非揮發性顆粒物排放適航符合性驗證方法

劉來，沈蘇華，宋建宇，王杰

（1.中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241；2.中國民用航空適航審定中心，北京 100102）

0 引言

近年來，隨著民用航空產業的迅速發展，航空器排放污染對大氣環境和人體健康造成了不可忽視的影響[1-2]。航空器污染排放主要來自于發動機，包括一氧化碳（CO）、未燃碳氫化合物（Unburned hydrocarbons，UHC）、氮氧化物（NOx）和顆粒物，其中由于近年來霧霾等惡劣大氣條件對人體健康產生持續重大危害，顆粒物排放備受關注[3-5]。在2010年之前，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）航空環境保護委員會（Committee on Aviation Environmental Protection，CAEP）制定了排放標準和建議措施，僅限于NOx、CO和UHC等氣態污染物的排放，以及煙霧的排放（以煙度SN報告）[6]。其中發煙指數（Smoke Number，SN）測量是為了確保飛機發動排氣能見度符合適航標準而開發的，不提供環境影響評估所需的關于顆粒物數量、大小和成分的任何信息。CAEP第8次會議（2010年）認識到SN已經無法滿足對發動機顆粒物排放的限制要求，因此在2016年制定了首個針對飛機發動機非揮發性顆粒物（non-volatile Particulate Matter，nvPM）排放的新監管標準（CAEP/10）。在制定nvPM質量和數量排放的監管標準之前，飛機發動機排放認證試驗需要一種標準化的取樣和測量方法，美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers，SAE）飛機發動機氣體和顆粒物排放測量委員會為飛機發動機nvPM質量和數量測量制定了標準化協議[7-8]，國際民用航空組織在此基礎上制定發布了附件16《環境保護》第Ⅱ卷《航空器發動機的排放物》（第4版，2017）。

雖然國際民用航空公約和SAE相關標準對非揮發性顆粒物排放測試做出了較為詳細的規定，但由于中國商用航空發動機產業起步較晚，缺乏相關測試經驗，目前中國還沒有成熟的nvPM測量系統。國外主航空發動機設備制造商研發制造體系成熟，擁有多種型號產品，目前國際上存在3個符合標準化規范的航空發動機nvPM排放測量系統，可供歐美主航空發動機設備制造商產品適航取證使用。國外研究學者對nvPM排放測量技術也進行了深入研究。Durdina等[9-10]提出了顆粒物質量測量的方法，并對噴氣飛機的顆粒物污染進行了評估；Lobo等[11]對比了3種符合ICAO排放試驗標準的測量系統的測試結果，發現在測量設備的誤差波動范圍內測量結果一致性較好。

本文對nvPM排放標準進行了解讀，并基于國際民用航空組織推薦的nvPM測量規程，總結了用于航空發動機非揮發性顆粒物排放測量適航取證的符合性驗證方法。

1 適航規章要求

為了控制飛機發動機排放物對全球空氣質量的影響，國際民用航空組織制定了排放標準，各國民航局根據ICAO排放標準制定了相應的適航排放法規，以期在航空發動機設計制造階段貫徹落實排放要求。

現行的適航法規采用煙度測量評判發動機顆粒物排放水平，發煙指數（SN）測量是為了確保飛機發動機排氣能見度符合適航標準而應用的，并不能對發動機顆粒物排放的質量和數量定量測量。為了進一步限制發動機顆粒物排放水平，2017年3月3日，國際民航組織航空環境保護委員會第十次會議（CAEP/10）審議通過了附件16《環境保護》第Ⅱ卷《航空器發動機的排放物》的第9次修訂（第4版），本次修訂新增了對發動機nvPM排放測量的要求：額定推力大于26.7 kN且在2020年1月1日或之后生產的所有渦輪風扇和渦輪噴氣發動機及其衍生產品均需符合nvPM排放最大質量濃度限制要求[12]。CAEP/10最大nvPM質量濃度的監管水平是基于nvPM質量濃度和煙度之間的統計關系制定的[13]，確保了任何符合煙度認證要求的飛機發動機也將達到nvPM質量排放水平。非揮發性顆粒物排放的具體要求如下：發動機應在足夠的推力設定值上測試，以確定發動機的非揮發性顆粒物排放，可使用下述特定百分比的額定推力以及經審定當局同意的可產生最大質量濃度nvPMmass、最大非揮發性微粒物質質量排放指數EImass和最大非揮發性微粒物質數量排放指數EInum的推力來確定EImass和EInum。

對于在2020年1月1日或之后生產的某一類型或型號的額定推力大于26.7 kN的所有渦輪風扇和渦輪噴氣發動機國際適航法規對非揮發性顆粒物的排放要求為最大質量濃度特征值nvPMmass/（μg/m3）

