曹惠玲, 李玉铭, 汤鑫豪
中国民航大学航空工程学院, 天津 300300
收稿日期: 2019-11-16; 修回日期: 2020-02-16; 录用日期: 2020-02-16
基金项目: 中国民航大学开放基金（No.000031020102）
作者简介: 曹惠玲(1962-), 女, 教授, E-mail:hlcao@cauc.edu.cn

摘要：黑碳气溶胶是航空发动机运行过程中产生的一种主要颗粒污染物.为评估飞机全航段的黑碳排放特性，在一阶近似方法（FOA）的基础上，提出一种基于黑碳形成和氧化过程的形成氧化法（FOX）.使用GE90-115B型发动机历史QAR数据进行实例分析，结合QAR数据中燃油流量、空气燃料比、燃烧室入口温度、主燃区火焰温度等热力学参数，计算某次飞行全航段的黑碳排放量.结果表明，形成氧化法的计算结果高于一阶近似方法，巡航阶段的总排放量高于起飞着陆循环.分析表明，结合实际飞行数据的形成氧化法，考虑了发动机的性能差异、燃烧品质及外界环境条件对排放特性的影响，能够更加真实有效地评估飞机全航段的黑碳排放量，为飞机排放监测及排放的适航符合性验证等效替代提供更加准确的依据.
关键词：航空发动机QAR一阶近似方法形成氧化法黑碳排放
Calculation and analysis of black carbon emissions from aircraft full flight phase based on QAR data
CAO Huiling, LI Yuming, TANG Xinhao
College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300
Received 16 November 2019; received in revised from 16 February 2020; accepted 16 February 2020
Abstract: Black carbon aerosol is a major particulate pollutant generated during the operation of aero-engines. In order to evaluate the black carbon emission characteristics of the full flight phase of aircraft, based on the First Order Approximation method (FOA), a Formation OXidation method (FOX) based on the black carbon formation and oxidation process was proposed. Use the historical QAR data of the GE90-115B engine for an example analysis, and combine the thermodynamic parameters such as fuel flow, air-fuel ratio, combustor inlet temperature, and main combustion zone flame temperature in the QAR data to calculate the black carbon emissions of a flight. The results show that the calculation results of the FOX method are higher than the FOA method, and the total emissions during the cruise phase are higher than the landing and take-off cycle. The analysis shows that the combination of actual flight data with the FOX method, taking into account the differences in engine performance, combustion quality and external environmental conditions on the emission characteristics, can evaluate the black carbon emissions of the full flight phase of aircraft more realistically and effectively, and provide more accurate evidences for aircraft emissions monitoring and equivalent substitution for airworthiness compliance verification of emissions.
