航空發動機排氣污染物控制與適航符合性研究

鄒 杰 顏 顏

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

隨著環保意識的加強，人們對民航飛機排放污染的關注程度也越來越高。據統計，民用航空活動排放已占人類溫室氣體排放總量的5%，且這一比例仍在快速增加，而商用飛機的排放污染主要來源于飛機的動力裝置，所以研制更加環保的發動機也成為各發動機供應商的目標。為保護環境，國際民航組織制定了一系列的民用飛機新的排放指標，對航空發動機的設計與制造提出了更高的要求。因此有必要充分了解排放規定及動力裝置排放水平的發展脈絡，合理權衡好兩者的關系，研究民用航空發動機排氣污染物的適航符合性驗證和分析方法將有助于新型環保飛機的研制。

航空發動機排放物一般包括煙和氣態排放物，氣態排放物包括未燃燒的碳氫化物(簡稱HC)、一氧化碳(簡稱CO)和氮氧化物(簡稱NOx)[1-2]。

發動機低功率狀態下燃料的不充分燃燒是未燃碳氫(簡稱UHC)和CO產生的主要原因。CO會降低人體紅細胞運輸氧氣的能力，高濃度CO可導致窒息甚至死亡。UHC不僅有毒，還是發生光化學反應的主要成分。NOx主要是在高功率狀態下大氣中的氮與氧化學反應產生。直接危害人體健康，同時是光化學煙霧和酸雨的主要形成因素。空中的氮氧化物的排放主要來源于航空飛行。在從地面到12 km高度以下的大氣平流層，是民航客機的飛行空間，航空發動機排放的氮氧化物中的二氧化氮會分解成一氧化氮和氧原子，氧原子與大氣中的氧氣反應會形成臭氧。高濃度的臭氧會導致呼吸系統疾病、視力損壞、頭痛以及過敏。尾流煙塵加劇低空大氣污染，在機場附近的煙塵排放嚴重影響工作人員和當地居民的身體健康，易誘發肺部疾病。對于軍機而言，排氣煙塵作為凝結核與水蒸汽凝結形成尾流污染帶極易暴露航跡，極大削弱了軍機的隱身能力[3-5]。

1 民用航空發動機排放指標

民用航空發動機的排放標準是由國際民航組織(簡稱ICAO)頒布的，具體文件內容位于ICAO的附錄16的第二卷，其主要針對民用飛機動力裝置的氮氧化物NOx，碳氫化物HC，一氧化碳CO和煙霧smoke的排放量進行限制。各國按照ICAO的標準，結合本國國情均制定了相關政策，如FAA頒布了FAR-34部對航空器發動機排放物進行適航審定規定。

排放限制條款由1986年開始實施，稱為CAEP/1階段，到2015年，已經開始執行CAEP/8階段。CAEP成立以來數次會議制定的標準(包括CAEP/2、CAEP/4、CAEP/6和CAEP/8)，對NOx的要求日趨嚴格，而對HC、CO和煙的排放要求基本沒有變化，這也是由于NOx危害較大且很難控制。在上述排放標準中，自CAEP/2開始的污染物排放要求比較高，以總壓比在30～40、推力大于89 kN的大型發動機來為例，CAEP/2標準所要求的NOx排放量比CAEP/1低20%，CAPE/4標準的NOx排放要求比CAEP/2的標準下降了約16%，CAEP/6標準的NOx排放要求比CAEP/4的規定值要低12%，而對于最新生效的CAEP/8標準來講，其NOx排放要求要比CAEP/6的規定值還要低15%，NOx排放要求趨勢見圖1。HC、CO和煙的排放要求始終停留在CAEP/1階段[6]，如圖2和表1所示。

表1 UHC和CO排放指標

圖1 國際民航組織NOx排放規定

圖2 煙塵排放規定

2 發動機排氣污染物控制技術

2.1 污染物生成原理

1)NOx

排氣中的NOx主要是指NO和二氧化氮(簡稱NO2)。產生方式主要有4種：實際燃燒過程中，由于高溫環境下空氣中的氮(簡稱N)與氧的反應形成的NO稱之為熱力NO(Thermal NO)；在燃料不含氮的情況下，在燃燒環境中所有不屬于熱力NO形成機理而產生的NO，稱為瞬發NO(Prompt NO)；在燃料含有機氮的情況下，在燃燒情況下形成的NO稱為燃料NO(Fuel NO)；另外，在高壓情況下，NO可由先生成的N2O轉變而來。在發動機燃燒室的出口，由上述機理形成的NO有相當一部分氧化成了NO2[6]。

