劉來，沈蘇華，宋建宇，王杰

（1.中國航發(fā)商用航空發(fā)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(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，航空器排放污染對大氣環(huán)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(fā)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(chǎn)生持續(xù)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(huán)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(tài)污染物的排放，以及煙霧的排放（以煙度SN報告）[6]。其中發(fā)煙指數(shù)（Smoke Number，SN）測量是為了確保飛機發(fā)動排氣能見度符合適航標準而開發(fā)的，不提供環(huán)境影響評估所需的關于顆粒物數(shù)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(jīng)無法滿足對發(fā)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(fā)動機非揮發(fā)性顆粒物（non-volatile Particulate Matter，nvPM）排放的新監(jiān)管標準（CAEP/10）。在制定nvPM質量和數(shù)量排放的監(jiān)管標準之前，飛機發(fā)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(fā)動機氣體和顆粒物排放測量委員會為飛機發(fā)動機nvPM質量和數(shù)量測量制定了標準化協(xié)議[7-8]，國際民用航空組織在此基礎上制定發(fā)布了附件16《環(huán)境保護》第Ⅱ卷《航空器發(fā)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(fā)性顆粒物排放測試做出了較為詳細的規(guī)定，但由于中國商用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏相關測試經(jīng)驗，目前中國還沒有成熟的nvPM測量系統(tǒng)。國外主航空發(fā)動機設備制造商研發(fā)制造體系成熟，擁有多種型號產(chǎn)品，目前國際上存在3個符合標準化規(guī)范的航空發(fā)動機nvPM排放測量系統(tǒng)，可供歐美主航空發(fā)動機設備制造商產(chǎn)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(tǒng)的測試結果，發(fā)現(xiàn)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(guī)程，總結了用于航空發(fā)動機非揮發(fā)性顆粒物排放測量適航取證的符合性驗證方法。

1 適航規(guī)章要求

為了控制飛機發(fā)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(jù)ICAO排放標準制定了相應的適航排放法規(guī)，以期在航空發(fā)動機設計制造階段貫徹落實排放要求。

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

對于在2020年1月1日或之后生產(chǎn)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(fā)動機國際適航法規(guī)對非揮發(fā)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(jù)ICAO要求（CAEP10）及相關行業(yè)標準制定了nvPM排放適航法規(guī)。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(jù)國際民航公約附件16第2卷（第4版）新增了對發(fā)動機nvPM排放測量的要求，加拿大和巴西等國家也已經(jīng)將nvPM排放要求（CAEP10）納入適航規(guī)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(fā)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(fā)動機nvPM排放測量系統(tǒng)，分別是瑞士聯(lián)邦材料測試與開發(fā)研究所（Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology，Empa）的固定（后改移動）系統(tǒng)（Swiss fixed system，CHE），歐洲卡迪夫大學的移動系統(tǒng)（European mobile system by Cardiff University，EUR）以及北美密蘇里科技大學的移動系統(tǒng)（North American mobile system by Missouri University of Science andTechnolog，NAM），以上測試系統(tǒng)均符合SAE AIR6241標準規(guī)范的要求，3個測試系統(tǒng)結構如圖1所示。

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

表1 [12]發(fā)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(tài)形式排放到大氣中經(jīng)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(tài)顆粒物和在高溫條件下為氣態(tài)，經(jīng)過空氣稀釋、降溫后凝結為固態(tài)的一次凝結顆粒物[16]。而非揮發(fā)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(tài)顆粒物，是存在于燃氣渦輪發(fā)動機噴管出口截面、當加熱到350℃時不揮發(fā)的排放微粒。

最新研究表明[17]，對于典型的航空發(fā)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(fā)動機排放顆粒物組成復雜，粒徑極小，nvPM排放測量系統(tǒng)需要采集具有代表性的航空發(fā)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(chǎn)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(shù)量濃度。

為滿足nvPM適航規(guī)章要求，工業(yè)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(tǒng)符合測試標準；

（2）對試驗系統(tǒng)和設備進行校準，保證測量結果的有效性；

（3）對測試發(fā)動機進行構型確認，確定測試發(fā)動機與發(fā)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(shù)據(jù)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(jù)。

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(tǒng)搭建

國際民用航空公約附件16卷Ⅱ和SAE ARP6320對非揮發(fā)性顆粒物采集測量系統(tǒng)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(tǒng)是進行符合性驗證的第一步。ICAO推薦的測試規(guī)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(shù)據(jù)的記錄及計算分析方法等也有詳細描述。

非揮發(fā)性顆粒物質采樣測量系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)主要包含3部分，分為5區(qū)：收集部分（1區(qū)）、傳輸部分（2、3和4區(qū)）和測量部分（5區(qū)）。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(fā)性微粒物質采樣測量系統(tǒng)

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(fā)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(qū)，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(chǎn)生的大顆粒物質；測量部分主要包括nvPM質量測量儀、nvPM數(shù)量測量儀、揮發(fā)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(shù)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(tǒng)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(shù)量濃度測量包含2部分，揮發(fā)性微粒去除器內含稀釋系統(tǒng)和去除揮發(fā)性物質的設備，用來去除揮發(fā)性顆粒物并將微粒數(shù)量濃度進一步稀釋到數(shù)量測量儀量程范圍內。而顆粒物數(shù)量濃度測量儀使用的是微粒冷凝計數(shù)器，用于對非揮發(fā)性顆粒物數(shù)量濃度進行測量。

