近日，航空环境与气象研究团队在期刊《环境工程》发表了题为“小型涡扇发动机多工况下气态污染物与颗粒物排放特征”的文章。团队使用DGEN380发动机，测试了多种工况条件下的气态污染物和颗粒物的排放特性。结果显示，随着推力的增加，NO和NOx的排放因子显著增加，NO2和CO的排放因子呈现降低趋势；颗粒物的粒径整体呈双峰分布；颗粒物中Na、Mg、Fe、S、Cu元素的排放因子较高。碳质组分中有机碳3（OC3）占比最高（25.67%~56.56%）；元素碳（EC）含量在各推力下均较为稳定。离子组分以SO42-、NO3-和Cl-为主，在各推力下的平均排放因子在0.24~1.60 mg/kg之间，研究结果可为喷气式公务机污染物排放特征评估提供数据基础。
第一作者：赵静波
通信作者：韩博 教授
通讯单位：中国民航大学交通科学与工程学院，中国民航环境与可持续发展中心
期刊：环境工程，2024，42（12）：145-154
01 研究背景
预计未来20年，世界空中客运总里程将增加2倍以上，其尾气排放对大气环境的影响将越来越严重。喷气式公务机作为通用航空的重要组成部分，近年来在我国呈现出稳定增长的趋势，喷气式公务机在低推力条件下的尾气排放已成为民航领域重要的污染源之一。但由于实验条件和机场安全的限制，目前针对喷气式公务机的排放研究相对较少，有关于低推力条件下各气态和颗粒态污染物排放特征的系统研究更为缺乏。
02 研究方法
实验使用DGEN380发动机试车台，共测试10%、30%、45%最大推力三个工况。十字形采样探头固定在发动机排放平面后方，采样探头将发动机尾气引入加热采样管中，接入发动机尾气样品监测分析系统进行分析。使用EEPS、ELPI+监测颗粒物的粒径分布，使用OBS-ONE分析气态组分排放水平，使用碳分析仪、ICP-OES、离子色谱仪等分析颗粒物上碳组分、元素组分和离子组分的含量（如图1所示）。
图1 小型涡扇发动机尾气监测实验
03 研究结果
3.1 气态污染物排放特征
随着推力的增加，NO和NOx的排放量显著增加（如图2所示）。CO的排放量随推力增加而显著减少，由10%推力下降至45%推力时，其浓度降低了80.9%。这表明在高推力条件下燃料燃烧更加完全，碳元素更充分地氧化为CO2而非CO。
图2 气态污染物排放因子随测试时间变化
3.2 非挥发性颗粒物排放水平及组分构成
非挥发性颗粒物粒径整体呈双峰分布，在10%、30%、45%推力下总排放浓度分别为9.089×107 #/cm3、2.318×107 #/cm3、2.663×107 #/cm3（如图3所示）。随推力的增加，元素的总排放因子在逐渐降低，但元素构成变化不显著。其中Na、Mg、Fe、S、Cu的排放指数较高，5种元素的排放指数总和在各推力下占比均超过80%（如图4所示）。OC3占比显著升高，OC1在低推力占比最高；EC占比变化较小，生成较稳定（如图5所示）。颗粒物离子分析中占比最高的离子为SO42-、NO3-和Cl-，三者排放水平占所测离子的80%以上（如图5所示）。
图3 典型工况下颗粒物数量浓度的粒径分布
图4 典型工况下颗粒物中各元素排放因子
图5 典型工况下尾气颗粒物上碳质组分占比
图6 典型工况下离子排放因子占比
3.3 污染物排放影响因素
结合发动机实时运行参数，对污染物排放浓度与发动机运行参数进行逐步回归分析（见表1）。结果表明，CO排放与燃烧室进口平均温度呈显著的负相关，主要原因是随着燃烧室进口温度升高，有利于提高燃料的燃烧效率。NO和NOx排放浓度与滑油流量呈正相关。这是由于滑油流量和燃烧室温度随发动机推力升高而呈现升高趋势，促进了NO和NOx的生成。颗粒物排放与燃烧室进口平均温度及燃烧室进口压强间呈现较强相关性。证明燃料的充分燃烧，促进了尾气中颗粒物排放浓度降低。
表1 污染物排放浓度与发动机参数逐步回归分析结果
04 小结
本研究对小型涡扇发动机DGEN380排放尾气进行监测，分析了在3种低推力（10%、30%、45%推力）条件下气态污染物和颗粒物的组分特征，并结合发动机参数，进行污染物排放的因素分析，结果表明：（1）随着推力的增加，NO和NOx的排放量显著增加，而NO2、CO排放则呈现下降趋势。（2）颗粒物中Na、Mg、Fe、S、Cu的排放指数较高，5种元素的排放指数总和在不同的推力下占比均超过80%。（3）OC3是颗粒物中碳组分的主要物质，且不同推力下占比差别显著。（4）颗粒物中占比最高的离子为SO42-、NO3-和Cl-，三者占所测离子的80%以上。（5）NO和NOx排放浓度与滑油流量呈正相关，而NOx与燃烧室进口压强呈负相关，NO与油气比呈正相关。颗粒物排放则与燃烧室进口平均温度及进口压强均呈现负相关的关系。
本研究获得国家自然科学基金 “多源数据与模型驱动的机场大气污染排放精准评估关键技术研究”（U2133206）、国家自然科学基金“基于航空发动机台架的飞机云凝结核排放因子研究”（42305104）、中央高校基本科研业务费“中国民航飞机碳排放测算及减排策略研究”（3122021059）支持。
文章链接：http://hjgc.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13205/j.hjgc.202412018