航空發(fā)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(huán)保意識的加強，人們對民航飛機排放污染的關(guān)注程度也越來越高。據(jù)統(tǒng)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(huán)保的發(fā)動機也成為各發(fā)動機供應商的目標。為保護環(huán)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(fā)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(guī)定及動力裝置排放水平的發(fā)展脈絡，合理權(quán)衡好兩者的關(guān)系，研究民用航空發(fā)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(huán)保飛機的研制。

航空發(fā)動機排放物一般包括煙和氣態(tài)排放物，氣態(tài)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(fā)動機低功率狀態(tài)下燃料的不充分燃燒是未燃碳氫(簡稱UHC)和CO產(chǎn)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(fā)生光化學反應的主要成分。NOx主要是在高功率狀態(tài)下大氣中的氮與氧化學反應產(chǎn)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(fā)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(tǒng)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?shù)鼐用竦纳眢w健康，易誘發(fā)肺部疾病。對于軍機而言，排氣煙塵作為凝結(jié)核與水蒸汽凝結(jié)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(fā)動機排放指標

民用航空發(fā)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(nèi)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(jié)合本國國情均制定了相關(guān)政策，如FAA頒布了FAR-34部對航空器發(fā)動機排放物進行適航審定規(guī)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(jīng)開始執(zhí)行CAEP/8階段。CAEP成立以來數(shù)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(fā)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(guī)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(guī)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(guī)定

圖2 煙塵排放規(guī)定

2 發(fā)動機排氣污染物控制技術(shù)

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(chǎn)生方式主要有4種：實際燃燒過程中，由于高溫環(huán)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(huán)境中所有不屬于熱力NO形成機理而產(chǎn)生的NO，稱為瞬發(fā)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(zhuǎn)變而來。在發(fā)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(zhì)，能夠阻擋光的傳播。燃燒室的排氣冒煙是主燃區(qū)內(nèi)形成的碳煙(soot)以及在隨后的高溫區(qū)中被氧化后的一個結(jié)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(qū)溫度低，將會有大量的CO產(chǎn)生，這是CO未完全氧化導致的。在燃燒區(qū)很富油情況下，同樣會產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(fā)動機減排技術(shù)

1)抑制CO和HC的排放

影響渦輪發(fā)動機CO和HC排放的因素基本相同，這是因為HC和CO的產(chǎn)生機制相近。主要減排方法有以下幾種：(1)采用技術(shù)手段如分區(qū)燃燒縮減主燃區(qū)空間，改善發(fā)動機低功率運行時燃油霧化率；(2)采用空氣霧化噴射技術(shù)取代傳統(tǒng)壓力噴嘴來提升燃油霧化率；(3)通過提高主燃區(qū)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(diào)整燃燒室內(nèi)主燃區(qū)和值班燃燒區(qū)的空氣量，優(yōu)化主燃區(qū)的油氣比接近于最優(yōu)值[7]。

2)控制NOx的生成

縮短油氣在高溫區(qū)的駐留時間同時降低燃燒區(qū)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(qū)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(qū)氣流速度來實現(xiàn)最小駐留時間，從而抑制NOx生成；(2)采用貧油燃燒技術(shù)，通過降低主燃區(qū)溫度，可有效降低NOx生成，且燃燒區(qū)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(huán)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(qū)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(guān)鍵在于優(yōu)化燃燒室設計和燃料優(yōu)選兩方面，主要減排措施有以下兩點：(1)優(yōu)化燃燒室設計，防止產(chǎn)生局部富油區(qū)，隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)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(qū)一般采用貧油設計或化學當量比設計；(2)采用發(fā)煙指數(shù)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(fā)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(jié)焦同時利于進一步氧化燃燒，從而減弱發(fā)動機排氣冒煙。

目前最主要的三種低污染燃燒技術(shù)分別是貧油預混預蒸發(fā)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(shù)(RQL)。普惠公司以RQL技術(shù)為基礎發(fā)展了TALON燃燒室，羅羅公司研發(fā)了第二階段燃燒室和第五階段燃燒室，而霍尼韋爾研發(fā)了SABER燃燒室，GE公司基于貧油燃燒技術(shù)研發(fā)并投入應用的雙環(huán)預混旋流器(TAPS)燃燒室[8-10]。以上低排放燃燒技術(shù)的應用，為符合ICAO排放標準的發(fā)動機研制提供了堅實的技術(shù)基礎。