2.2 試驗系統(tǒng)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(tǒng)和測量設備進行校準，包括對nvPM質量濃度測量儀、nvPM數(shù)量濃度測量儀，以及揮發(fā)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(jié)。

2.3 試驗發(fā)動機構型確認

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

2.4 試驗用燃油規(guī)范

由于試驗用油對發(fā)動機顆粒物排放生產(chǎn)具有重大影響，為保證測量結果的規(guī)范性，每次試驗前確定試驗用油是否符合燃油規(guī)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(huán)。

測試期間使用的燃油應符合表2中的燃油規(guī)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(guī)范。

表2 試驗用燃油規(guī)范

2.5 試驗程序

為了保證測量過程的規(guī)范性，按照要求搭建試驗測量系統(tǒng)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(fā)動機起動和關閉時對1區(qū)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(fā)性微顆粒物質量濃度應小于1 μg/m3，30 s平均非揮發(fā)性顆粒物數(shù)量濃度應小于2.0微粒/cm3。

（4）外界微粒測量：應在發(fā)動機測試前后獲取代表發(fā)動機空氣進口處情況的外界非揮發(fā)性微粒物質質量和數(shù)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(shù)量測量儀、CO2分析儀等測量儀器進行校準，以便符合規(guī)定的性能要求。

（6）揮發(fā)性微粒去除器稀釋因子（DF2）校準：應按照揮發(fā)性微粒去除器制造商的規(guī)定，在揮發(fā)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(jù)測量CO2質量濃度估算出的空氣/燃料比與基于試驗發(fā)動機性能參數(shù)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(wěn)定之后進行，同時應對非揮發(fā)性顆粒物質量儀/數(shù)量測量儀進行制造商所建議的可操作性檢查，當發(fā)動機運行和測量的非揮發(fā)性微粒物質及[CO2]dil1濃度在所要求的推力設定值穩(wěn)定后，應將至少30 s的數(shù)據(jù)平均后記錄下來。

2.6 數(shù)據(jù)處理

型號取證過程需要獲得1臺或多臺具有代表性的發(fā)動機在著陸起飛循環(huán)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(shù)據(jù)。同時，為了得到最終的符合性判據(jù)，將試驗數(shù)據(jù)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(fā)性微粒物質采樣和測量系統(tǒng)中，微粒會因沉積機理而損失在采樣系統(tǒng)管壁上。熱泳損失與粒徑不相關；非揮發(fā)性微粒物質采樣和測量系統(tǒng)的整體微粒損失（收集部分的熱泳損失除外）被稱為系統(tǒng)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(fā)動機排氣溫度，通常T1＜TEGT，即kthermo＞1。

對于系統(tǒng)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(fā)性微粒物質質量和非揮發(fā)性微粒物質數(shù)量系統(tǒng)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(tǒng)損失修正。

非揮發(fā)性微粒物質質量和數(shù)量排放指數(shù)為

式中：EImass_STP、EInum_STP分別為測量得到的非揮發(fā)性微粒物質質量、數(shù)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(fā)動機測試，可使用1臺或多臺發(fā)動機進行。在符合性程序中規(guī)定，所有測試中的最大非揮發(fā)性微粒物質質量濃度值的平均值使用由測試發(fā)動機數(shù)量i所確定的適當系數(shù)轉換成某一特征值后，才能與規(guī)定數(shù)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(fā)性微粒物質質量濃度特征值的系數(shù)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(fā)動機數(shù)量。

表3 用于確定非揮發(fā)性微粒物質質量濃度特征值的系數(shù)

2.7 誤差分析

利用nvPM排放測量系統(tǒng)可以對燃氣渦輪發(fā)動機排氣顆粒的數(shù)量、質量進行定量分析。這些儀器被工業(yè)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(tǒng)在燃燒室或渦輪發(fā)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(tǒng)，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(fā)性顆粒物質采樣和測量系統(tǒng)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(tǒng)組件，會導致大量的微粒損失，其中非揮發(fā)性微粒物質質量可能損失約50%，非揮發(fā)性微粒物質數(shù)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(tǒng)損失，其中熱泳損失在數(shù)據(jù)處理中已經(jīng)考慮了，所以只需單獨對系統(tǒng)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(fā)性顆粒物采集測量系統(tǒng)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(tǒng)搭建、測試程序以及后處理等，為搭建nvPM測試系統(tǒng)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(fā)動機設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）均有可供使用的成熟的非揮發(fā)性顆粒物采集和測量系統(tǒng)，以滿足排放適航驗證需求，而中國尚未建立起航空發(fā)動機非揮發(fā)性顆粒物采集和測量系統(tǒng)，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(chǎn)業(yè)國際化發(fā)展以及排放適航要求，提高在國際民航環(huán)境保護領域的話語權，對非揮發(fā)性顆粒物采集和測量系統(tǒng)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(tǒng)和流程規(guī)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(guī)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(fā)動機產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏nvPM排放測量經(jīng)驗，也沒有相應的顆粒物測量設備，在國產(chǎn)發(fā)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。