Keywords: aeroengineQARfirst order approximation methodformation and oxidation methodblack carbon emissions
1 引言(Introduction)航空发动机排放的污染物主要包括氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(UHC)、二氧化硫(SO₂)与颗粒污染物(PM)等.颗粒污染物中的黑碳(Black Carbon, BC)气溶胶是碳质燃料不完全燃烧发生热解的产物, 被认为是引起全球气候变暖仅次于CO₂的重要成分(Jacobson et al., 2002).
目前国内外对飞机排放的污染物方面的研究主要集中在排放清单的制定上, 很多****针对不同地区的机场建立了排放清单(Winther et al., 2015；韩博等, 2019):针对气态污染物的研究较多(闫国华等, 2013；韩博等, 2016), 颗粒物方面的研究较少(王维等, 2019)；针对起飞着陆循环(Landing and Take-off, LTO)的研究较多(王瑞宁等, 2018；曹惠玲等, 2018), 巡航阶段(Cruise Phase)的研究较少(魏志强等, 2014).由于巡航阶段也是民航飞机重要的飞行阶段, 巡航时间占全航段时间的60%~70%, 绝大多数的污染物排放均发生在该阶段, 且直接排放到高空中, 对温室效应的影响更大.因此, 评估飞机全航段的黑碳排放具有重要的意义.
航空发动机排放的颗粒物主要包括非挥发性颗粒物(PM_nvol)、挥发性硫酸盐颗粒物(PM_vol-FSC)和挥发性有机颗粒物(PM_{vol-FuelOrganics})3种.黑碳气溶胶是非挥发性颗粒物的重要组成成分.航空排放的黑碳在全球性和区域性的气候变化中起到不可忽视的作用:一种是直接作用, BC能够直接吸收红外辐射和太阳辐射, 扰乱地球和大气的能量收支平衡；另一种是间接作用, BC能够与水溶性气溶胶混合作为云凝结核, 改变云的微物理和辐射特性(井安康等, 2019).
国外关于黑碳气溶胶的研究开展较早, Ramanthan等研究表明, BC在大气层形成的辐射强迫能够极大地减弱对地球的冷却效果, 减少BC的排放比减少二氧化碳和甲烷的排放更能减慢全球变暖；Gong等研究发现, BC在大气中的浓度受排放源强、干湿沉降、大气边界层等条件的影响.我国在20世纪80年代后也开展了相关研究:Ji等研究发现BC存在明显的季节、周和日变化特征；史晋森等研究表明, 相比高纬度地区, 中纬度地区更接近BC排放源区, 受其影响和表现也更加强烈.
国内外目前对黑碳排放的研究主要集中于城乡大气方面, 针对航空排放的研究相对较少.随着国产商用C919客机的投入使用, 相关适航符合性验证工作也相继开展.作为航空发动机排放的适航标准, CCAR-34部(涡轮发动机飞机燃油排泄和排气排出物规定)规定了各种航空器的适航验证方法和标准.由于其专用的测试程序复杂, 且对测试设备的要求较高, 因此, 寻求一种利用现有飞行数据针对航空器排放适航符合性验证的等效替代方法值得探讨.
飞机排放的黑碳主要受到黑碳排放指数(Emission Index, EI)、发动机运行时间(Time In Mode, TIM)和发动机燃油流量(Fuel Flow, FF)的影响(韩博等, 2016；闫国华等, 2016).飞机实际运行中, 黑碳排放指数会随发动机实际运行工况发生变化George et al., 2017), 运行时间和燃油流量与国际民航组织发动机排放数据库(Engine Emission Data Bank, EEDB)的标准值也存在偏差.
快速存取记录器(Quick Access Recorder, QAR)中既包含飞机实际的燃油流量和飞行时间, 还包含表征操纵飞机和发动机的诸多参数(曹惠玲等, 2019).本研究结合QAR数据, 提出使用形成氧化法(Formation OXidation, FOX)计算飞机全航段的黑碳排放量, 并对GE90-115B型发动机某次飞行全航段的黑碳排放量进行了计算.分析结果表明, 所用计算方法考虑了发动机的性能差异及外界环境条件对排放特性的影响, 能够快速有效地评估飞机全航段的黑碳排放量, 为航空器排放的监测和适航符合性验证等效替代程序提供一种新的思路.
2 黑碳排放指数计算方法(Black carbon emission index calculation method)2.1 一阶近似方法(FOA)一阶近似方法(First Order Approximation, FOA)是航空环境保护委员会制定并批准用于估算航空发动机起飞着陆循环颗粒物排放的方法.它基于发动机的烟度值(Smoke Number, SN)、空气燃料比(Air Fuel Ratio, AFR)和涵道比(Bypass Ratio, BPR)等参数, 首先通过实验关联式将烟度值转换成黑碳浓度, 然后利用空气燃料比和涵道比, 计算每千克燃油的废气容积流量, 最后由黑碳浓度和废气容积流量得出黑碳排放指数.
在标准温度和压力下, 烟度值≤30的黑碳浓度(mg·m^-3)可通过式(1)计算得出:

(1)

对涡轮风扇发动机而言, 每千克燃油的废气容积流量Q_Mixed(m³·kg^-1)为:

(2)

最后计算得到黑碳排放指数, 即EI_BC(mg·kg^-1):

(3)

发动机的涵道比和烟度值可以在排放数据库(ICAO, 2013)中获取.其中, 烟度值仅针对LTO循环4个阶段的推力设定值(慢车7%、进近30%、爬升85%、起飞100%)给出.另外, 由于排放数据库中尚未包含空气燃料比的数值, 国际民航组织推荐使用机队的平均空气燃料比, 这些通用数值可以在机场空气质量手册(ICAO, 2011)中获取.
一阶近似方法可以快速地计算出起飞着陆循环的黑碳排放指数.然而, 排放数据库中并不包含发动机在巡航阶段的烟度值和空燃比数值.由于国内航空公司运营的主流机型在巡航阶段的发动机推力设定值一般为70%~85%F₀₀(F₀₀为发动机全推力状态下的推力值), 与飞机在爬升阶段的推力等级(85%F₀₀)相近, 且计算过程中离不开烟度值、空燃比这两个关键数值, 因此, 为计算发动机在巡航阶段的污染物排放量, 通常选取爬升工作状态的烟度值和空燃比作为估算依据(吴金栋等, 2011；陈林, 2013).
2.2 形成氧化法(FOX)为更加精确地计算黑碳排放量, 借助于飞机的实际飞行QAR数据, 无需使用专用的取样及测试设备和程序, 采用一种基于黑碳形成和氧化过程的形成氧化法, 可用于计算飞机全航段的黑碳浓度.形成氧化法在一阶近似方法的基础上考虑了发动机的性能差异、燃烧品质及外界环境条件对排放特性的影响.对实际飞行的各飞行阶段而言, 并不像排放数据库推荐的那样始终保持推力固定在某一数值, 实际上不同时刻的推力值是上下波动的.因此, 反应黑碳排放量的各个参数都会随发动机实际运行工况发生变化.
形成氧化法适用于燃烧传统燃料的航空发动机, 它在计算黑碳浓度时, 不依赖于烟度值, 而是采用与燃烧品质直接相关的空气燃料比, 实际计算中可采用QAR数据不同时刻的空气流量和燃油流量的比值, 来代替排放数据库空燃比的推荐值.T_fl为主燃区火焰温度(K), 反映了发动机的燃烧性能, 由此可以兼顾不同发动机的性能差异及外界环境条件对排放特性的影响, 如式(4)所示.

(4)

式中, A_form=356, A_ox=608, 均为常数值；m_f为燃油流量(kg·s^-1), 可使用QAR数据各个时刻的燃油流量值；C_BC为计算得到的相应时刻黑碳浓度(mg·m^-3).
主燃区火焰温度T_fl与燃烧室入口温度T₃直接相关.为计算主燃区火焰温度, 从航空燃料(C₁₂H₂₂)的燃烧反应方程式出发, 如式(5)所示.假定完全燃烧, 不发生离解现象, 结合燃烧反应物和产物(O₂、N₂、CO₂、H₂O)在不同温度下的绝对焓值, 可得到主燃区火焰温度T_fl与燃烧室入口温度T₃的线性关系(R²=1), 如式(6)所示.

(5)

(6)

燃烧室入口温度T₃可以在QAR数据中获取, 使用式(6)可计算出相应时刻的主燃区火焰温度T_fl.然后使用式(4)计算出不同时刻的黑碳浓度, 最后使用式(2)~(3)可得出相应时刻的黑碳排放指数.其中, 式(2)的空气燃料比同样采用QAR数据中不同时刻空气流量和燃油流量的比值.
3 黑碳排放量计算方法(Black carbon emissions calculation method)黑碳排放量由发动机运行时间、燃油流量和黑碳排放指数三者的乘积决定.
3.1 一阶近似方法航空器LTO循环包括滑行/地面慢车(Taxi)、起飞(Take-off)、爬升(Climb)和进近(Approach)4个阶段.定义为地面到大气层边界面3000英尺高度内的空间, 该高度以下的发动机污染物排放与扩散会直接影响机场周边的空气质量(ICAO, 2011).一个标准的起降循环如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 标准起飞着陆循环 Fig. 1Standard landing and take-off cycle

一阶近似方法计算黑碳排放量E_mi时, 使用排放数据库各阶段标准工作时间和标准燃油流量值与黑碳排放指数做乘积, 得到各阶段的黑碳排放量E_mi, 见式(7).

(7)

式中, E_mi为各阶段的黑碳排放量；F_fi为各阶段推荐燃油流量值；T_i为各阶段推荐工作时间.
3.2 形成氧化法形成氧化法计算黑碳排放量E_mi时, 为确定各飞行阶段的实际工作时间, 结合QAR数据中低压转子转速、飞行高度、空地传感器指示、油门杆解算器角度等参数对慢车、起飞、爬升、进近和巡航阶段进行准确划分, 代替排放数据库的标准工作时间.
将划分后各阶段不同时刻下的工作时间、燃油流量和黑碳排放指数做乘积, 求和得到各阶段的黑碳排放量E_mi, 见式(8).