2)冒煙(smoke)

排氣冒煙(smoke)，按照ICAO的定義，是排氣污染中的含碳物質，能夠阻擋光的傳播。燃燒室的排氣冒煙是主燃區內形成的碳煙(soot)以及在隨后的高溫區中被氧化后的一個結果。

3)CO

排氣中的CO由燃燒溫度和富氧程度兩個因素決定。在低功率情況下，燃燒區溫度低，將會有大量的CO產生，這是CO未完全氧化導致的。在燃燒區很富油情況下，同樣會產生大量CO，原因是CO2將會分解成CO。

4)未燃碳氫(簡稱UHC)

UHC源自于發動機燃燒室中未充分反應的碳氫化合物，以燃油蒸氣和燃油的小分子裂解產物甲烷或乙炔的形式排出大氣。從UHC形成的機理來看，更主要受物理因素的控制。

2.2 發動機減排技術

1)抑制CO和HC的排放

影響渦輪發動機CO和HC排放的因素基本相同，這是因為HC和CO的產生機制相近。主要減排方法有以下幾種：(1)采用技術手段如分區燃燒縮減主燃區空間，改善發動機低功率運行時燃油霧化率；(2)采用空氣霧化噴射技術取代傳統壓力噴嘴來提升燃油霧化率；(3)通過提高主燃區長度來延長燃燒停留時間，使燃燒更充分；(4)減少氣膜冷卻空氣量；(5)調整燃燒室內主燃區和值班燃燒區的空氣量，優化主燃區的油氣比接近于最優值[7]。

2)控制NOx的生成

縮短油氣在高溫區的駐留時間同時降低燃燒區的溫度是降低NOx排放的基本思路。具體措施有：(1)縮短油氣駐留時間，即控制氣體在高溫燃燒區的駐留時間盡可能短。通常采用縮短燃燒室長度同時增大主燃區氣流速度來實現最小駐留時間，從而抑制NOx生成；(2)采用貧油燃燒技術，通過降低主燃區溫度，可有效降低NOx生成，且燃燒區的當量比越貧越能降低NOx的排放，當然，其下限是貧油熄火極限；(3)在貧油燃燒環境下，提高油氣混合程度和燃油霧化率，保證均勻燃燒，消除燃燒室局部高溫區或過熱點，可以有效降低NOx生成。

3)降低排氣煙塵

降低排氣煙塵的關鍵在于優化燃燒室設計和燃料優選兩方面，主要減排措施有以下兩點：(1)優化燃燒室設計，防止產生局部富油區，隨著技術發展，傳統的壓力霧化噴嘴逐漸被空氣霧化噴嘴取代，能極大提高燃油霧化效率，這不僅可降低煙塵排放，對HC，CO和NOx的減排同樣有利。此外，為防止局部富油燃燒，主燃區一般采用貧油設計或化學當量比設計；(2)采用發煙指數低的燃料，燃油中芳香烴等大分子含量越多，燃燒過程中裂解成未燃燒的小分子燃油顆粒越多，發動機排氣冒煙隨之增加。所以，需選用低芳香烴油料或者補充合適的添加劑。這樣可以減弱碳結焦同時利于進一步氧化燃燒，從而減弱發動機排氣冒煙。

目前最主要的三種低污染燃燒技術分別是貧油預混預蒸發燃燒(LPP)、貧油直接混合燃燒(LDM)以及富油燃燒-焠熄-貧油燃燒技術(RQL)。普惠公司以RQL技術為基礎發展了TALON燃燒室，羅羅公司研發了第二階段燃燒室和第五階段燃燒室，而霍尼韋爾研發了SABER燃燒室，GE公司基于貧油燃燒技術研發并投入應用的雙環預混旋流器(TAPS)燃燒室[8-10]。以上低排放燃燒技術的應用，為符合ICAO排放標準的發動機研制提供了堅實的技術基礎。

4 航空發動機排放符合性驗證方法

4.1 LTO循環

ICAO和CCAR規定的發動機排放試驗是地面臺架試驗，是模擬在高度低于3 000 ft的機場附近，進行標準的飛機起落循環(LTO)操作，標準LTO循環是模擬飛機從高空降落至地面又重新復飛至高空的一個連續工作過程，ICAO規定的一個標準的LTO循環包含4個工作狀態，即慢車、進近、起飛和爬升。標準LTO循環場景如圖3所示。

圖3 國際民航組織規定的LTO循環

發動機排氣污染程度用Dp/F∞來定義，為LTO循環期間排放污染物的量與發動機額定推力之比，即：

Dp/F=∑WfjEIjtj/F

(1)