4 航空發(fā)動機排放符合性驗證方法

4.1 LTO循環(huán)

ICAO和CCAR規(guī)定的發(fā)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(huán)(LTO)操作，標準LTO循環(huán)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(xù)工作過程，ICAO規(guī)定的一個標準的LTO循環(huán)包含4個工作狀態(tài)，即慢車、進近、起飛和爬升。標準LTO循環(huán)場景如圖3所示。

圖3 國際民航組織規(guī)定的LTO循環(huán)

發(fā)動機排氣污染程度用Dp/F∞來定義，為LTO循環(huán)期間排放污染物的量與發(fā)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(huán)某階段排放污染總量、燃油流量、排放污染指數(shù)、運行時間和發(fā)動機額定功率。飛機發(fā)動機在標準LTO循環(huán)中各運行剖面的功率等級和運行時間規(guī)定如表2所示。F∞指在標準海平面(ISA)民用航空發(fā)動機以靜止狀態(tài)正常起飛時可用的最大功率或額定推力。

表2 航空發(fā)動機LTO循環(huán)

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(guī)定是排氣污染物中的能夠阻擋光學傳播的含碳物質(zhì)。煙霧排放測量的結(jié)果表達為發(fā)煙指數(shù)(Smoke Number)，發(fā)煙指數(shù)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(tǒng)如圖4所示，從設定狀態(tài)的發(fā)動機噴管排氣中通過探針采集樣氣，經(jīng)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(tǒng)，一個用于旁通，一個用于在規(guī)定的時間通過規(guī)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(xié)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(zhì)量W/A有函數(shù)關(guān)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(zhì)量W/A，該數(shù)值是16.2 kg/m2。最后得到的數(shù)值是按照ICAO規(guī)定的發(fā)煙指數(shù)SN。

圖4 煙霧排放測量系統(tǒng)

4.3 氣態(tài)污染物評估方法符合性驗證方法

在發(fā)動機試車臺架上，在ICAO規(guī)定LTO循環(huán)中由燃氣分析采樣得到每個運行模式下的氣態(tài)污染物(HC、CO和NOx)體積濃度，燃氣成分分析系統(tǒng)的配置如圖5所示，從設定狀態(tài)的發(fā)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(shù)EI(Emission Index)：

圖5 氣態(tài)污染物采樣系統(tǒng)

式(3)中，[ ]中的內(nèi)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(huán)境大氣的濕度，n/m是航空煤油中的氫/碳質(zhì)量比，x、y是樣氣中碳氫化合物的碳原子和氫原子數(shù)目。一般來講，發(fā)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(shù)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(shù)K。

將換算到標準大氣條件下的排放物指數(shù)，進一步按照ICAO規(guī)定的起飛著陸循環(huán)進行計算，得到標準海平面(ISA)起飛時航空發(fā)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(guī)定的LTO運行階段下，相應的功率模式下污染排放指數(shù)，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(zhì)量計量的污染排放量，將每個模式下的污染排放質(zhì)量加在一起，除以標準海平面靜態(tài)起飛時的額定推力，即得到ICAO規(guī)定的污染排放量LTO_Emission。

5 結(jié)論

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

1)近年來，民航業(yè)對航空器發(fā)動機排放物排放水平的關(guān)注日益提高，尤其是對NOx的排放要求更是日趨嚴格，發(fā)動機主制造商需對低排放燃燒技術(shù)進行持續(xù)攻關(guān)以適應未來規(guī)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(fā)動機的基本性能要求?？梢酝ㄟ^貧油預混預蒸發(fā)技術(shù)(LPP)、RQL、分級燃燒等技術(shù)來對發(fā)動機排放和性能做一個適當?shù)钠胶猓?/p>

3)本文介紹的基于LTO循環(huán)的民用航空發(fā)動機排放符合性驗證程序和計算方法包含氣態(tài)污染物評估和顆粒排放物的評估兩部分，可以通過發(fā)動機臺架試驗中分析采樣得到每個運行模式下的氣態(tài)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(shù)，乘以每個模式的燃油消耗量和運行時間，即可得出ICAO規(guī)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(fā)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。