航空發動機非揮發性顆粒物排放適航標準與審定

楊曉軍 柳笑寒 常嘉文

摘要：現行的煙霧排放標準在過去的幾十年中很好地限制了民航的航空發動機尾氣排放，但其并沒有對顆粒物排放進行直接的限制。國際民航公約附件16第2卷“航空發動機排出物”中第4章對顆粒物制定了排放標準。2016年，頒布了由發煙指數轉化而來的非揮發性顆粒物（nvPM）質量濃度標準作為過渡，并在后續研究眾多方面因素影響并修正后頒布了起降循環nvPM質量與數量標準。采取使用特征系數計算特征水平的方法表明發動機排放符合監管水平。研究國際民航組織對顆粒物排放的正式標準與符合性審定程序，對我國CCAR-34部的修訂與未來自主研發發動機的適航審定工作有著積極意義。

關鍵詞：航空發動機；顆粒物排放；排放標準；起降循環；適航審定

中圖分類號：X513文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.004

基金項目：中國民航大學省部級科研機構開放基金項目（CESCA2019Y05）

民航業的快速發展，伴隨而來的是對于環境的影響。尾氣顆粒物主要包括非揮發性顆粒物、揮發性硫酸鹽顆粒物與揮發性有機顆粒物三種，是航空發動機的主要污染物排放之一，對環境與人體健康有著較大危害[1]。非揮發性顆粒物（non-volatile particulate matter， nvPM）定義為當加熱到350℃的溫度時不揮發的排放顆粒。這些顆粒物也稱為“超細粉塵”或“炭黑”顆粒。非揮發性顆粒物在發動機尾噴口處是高溫的，當其在飛機后方進行摻混時其數量并不發生改變，并提供了低沸點氣態排出物的冷凝表面，因此非揮發性顆粒物也在揮發性顆粒物的形成中扮演了很重要的角色。

國際民航組織（ICAO）于20世紀60年代在國際民航公約附件16第2卷《航空發動機排出物》中制定了渦輪發動機煙霧排放要求。發煙指數的標準很好地限制了大尺寸顆粒物的排放，但是現在已經無法適用于目前的航空發動機，用來控制細小顆粒物的排放。所以ICAO制定了nvPM的質量濃度標準作為過渡，并正制定和完善著陸與起飛循環（LTO）內nvPM質量和數量排放標準。本文介紹了nvPM標準制定的背景，具體分析了nvPM質量與數量標準的各方面修正以及審定的符合性程序，為我國民航局推進CCAR-34部的修訂工作提供一定的參考[2]。

1 nvPM排放標準制定背景

為了限制早期商業飛機排放的“黑色煙霧”，控制機場附近的空氣質量，ICAO制定了煙霧排放標準，并于20世紀70年代開始，要求在航空渦輪發動機的適航審定中測試發煙指數。該標準和審定要求使得現代發動機尾氣排放幾乎透明，實質是大大降低了大尺寸顆粒物的排放。事實證明，發煙指數的測試要求已經起到很好的效果，也很有可能降低了顆粒物質量排放[3]。但是發煙指數的測量并不是絕對意義上的質量測量，對小尺寸的顆粒物排放無法限制，該要求并不能很好地評估現代發動機的顆粒物排放，更不能用來降低未來發動機的顆粒物排放。所以開發一種定量化發動機nvPM排放方法勢在必行。

為有效控制發動機排放的細顆粒物，2010年，ICAO下屬的技術支持機構航空環境保護委員會（CAEP）會議決定，開始研究制定發動機顆粒物排放標準。現有的煙霧排放要求是在LTO循環的4個推力級別下選最大的發煙指數，將其與標準值進行對比；而nvPM標準會綜合考慮4個功率級別，從技術性、經濟性、環保性等方面研究制定，并且要考慮顆粒物的數量和質量濃度，比煙霧標準的可視化要求更為深入。