其中，Dp、Wfj、EIj、tj、F∞分別為LTO循環某階段排放污染總量、燃油流量、排放污染指數、運行時間和發動機額定功率。飛機發動機在標準LTO循環中各運行剖面的功率等級和運行時間規定如表2所示。F∞指在標準海平面(ISA)民用航空發動機以靜止狀態正常起飛時可用的最大功率或額定推力。

表2 航空發動機LTO循環

4.2 顆粒排放物煙霧(Smoke)符合性驗證方法

顆粒排放物煙霧(Smoke)規定是排氣污染物中的能夠阻擋光學傳播的含碳物質。煙霧排放測量的結果表達為發煙指數(Smoke Number)，發煙指數計算是測量通過燃氣的濾紙上的絕對反射率Rs以及干凈濾紙上的絕對反射率Rw得到的。計算公式如下：

(2)

煙霧排放測量系統如圖4所示，從設定狀態的發動機噴管排氣中通過探針采集樣氣，經過保溫管路后送入到測試部分，測試部分分為兩個管路系統，一個用于旁通，一個用于在規定的時間通過規定流量的樣氣。測量受到煙霧染污的濾紙反射率采用反射率計，應滿足美國國家標準協會(ANSI)對于漫反射密度的No.PH2.17/1977標準。因為與通過單位面積的樣氣質量W/A有函數關系，上述的實測值需要換算到一個標準的單位面積上的樣氣質量W/A，該數值是16.2 kg/m2。最后得到的數值是按照ICAO規定的發煙指數SN。

圖4 煙霧排放測量系統

4.3 氣態污染物評估方法符合性驗證方法

在發動機試車臺架上，在ICAO規定LTO循環中由燃氣分析采樣得到每個運行模式下的氣態污染物(HC、CO和NOx)體積濃度，燃氣成分分析系統的配置如圖5所示，從設定狀態的發動機噴管排氣中通過探針采集樣氣。

按照推薦的計算方法，計算出排放物指數EI(Emission Index)：

圖5 氣態污染物采樣系統

式(3)中，[ ]中的內容指排氣中測得的某成分體積濃度，M是分子量，T是大氣中CO2濃度，h為環境大氣的濕度，n/m是航空煤油中的氫/碳質量比，x、y是樣氣中碳氫化合物的碳原子和氫原子數目。一般來講，發動機試車的大氣條件不會參考大氣條件，因此將獲得的排放物指數EI換算到標準海平面大氣條件下，需要將上述測得的EI值乘以一個修正系數K。

將換算到標準大氣條件下的排放物指數，進一步按照ICAO規定的起飛著陸循環進行計算，得到標準海平面(ISA)起飛時航空發動機額定推力情況下單位推力(kN)的污染排放值，即LTO_Emission，單位是g/kN。計算如下式：

式(4)描述了每個規定的LTO運行階段下，相應的功率模式下污染排放指數，乘以每個模式的燃油消耗量和運行時間，即可得出每個模式下按照質量計量的污染排放量，將每個模式下的污染排放質量加在一起，除以標準海平面靜態起飛時的額定推力，即得到ICAO規定的污染排放量LTO_Emission。

5 結論

本文對ICAO的發動機排放物相關政策進行了梳理分析，研究了發動機排放物相關政策的背景與歷史沿革，展望了發動機排放物政策的發展趨勢，同時對發動機減排技術和飛機排放適航符合性驗證方法進行了介紹，形成以下結論：

1)近年來，民航業對航空器發動機排放物排放水平的關注日益提高，尤其是對NOx的排放要求更是日趨嚴格，發動機主制造商需對低排放燃燒技術進行持續攻關以適應未來規章要求；

2)低排放燃燒室的設計需要遵循燃燒的基本原理，也要兼顧滿足發動機的基本性能要求。可以通過貧油預混預蒸發技術(LPP)、RQL、分級燃燒等技術來對發動機排放和性能做一個適當的平衡；

3)本文介紹的基于LTO循環的民用航空發動機排放符合性驗證程序和計算方法包含氣態污染物評估和顆粒排放物的評估兩部分，可以通過發動機臺架試驗中分析采樣得到每個運行模式下的氣態污染物(HC、CO和NOx)體積濃度和顆粒污染物濃度，計算得出相應的功率模式下污染排放指數，乘以每個模式的燃油消耗量和運行時間，即可得出ICAO規定的污染排放量LTO_Emission。該方法合理有效，已被廣泛用于航空發動機排放符合性驗證，并可以推廣至燃氣輪機排放水平評估。