目前各國適航當局根據ICAO要求（CAEP10）及相關行業標準制定了nvPM排放適航法規。其中歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）在CS-34第3修正案中根據國際民航公約附件16第2卷（第4版）新增了對發動機nvPM排放測量的要求，加拿大和巴西等國家也已經將nvPM排放要求（CAEP10）納入適航規章要求，目前FAA尚未將nvPM要求納入FAR-34部，中國CCAR-34部正在按照國際民用航空公約附件16第2卷（第4版）要求進行修訂。為了適應適航要求，開展非揮發性顆粒物排放采集測量技術研究十分必要。

目前國際上存在的3個航空發動機nvPM排放測量系統，分別是瑞士聯邦材料測試與開發研究所（Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology，Empa）的固定（后改移動）系統（Swiss fixed system，CHE），歐洲卡迪夫大學的移動系統（European mobile system by Cardiff University，EUR）以及北美密蘇里科技大學的移動系統（North American mobile system by Missouri University of Science andTechnolog，NAM），以上測試系統均符合SAE AIR6241標準規范的要求，3個測試系統結構如圖1所示。

圖1 Swiss（CHE）-North American（NAM）-European（EUR）測試系統結構

表1 [12]發動機推力設定

2 符合性驗證方法

顆粒物的組成成分十分復雜[14-15]，主要包括直接排放的一次顆粒物和以氣態形式排放到大氣中經過一系列物理化學過程生成的二次顆粒物。其中，一次顆粒物又可分為直接以固體形式排放的一次固態顆粒物和在高溫條件下為氣態，經過空氣稀釋、降溫后凝結為固態的一次凝結顆粒物[16]。而非揮發性顆粒物（nvPM）即一次顆粒物中直接以固體形式排放的一次固態顆粒物，是存在于燃氣渦輪發動機噴管出口截面、當加熱到350℃時不揮發的排放微粒。

最新研究表明[17]，對于典型的航空發動機，與總顆粒相比，直徑小于10 nm的的燃燒顆粒占比低于10%，直徑大于300 nm的占比低于0.01%。約90%以上的顆粒物直徑介于二者之間。

由于發動機排放顆粒物組成復雜，粒徑極小，nvPM排放測量系統需要采集具有代表性的航空發動機排氣樣品，在傳輸過程中要降低樣本中顆粒物質量濃度，同時去除氣體中非燃燒產生的大顆粒物質，最終通過測量儀器測量得到nvPM質量濃度和數量濃度。

為滿足nvPM適航規章要求，工業方需通過nvPM排放試驗向審定當局表明符合性，在對適航要求以及國內外排放測試標準進行充分研究后，本文歸納總結了滿足適航要求的符合性驗證方法。

（1）對測量設備進行符合性驗證，保證搭建的測量系統符合測試標準；

（2）對試驗系統和設備進行校準，保證測量結果的有效性；

（3）對測試發動機進行構型確認，確定測試發動機與發動機設計構型一致；

（4）檢查試驗方法及測試程序，確定測試程序符合測試標準；

（5）對試驗用油進行理化分析，確定測試用油符合測試標準；

（6）進行多臺份測試，對獲得的試驗數據按測試標準進行處理修正，提供符合測試標準的符合性判據。

符合性驗證技術路線如圖2所示。

圖2 適航符合性驗證路線

2.1 試驗系統搭建

國際民用航空公約附件16卷Ⅱ和SAE ARP6320對非揮發性顆粒物采集測量系統做出了嚴格的要求，按照要求搭建標準化的nvPM采集測量系統是進行符合性驗證的第一步。ICAO推薦的測試規程中包含對測試設備（如采樣探針、采樣管路、溫度控制、分流器、稀釋器、旋風分離器、測量儀器等）的要求，對測試程序（如泄漏檢查、清潔檢查、反沖洗準備、測試準備、采樣過程、測量儀器校準等）的要求，同時對測試數據的記錄及計算分析方法等也有詳細描述。

非揮發性顆粒物質采樣測量系統如圖3所示。該系統主要包含3部分，分為5區：收集部分（1區）、傳輸部分（2、3和4區）和測量部分（5區）。為了減小顆粒物傳輸損失，采樣管路應盡可能避免彎折，同時采樣管路從探頭端部到測量儀進口處的總長度不得超過35 m。