2013年，CAEP啟動了面向渦輪發動機的nvPM排放適航審定標準的制定工作，該標準也是對煙霧排放要求的擴展和延伸。但是完成一個嚴密的標準制定需要時間以及龐大的工作量，所以在2013年CAEP會議決定在CAEP/10期間內完成nvPM的過渡性標準制定，用于取代過去的煙霧排放標準，于2016年頒布。其實質是在建立nvPM與煙霧之間關系的基礎上，將nvPM排放標準轉化為傳統的煙霧排放標準，并允許收集nvPM質量濃度數據以創建法規框架，為后續頒布正式標準打下基礎。因此，滿足之前的煙霧排放標準的發動機都滿足該過渡標準。該標準適用范圍是額定推力>26.7kN的發動機，適用日期是2020年1月1日。發煙指數標準的適用終止日期為2023年1月1日[4]。

2014年決定在CAEP/11期間完成對渦輪發動機完整nvPM標準的制定工作。標準與修正內容在下一節詳細介紹。

2 nvPM排放標準與修正

2.1過渡性標準

過渡性標準是在新的nvPM標準制定完成之前，在煙霧與nvPM標準關系的基礎上，建立的發動機的最大粒子質量濃度與發煙指數之間的關系。將各發動機制造商上報的顆粒物質量濃度和發煙指數的數據擬合轉化，得到nvPM質量濃度的監管要求：

2.2 LTO循環

以往的排放標準制定主要考慮污染物對當地空氣質量的影響，nvPM排放標準的制定卻是基于著陸與起飛循環（LTO）的。設定LTO循環的依據是機場周圍的航空排放高度通常低于916m，該循環由4個階段組成，分別為滑行、進近、爬升和起飛。發動機在測試nvPM排放量時對于不同階段按特定的推力和運行時間進行，從而確定nvPM質量排放指數（EImass）和nvPM數量排放指數（EInum）[5-6]。各階段額定推力百分比與運行時間見表1。

2.3度量體系

nvPM的排放量由LTO階段的運行時間、燃油流量以及排放指數三者乘積得到。對于額定推力>26.7kN的發動機的LTO循環標準的nvPM質量和數量排放，通過給定發動機的額定推力進行標準化，測量發動機的LTO的nvPM質量和數量排放，并相對于額定推力對比。度量值如下所示。

2.4系統損失修正和環境修正

nvPM采樣和測量系統的整體顆粒損失（收集部分的熱泳損失除外）被稱為系統損失。與在密閉系統中的廢氣排放相比，任何顆粒測量系統都會在采樣系統中產生誤差，從而導致儀器測定的nvPM度量值始終低于發動機出口平面的nvPM的度量值。主流的顆粒損失機理認為與顆粒大小有關，并且nvPM數量的損失高于nvPM質量。與較小的粒子相比，較大的粒子穿透性更好。但是，較大的顆粒對nvPM質量的影響更大[8]。例如，一臺發動機比另一臺發動機排放普遍較大的顆粒，這臺發動機在儀表上會報告更高的nvPM數值，盡管它在發動機出口平面的nvPM值數量級相似。

目前根據數據分析得到的情況，當前的采樣測量系統無法對系統損失進行有把握的修正。同時指出，不修正系統損失可能會導致發動機度量值之間的某些偏差，特別是對排放量的偏差。但由于以下兩種原因，在嚴酷度選項的開發中未考慮這種潛在的偏差。（1）發動機的審定度量值取決于其自身性能，而不取決于另一個發動機的相對性能；（2）不解決這種潛在偏差可能對制造商生產出排放更小顆粒的發動機是一種鼓勵。

