状态，应按照仪器制造商的建议，将实测的nvPMmass修正到仪器的标准状态。1次试验所测得的多个 nvPMmass，按公式(2)中DF1_S和kthermo修正后，可以拟合成1 条 nvPMmass曲线(图5)。

图5 nvPM 质量浓度曲线示例Fig.5 An example of nvPMmass curves

(2)E Imass曲线

EImass的计算公式见式(3)[17]，式中常数22.4 是测量仪器标准条件下1 mol 空气的体积(L)，[CO2]b是干空气中的CO2浓度，[CO2]dil1是第1 次稀释后采样气体中的平均CO2浓度，MC是1mol碳原子的质量，MH是1mol氢原子的质量，a是试验用燃油CmHn中氢原子数量n 与碳原子数量m 的比值。完成1 次nvPM 排放测量试验，可以按公式(3)计算得到每个nvPM 排放测量点的EImass，进而拟合成1 条EImass曲线(图6)。

图6 nvPM质量因子曲线示例Fig.6 An example of EImass curves

(3)EInum曲线

EInum的计算公式见公式(4)[17]，式中DF2是nvPM 排放测量试验系统测量部分挥发性颗粒物移除装置的稀释比，nvPMnum_STP是nvPM 数量测量仪器在标准状态下测得的nvPM 数量浓度。完成1次nvPM 排放测量试验，可以按公式(4)计算得到每个nvPM 排放测量点的EInum，进而拟合成1 条EInum曲线(图7)。

图7 nvPM 数量因子曲线示例Fig.7 An example of EInum curves

2.6.3 审查关注

nvPM 排放测量试验获得的数据，只有通过局方可接受的计算工具进行数据分析后，才可以用于表明试验的符合性。审查过程中，应重点关注：

(1)应关注数据分析输入数据的选取是否正确；

(2)应关注申请人是否使用SAE ARP6320中的计算工具完成数据分析，如申请人采用其他计算工具进行数据分析，应审查该计算工具是否可接受。

2.7 符合性判据

目前，nvPM 排放的符合性标准仍在研究、修订过程中。ICAO 的CAEP/10 标准作为一个过渡期标准，仅提出nvPM 质量浓度限制(公式(5)[1])作为nvPM 排放的唯一符合性判据。为支持nvPM排放标准的研究，ICAO 要求申请人在表明符合性时，除了证明发动机的最大nvPM 质量浓度低于CAEP/10 的nvPM 质量浓度限制外，还需要向ICAO 报告nvPM 质量因子、nvPM 数量因子、发动机性能参数、试验用燃油组分等数据信息。

式中：Foo为试验发动机额定起飞推力。

在试验数据分析后获得的每条nvPM 质量浓度曲线上，分别选取最大的nvPM 质量浓度数值，再对这些最大值进行算术平均，将该算术平均值除以表4[1]所确定的与试验用发动机数量相关的nvPM质量浓度惩罚系数，得到该型号发动机的nvPM 质量浓度特性水平，即最大nvPM 质量浓度数值。当该特性水平小于公式(5)计算得到的nvPM 质量浓度限制时，证明该型号发动机符合CAEP/10 的nvPM 排放标准。当该特性水平大于公式(5)计算得到的nvPM 质量浓度限制时，申请人可以通过增加nvPM 排放测量试验次数，实现nvPM 质量浓度特性水平小于公式(5)计算得到的nvPM 质量浓度限制。如增加nvPM 排放测量试验次数的方式仍然不能表明符合性，申请人可以通过增加试验用发动机的数量，对照表4 选取数值更大的惩罚因子，实现nvPM 质量浓度特性水平小于公式(5)计算得到的nvPM 质量浓度限制。

表4 nvPM 质量浓度惩罚系数Table 4 Coefficients of nvPM mass concentration

3 结束语

对民用涡扇和涡喷发动机的nvPM 排放制定符合性标准和开展审查是新生事物。通过挖掘CAEP/10 nvPM 排放标准的技术内涵，提出了nvPM 排放标准的符合性验证思路，并依据该思路，研究形成了nvPM 排放测量试验的采样和测量系统搭建、仪器和系统校准、试验用燃油、试验程序、颗粒物损失修正、试验数据分析和符合性判据的符合性方法和审查关注要点。研究成果为国内工业方表明nvPM 排放符合性提供了符合性方法，并为国内适航审定人员开展nvPM 排放审查提供了指导。

CAEP/10 nvPM排放标准只是一个过渡期标准。当前，ICAO 仍在对nvPM 的排放标准进行研究，并将依据研究进展，持续修订nvPM 排放标准。国内工业方和中国民用航空局应加强对nvPM 排放标准的研究，以及对ICAO 持续修订情况的跟踪，积极参与nvPM 排放标准的修订工作，这将有利于降低新排放标准对国内工业方的技术壁垒，提升中国民用航空局在ICAO 立法定标的话语权。