圖3 [12]非揮發性微粒物質采樣測量系統

收集部分主要包括采樣耙和連接管路，用于采集具有代表性的航空發動機排氣樣本并將樣本從采樣探頭輸送至分流器1，總長度不得超過8 m；傳輸部分分為2、3、4區，主要包括分流器1、壓力控制閥、隔離閥、稀釋器、稀釋氣體加熱器、旋風分離器、分流器2，加熱連接管路等部件，用于將樣本氣體傳輸至測量儀器，并降低樣本中顆粒物質量濃度，同時去除氣體中非燃燒產生的大顆粒物質；測量部分主要包括nvPM質量測量儀、nvPM數量測量儀、揮發性顆粒物去除器、CO2分析儀、主泵、流量控制器等部件，用于測量樣本氣體中nvPM的質量濃度和數量濃度，并通過主泵和流量控制器控制管路中流入測量儀器的氣體流量。

在采集測量系統中，最重要的部分是nvPM測量分析儀器[18-19]。對于nvPM質量濃度測量，目前可用的測量方法包括燃燒分析法、光吸收光度法以及激光誘導白熾。數量濃度測量包含2部分，揮發性微粒去除器內含稀釋系統和去除揮發性物質的設備，用來去除揮發性顆粒物并將微粒數量濃度進一步稀釋到數量測量儀量程范圍內。而顆粒物數量濃度測量儀使用的是微粒冷凝計數器，用于對非揮發性顆粒物數量濃度進行測量。

2.2 試驗系統和設備校準

為了保證測量結果的準確性和有效性，需要對試驗系統和測量設備進行校準，包括對nvPM質量濃度測量儀、nvPM數量濃度測量儀，以及揮發性微粒去除器等，采用ICAO推薦的校準方法，在具備相應資質的實驗室進行校準。具體校準程序見第2.5節。

2.3 試驗發動機構型確認

在進行發動機測量試驗前，需要對試驗發動機構型進行確認，確保試驗發動機構型與取證發動機設計型號保持一致。通過建立基準標準發動機性能模型，確定發動機性能參數，為排放試驗和測量結果修正提供參考。

2.4 試驗用燃油規范

由于試驗用油對發動機顆粒物排放生產具有重大影響，為保證測量結果的規范性，每次試驗前確定試驗用油是否符合燃油規范是nvPM排放測試適航取證符合性驗證工作中不可缺少的一環。

測試期間使用的燃油應符合表2中的燃油規范。在每次測試前，均應對試驗用燃油進行取樣，由具備相應測量分析資質的實驗室進行理化分析，評估其是否符合規范。

表2 試驗用燃油規范

2.5 試驗程序

為了保證測量過程的規范性，按照要求搭建試驗測量系統后，在試驗前需要進行一系列的準備工作。

（1）反沖洗檢查：在發動機起動和關閉時對1區進行，用于去除采樣探頭和管路中殘留的未燃燒燃料。

（2）滲漏檢查：用于確定收集部分和氣體管路是否滲漏，檢查要求滲漏流速應小于0.4L/min。

（3）清潔度檢查：用于確定收集部分和氣體管路是否存在顆粒物殘留，要求30 s平均非揮發性微顆粒物質量濃度應小于1 μg/m3，30 s平均非揮發性顆粒物數量濃度應小于2.0微粒/cm3。

（4）外界微粒測量：應在發動機測試前后獲取代表發動機空氣進口處情況的外界非揮發性微粒物質質量和數量濃度，所報告的值應為2次測量結果的平均值。

（5）測量儀器校準：應每年由具備相關資質的實驗室對nvPM質量測量儀、數量測量儀、CO2分析儀等測量儀器進行校準，以便符合規定的性能要求。

（6）揮發性微粒去除器稀釋因子（DF2）校準：應按照揮發性微粒去除器制造商的規定，在揮發性微粒去除器的每個稀釋設定值對DF2進行校準。

（7）碳平衡檢查：將依據測量CO2質量濃度估算出的空氣/燃料比與基于試驗發動機性能參數計算得到的空氣/燃料比進行對比，要求二者在滑行/地面慢車模式下差異不超過±15%以及在其他運行模式下差異不超過±10%。

試驗應在所有儀器和樣本傳輸管路預熱并達到穩定之后進行，同時應對非揮發性顆粒物質量儀/數量測量儀進行制造商所建議的可操作性檢查，當發動機運行和測量的非揮發性微粒物質及[CO2]dil1濃度在所要求的推力設定值穩定后，應將至少30 s的數據平均后記錄下來。

2.6 數據處理

型號取證過程需要獲得1臺或多臺具有代表性的發動機在著陸起飛循環4個推力設定值（滑行/地面慢車7%、進近30%、爬升85%、起飛100%）下的排放數據。同時，為了得到最終的符合性判據，將試驗數據按照定義的公式進行處理分析。nvPM質量濃度為