(8)

式中, E_mi为各阶段黑碳排放量, n为各阶段总时间帧数；F_fi、T_i分别为各时间帧的燃油流量和工作时间.
3.3 全航段排放量将各阶段的黑碳排放量求和得到全航段的黑碳排放量, 见式(9).

(9)

式中, E_mT/O、E_mCL、E_mAPP、E_mID、E_mCR分别为起飞、爬升、进近、慢车及巡航阶段的黑碳排放量；T_em为全航段的黑碳排放量.
4 案例分析(Case analysis)为直观说明黑碳排放量计算方法, 以一款常用的GE90-115B型航空发动机为例计算某次飞行全航段的黑碳排放量.该型号发动机为涡轮风扇发动机(Turbo fan, TF), 燃烧室类型为双环形燃烧室(Double annular combustor, DAC).
4.1 一阶近似方法GE90-115B型航空发动机的设计参数及LTO循环各阶段的推荐时间、燃油流量、烟度值、空燃比等数据见表 1.
表 1(Table 1)

表 1 GE90-115B发动机参数 Table 1 GE90-115B engine parameters

表 1 GE90-115B发动机参数 Table 1 GE90-115B engine parameters 发动机型号 涵道比 工作状态 推力设置 时间/s 燃油流量/ (kg·s-1) 烟度值 空燃比 GE90-115B 7.08 慢车 7% 1560 0.38 0.87 106 进近 30% 240 1.13 1.45 83 爬升 85% 132 3.67 2.50 51 起飞 100% 42 4.69 4.10 45

如2.1节所述, 使用式(1)~(3), 结合表 1中各飞行阶段的烟度值、空燃比和涵道比等参数, 计算各阶段的黑碳排放指数, LTO循环各阶段的黑碳排放指数见图 2a, 巡航阶段的黑碳排放指数见图 2b.
图 2(Fig. 2)

图 2 LTO循环(a)和巡航阶段(b)黑碳排放指数 Fig. 2LTO cycle(a) and cruise phase(b) black carbon emission index

由图可见, 各飞行阶段黑碳排放指数的大小关系为:EI_T/O＞EI_CL=EI_CR＞EI_APP＞EI_ID.观察各阶段的推力设置可以发现, 排放指数的大小关系与推力设定值相同, 说明黑碳排放指数主要受发动机推力设置的影响.由于排放数据库仅包含4个阶段的推力设置, 而实际上飞机各飞行阶段的推力值是上下波动的.且巡航阶段由于缺少烟度值而采用了爬升段来替代, 加之没有考虑发动机性能和环境状态的影响等, 以上结果仅可用于快速评估.为更精确计算飞机全航段的黑碳排放量, 需要采用下面的形成氧化法.
4.2 形成氧化法首先结合QAR数据, 采用严格的数据筛选逻辑划分飞行阶段, 使用工作时间和低压转子转速(推力设置)两个参数描述划分后的各阶段特征, 如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 飞行阶段划分 Table 2 Flight phase division

表 2 飞行阶段划分 Table 2 Flight phase division 阶段 工作时间/s 低压转子转速 慢车 1700 6%~21% 进近 450 27%~67% 爬升 280 93%~104% 起飞 120 22%~105% 巡航 5150 70%~85%

对比表 1和表 2可以发现, 各阶段工作时间与排放数据库的标准工作时间均存在较大差别.另外, 各阶段的低压转子转速并非稳定在某一数值, 而是在一定范围内波动.
如2.2节所述, 使用式(2)~(6), 结合QAR数据中燃油流量、空气燃料比、燃烧室入口温度等参数对飞机全航段的黑碳排放指数进行计算, 得到LTO循环黑碳排放指数随时间的变化见图 3a, 巡航阶段黑碳排放指数随时间的变化见图 3b.
图 3(Fig. 3)

图 3 LTO循环(a)和巡航阶段(b)黑碳排放指数 Fig. 3LTO cycle(a) and cruise phase(b) black carbon emission index

由图可见, 各阶段的黑碳排放指数随时间的波动幅度较大, 但整体变化趋势与一阶近似方法相近.这一方面印证了形成氧化计算方法的准确性, 另一方面也表明形成氧化法能够更好地反映出黑碳排放指数随飞行实时工况的变化.它通过实际飞行QAR数据将发动机的性能差异及外界环境条件对排放特性的影响考虑在内, 能够使计算结果更接近实际的黑碳排放量.
在得到排放指数基础上, 使用式(7)~(9)计算飞机全航段的黑碳排放量, 最后将计算结果进行对比, 如表 3~4所示.
表 3(Table 3)