因此，擬議的CAEP/11 LTO nvPM標準的度量系統不包括系統損失修正，同時考慮了環境修正。對于測試中環境因素的影響，CAEP評估了兩種對環境因素修正的方法，結果表明修正方法還不完善，需要進一步的分析。并且發現采用GE燃燒室數據制定的修正不足以使在不同環境條件下測量的數據重合。因此，目前暫未對源自環境條件的變化帶來的誤差做出修正。但考慮到未修正引起的誤差，CAEP給nvPM質量和數量值設立了一條誤差帶，對于nvPM質量的量級為±10%，nvPM數量的量級為±30%[9]。

2.5燃油成分修正

nvPM的排放量隨著燃油成分的變化而變化，而燃油中的氫含量是影響nvPM排放的重要參數。為了制定能消除燃料特性影響的統一的nvPM質量和數量標準，第三工作組/顆粒物質任務組就使用修正系數來區別不同性質的燃料，其中使用燃料氫含量作為參數。2018年CAEP指導小組會議同意了方法的制定和最終修正公式，使用以下方程將測量的nvPM質量和數量排放指數修正為13.8%質量的燃料氫含量參考值，從而將nvPM排放值標準化為嚴酷度選項開發的參考燃料的排放值[10]。

2.6嚴酷度選項

航空環境保護委員會第三工作組/顆粒物質任務組（WG3/PMTG）為nvPM質量和數量制定了嚴酷度選項，并經2017年CAEP指導小組會議同意。對于在產發動機（在2023年1月1日前申請型號合格證的發動機），WG3為nvPM質量和數量各開發了一個嚴酷度選項，建議從2023年1月1日開始適用。在產發動機嚴酷度選項是防倒退的，即需要讓所有在產發動機滿足此嚴酷度選項[9]。

設計上為了讓嚴酷度選項高于發動機在推力范圍內排放值誤差帶之上，選擇89kN和200kN作為nvPM質量嚴酷度選項曲線的轉折點，使全部推力范圍內的點與嚴酷度選項具有一定的裕度。考慮到一些小型發動機較高的排放值，嚴酷度選項的限制值隨著推力的增加而減小，直到200kN時，限制值為恒定值。而在CAEP/11-WP77中加入了俄羅斯的nvPM質量排放數據后發現高于擬定的嚴酷度選項，所以在CAEP/11進行了修訂，放寬了nvPM質量嚴酷度選項的標準。WG3根據同樣的設計方法確定200kN作為nvPM數量嚴酷度選項曲線的轉折點，加入俄羅斯的nvPM數量排放數據后發現其滿足擬定的嚴酷度選項，因此無須調整。

對于新機型發動機（在2025年1月1日后申請型號合格證的發動機），為nvPM質量開發了5個嚴酷度選項，為nvPM數量開發了三個嚴酷度選項，建議從2025年1月1日開始適用。在對不同技術的發動機排放數據集進行數據擬合并降低了額定推力小于89kN的發動機排放限值的嚴酷度后，選擇150kN作為nvPM質量和數量嚴酷度選項曲線的轉折點，使嚴酷度適中。5條質量嚴酷度選項曲線，額定推力大于150kN的發動機，排放限制值從NT-1（250mg/kN）按0%、16%、44%、72%和82%的百分比降低；額定推力小于150kN的發動機，嚴酷度選項為其提供了更大的裕度。分析表明，nvPM質量的減小不會導致數量類似的減少，所以數量嚴酷度選項曲線僅為影響NT-1至NT-3的質量嚴酷度選項曲線開發三條，兩條額外的質量嚴酷度選項是因為目前對質量排放的理解更深。額定推力大于150kN的發動機，數量排放限制值從NT-1（3×105#/kN）按0%、33%和66%的百分比降低。同樣對額定推力小于150kN的發動機其嚴酷度放寬。圖1為在產與新機型發動機nvPM質量排放嚴酷度選項，圖2為nvPM數量排放嚴酷度選項。

2.7發動機個體差異

在對發動機排放進行適航審定測試時，制定污染物排放的特征值需要來自大量的發動機的測試數據。而制造商出于成本考慮，提供的發動機樣本容量很小，而發動機個體之間的差異會影響審定測試的結果。