式中：kthermo為熱泳損失修正因子。

在非揮發性微粒物質采樣和測量系統中，微粒會因沉積機理而損失在采樣系統管壁上。熱泳損失與粒徑不相關；非揮發性微粒物質采樣和測量系統的整體微粒損失（收集部分的熱泳損失除外）被稱為系統損失，與粒徑相關。熱泳損失修正因子為

式中：T1為稀釋器1進氣管壁溫度；TEGT為發動機排氣溫度，通常T1＜TEGT，即kthermo＞1。

對于系統損失修正，制造商只需采用ICAO附件16卷Ⅱ附錄8所述的方法確定非揮發性微粒物質質量和非揮發性微粒物質數量系統損失修正因子（kSL_mass和kSL_num），并向審定當局報告，無需對試驗測量結果進行系統損失修正。

非揮發性微粒物質質量和數量排放指數為

式中：EImass_STP、EInum_STP分別為測量得到的非揮發性微粒物質質量、數量濃度；DF1、DF2分別第1、2階段稀釋因子；kthermo為熱泳損失修正因子；N[CO2]dil1為第1稀釋階段后樣氣中的二氧化碳體積濃度；N[CO]為樣氣中一氧化碳的體積濃度；N[CO]為樣氣中未燃碳氫化合物氣體的體積濃度；N[CO2]b為空氣中的二氧化碳體積濃度；MC=12.011，為碳原子質量；MH=1.008，為氫原子質量；α為燃料的原子氫碳比。

為了保證測量結果可靠，要求至少做3次發動機測試，可使用1臺或多臺發動機進行。在符合性程序中規定，所有測試中的最大非揮發性微粒物質質量濃度值的平均值使用由測試發動機數量i所確定的適當系數轉換成某一特征值后，才能與規定數值比較，從而判斷顆粒物排放是否符合適航要求。用于確定非揮發性微粒物質質量濃度特征值的系數見表3。制造商可結合試驗測量成本和實際測量結果綜合考慮選擇測試發動機數量。

表3 用于確定非揮發性微粒物質質量濃度特征值的系數

2.7 誤差分析

利用nvPM排放測量系統可以對燃氣渦輪發動機排氣顆粒的數量、質量進行定量分析。這些儀器被工業界、學術界和政府研究機構廣泛接受，可以作為實驗室或移動系統在燃燒室或渦輪發動機出口平面附近的困難條件下運行。使用這種提取取樣技術，必須特別考慮取樣系統，以盡量減小將排氣微粒運送到測量儀器時的損失。

同時，由于非揮發性顆粒物質采樣和測量系統的實施需要最長35 m的采樣管路，并且包含若干采樣和測量系統組件，會導致大量的微粒損失，其中非揮發性微粒物質質量可能損失約50%，非揮發性微粒物質數量可能損失約90%。包括與顆粒物粒徑無關的熱泳損失和與顆粒物粒徑相關的系統損失，其中熱泳損失在數據處理中已經考慮了，所以只需單獨對系統損失進行分析。

3 總結與展望

本文對nvPM排放標準進行了介紹，結合國際民航組織和SAE推薦的非揮發性顆粒物采集測量系統搭建和測量程序，歸納總結了nvPM排放適航符合性驗證方法，包括驗證路線、nvPM測試系統搭建、測試程序以及后處理等，為搭建nvPM測試系統和開展nvPM測試奠定基礎，指導制造商向審定當局表明nvPM排放的符合性。

目前，國外主航空發動機設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）均有可供使用的成熟的非揮發性顆粒物采集和測量系統，以滿足排放適航驗證需求，而中國尚未建立起航空發動機非揮發性顆粒物采集和測量系統，高等院校和研究所大多也未對該問題進行深入研究。為了滿足中國航空產業國際化發展以及排放適航要求，提高在國際民航環境保護領域的話語權，對非揮發性顆粒物采集和測量系統進行研究十分迫切和必要。由于中國尚無符合適航要求的顆粒物排放測試分析系統和流程規范可借鑒，nvPM排放測量標準研究仍然存在一些疑問和難點。主要包括：

（1）在nvPM排放測量中要求采集具有代表性的樣氣，但并未明確指出如何表明樣氣的代表性，問題的焦點主要聚集在采樣耙的設計制造方案上，未來需加快對采樣耙的研制；

（2）在nvPM排放采集測量過程中，對傳輸管路幾何結構和溫度做出了嚴格規定，但并沒有說明采樣管路幾何特征及溫度對樣氣傳輸損失的影響，為了加深對標準中管路幾何結構和溫度要求的理解，在今后的試驗研究中需重點關注；

（3）由于中國商用航空發動機產業起步較晚，缺乏nvPM排放測量經驗，也沒有相應的顆粒物測量設備，在國產發動機研制過程中，可推動中國供應商對顆粒物測量設備的研制。