在1977—1979年期間，國際民航組織制定了航空發動機氣態排出物的特征系數，使用特征系數將采樣與測量得到的排放值轉換為特征水平，來驗證氣態排出物的符合性。特征系數的制定實際上是一項統計分析，取決于測試的發動機的數量，以高置信度證明發動機樣本排放能代表總體排放的平均值，并且平均值低于監管限制即可表明符合性。制定特征系數需要變異系數。

2017年霍尼韋爾測試了25臺同類型發動機，采集了排放數據，并參考煙霧排放標準中特征系數的制定方法，將nvPM質量與數量變異系數制定為20%，得出特征系數（見表2）[11]。

2.8監管水平

CAEP/10會議決定，將nvPM標準的嚴酷度制定在較低水平，但將適用日期提前到2023年1月1日，這樣就可以基于審定當局獲得的nvPM排放數據更早地對nvPM排放標準進行審查和更新。CAEP/11通過了正式的nvPM排放標準，并強調將在2022年的CAEP/12會議上審查該標準，即是否啟動nvPM標準的嚴格化工作。標準見表3、表4。

3 nvPM排放符合性的適航審定程序

nvPM排放適航審定的符合性程序采取與氣態排出物相同的方法，采取將測量和計算得到的排放值轉換為特征水平的方法，將得到的特征水平與監管限制進行比較。各個推力設定下的nvPM監管限制必須能以高置信度表明，所測試型別的任何一臺發動機不超出標準。如果特征水平低于監管限制，那么適航當局應頒發合格證書[11]。特征水平是對測量得到的nvPM質量和數量排放值的平均值[12]，經過采樣系統采集部分的熱泳損失修正和各自的燃油成分修正，再除以與測試發動機數量相對應的特征系數，得到的值即為特征水平。在測量和計算nvPM質量和數量的排放值時，受到度量體系中三方面因素的影響，即時間、燃油流量以及排放指數。nvPM質量和數量排放指數代表的是經過各自的稀釋因子、收集部分熱泳損失和各自的燃料成分修正系數修正后的每千克燃油燃燒的發動機排氣顆粒物的質量和數量。采集部分的熱泳損失修正公式如下：

將經過上述修正過的同型別發動機的nvPM質量和數量排放測試數據取平均值，除以特征系數后得到的特征水平，不超過監管限制，則表明了該型別發動機的符合性。

4結束語

本文對民用航空發動機nvPM排放標準制定的背景、質量和數量標準的影響因素及監管限制、適航審定的符合性程序進行了總結。由于航空發動機顆粒物的排放對于機場附近環境與人體健康有著比較大的危害。因此，盡快完善nvPM質量與數量標準，盡早適用，可以很大程度上督促各航空公司加快機隊建設，鼓勵各航空發動機制造商生產在環境保護方面更有競爭力的產品。我國CCAR-34部中尚無對nvPM的限制。適時啟動對CCAR-34部規章的修訂工作，這對未來指導民用航空發動機適航審定工作有著重大意義。

參考文獻

[1]International Civil Aviation Organization. Airport air quality manual[S]. Montreal：International Civil Aviation Organization，2011.

[2]鄭海飛，陸軍.民用飛機持續適航工程數據的大數據視角[J].航空科學技術，2017，28（5）：53-58. Zheng Haifei， Lu Jun. The big data perspective on continued airworthiness engineering data of civil aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017，28（5）：53-58. （in Chinese）

[3]曹惠玲，馬永鋒，梁大敏，等.航空發動機煙霧排放的符合性驗證方法研究[J].中國民航大學學報，2011，29（5）：5-7. Cao Huiling， Ma Yongfeng， Liang Damin， et al. Substantiation study of aircraft engine smoke emission[J]. Journal of Civil Aviation University of China， 2011，29（5）：5-7. （in Chinese）

[4]International Civil Aviation Organization. Annex 16，Volume 2，new nvPM emission standard[S]. Montreal：International CivilAviation Organization，2016.

[5]曹惠玲，李玉銘，湯鑫豪.機場LTO循環顆粒物排放量評估方法研究[J].環境科學與技術，2019，42（8）：231-236. Cao Huiling， Li Yuming， Tang Xinhao. Study on evaluation method of LTO stage particulate emissions in airport[J]. Environmental Science & Technology， 2019，42（8）：231-236. （in Chinese）

[6]趙運生，顧衛群，闕建鋒，等.民用渦扇發動機起飛推力控制偏差分析[J].航空科學技術，2017，28（8）：34-38. Zhao Yunsheng， Gu Weiqun， Que Jianfeng， et al. Analysis of take-off thrust control deviation for civil turbofan engine[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 28（8）： 34-38. （in Chinese）

[7]雷明潔.航空器排放對機場大氣環境影響的研究[D].天津：中國民航大學，2017. Lei Mingjie. Research on the impact of aircraft emissions on the atmospheric environment of aerodrome[D]. Tianjin： Civil Aviation University of China， 2017. （in Chinese）

[8]Lobo P，Durdina L，Benjamin B T，et al. Comparison of standardized sampling and measurement reference systems for aircraft engine non-volatile particulate matter emissions[J]. Journal ofAerosol Science，2020，145：105557.

[9]Jacob S D，Rindlisbacher T. The landing and take-off particulate matter standards for aircraft gas turbine engines[R]. Montreal：International CivilAviation Organization，2019.

[10]Benjamin B T，Durdina L，Siegerist F，et al. Effects of fuel aromatic content on nonvolatile particulate emissions of an inproduction aircraft gas turbine[J]. Environmental Science & Technology，2015，49（22）：13149-13157.

[11]InternationalCivil AviationOrganization.Environmental technical manual，Volume 2，procedures for the emissions certification of aircraft engines[S]. Montreal：International CivilAviation Organization，2016.

[12]Lobo P，Durdina L，Smallwood G J，et al. Measurement of aircraft engine non-volatile pm emissions：results of the aviation-particleregulatoryinstrumentationdemonstration experiment（A-PRIDE）4 campaign[J]. Aerosol Science and Technology，2015，49（7）：472-484.（責任編輯余培紅）

作者簡介

楊曉軍（1980-）男，博士，教授。主要研究方向：發動機內部復雜流動與換熱、發動機排放。

Tel：022-24092415

E-mail：xiaojunyoung@hotmail.com

柳笑寒（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：航空發動機顆粒物排放

E-mail：2019012096@cauc.edu.cn

常嘉文（1991-）男，碩士研究生。主要研究方向：航空發動機顆粒物排放。

E-mail：924253094@qq.com

Airworthiness Standards and Certification Procedures for Non-volatile Particulate Matter Emissions from Aircraft Engines

Yang Xiaojun*，Liu Xiaohan，Chang Jiawen

Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： In the past decades， the current smoke number emission standard has well restricted the exhaust emissions of civil aviation aircraft engines， but it does not directly limit the particulate matter emissions. Chapter 4 of Annex 16， Volume 2 "aircraft engine emissions" to the Convention on International Civil Aviation， sets emission standards for particulate matter. In 2016， the non-volatile particulate matter mass concentration standard transformed from smoke number was issued as a transition， and the mass and number emission standard of non-volatile particulate matter in landing and take-off cycle was issued after many factors were affected and revised in the followup study. Using the characteristic factor to calculate the characteristic level shows that the engine emission meets the regulatory level. The study of ICAOs formal standards and compliance certification procedures for particulate matter emissions is of positive significance to the revision of CCAR-34 and airworthiness certification of self-developed engines in the future.

Key Words： aircraft engine； particulate matter emissions； emission standard； landing and take-off cycle； airworthiness certification