表 3 各阶段平均黑碳排放指数 Table 3 Average black carbon emission index at each phase

表 3 各阶段平均黑碳排放指数 Table 3 Average black carbon emission index at each phase 方法 平均排放指数/(g·kg-1) LTO循环分阶段 LTO循环 巡航阶段 全航段 慢车 起飞 爬升 进近 一阶近似法 0.039 0.112 0.069 0.057 0.049 0.064 0.058 形成氧化法 0.055 0.120 0.110 0.084 0.077 0.071 0.073

表 4(Table 4)

表 4 黑碳排放量计算结果对比 Table 4 Comparison of black carbon emission calculation results

表 4 黑碳排放量计算结果对比 Table 4 Comparison of black carbon emission calculation results 方法 黑碳排放量/g LTO循环分阶段 LTO循环 巡航阶段 全航段 慢车 起飞 爬升 进近 一阶近似法 28.46 15.23 26.39 11.96 82.03 108.36 190.39 形成氧化法 32.24 18.04 36.79 15.54 102.61 120.64 223.25

5 分析及讨论(Analysis and discussion)将一阶近似方法和形成氧化法计算的各飞行阶段及全航段的平均黑碳排放指数和黑碳排放量进行对比, 如图 4所示.
图 4(Fig. 4)

图 4 黑碳排放指数(a)和排放量(b)计算结果对比 Fig. 4Comparison of calculation results of black carbon emission index(a) and emissions(b)

飞机全航段的黑碳排放量主要是黑碳排放指数、发动机工作时间和燃油流量3个参数的函数.两种方法在计算结果上的偏差是这3个参数共同作用的结果.对于确定的发动机机型而言, 燃油流量和排放指数主要取决于发动机的推力状态.
形成氧化法计算的各飞行阶段黑碳排放量同一阶近似方法相比, 慢车、进近、爬升、起飞及巡航阶段的相对偏差分别为13.28%、29.93%、39.41%、18.45%、11.33%.可以发现, 爬升和进近阶段的相对偏差较大, 对比表 1和表 2进一步分析两种方法的计算结果相差较大的原因:一方面, 结合QAR数据划分后的爬升和进近阶段工作时间均高于标准工作时间；另一方面, 实际运行过程中, 进近阶段的低压转子转速在27%~67%范围内波动, 其平均值高于排放数据库的推力设定值(30%), 爬升阶段的低压转子转速在93%~104%范围内波动, 始终高于排放数据库的推力设定值(85%), 而燃油流量和排放指数又与推力设定值直接相关, 从表 3中可以看出形成氧化法计算的爬升和进近阶段平均黑碳排放指数也高于一阶近似方法的计算值.综合分析, 导致两种方法计算的排放量相差较大是工作时间、燃油流量和排放指数三者共同作用的结果.
观察上述计算结果还可以发现, 形成氧化法计算的巡航阶段黑碳排放量高于LTO循环.分析认为, 虽然巡航阶段的平均黑碳排放指数(0.071 g·kg^-1)略低于LTO循环(0.077 g·kg^-1), 但巡航阶段的实际工作时间(5150 s)远大于LTO循环工作时间(2590 s).因此导致巡航阶段的黑碳排放量高于LTO循环的主要原因是工作时间的差异.
6 结论(Conclusions)1) 结合飞行数据的形成氧化法能够充分反映飞行的实时工况.飞机运行过程中, 由于机场延误、空中管制等诸多因素的影响, 各飞行阶段的时间往往与排放数据库理论推荐值不符.以本文为例, 各飞行阶段的运行时间(慢车1700 s、进近450 s、爬升280 s、起飞120 s)均大于排放数据库的理论推荐值(慢车1560 s、进近240 s、爬升132 s、起飞42 s).尤其是当空域繁忙时, 慢车时间往往无法预见.同时, 各阶段的推力并非稳定在某一数值, 实际上不同时刻的推力值是上下波动的, 且各阶段的平均推力值普遍高于理论推荐值.
2) 飞机发动机的性能受使用年限、维护水平、外界环境条件等诸多因素的影响, 同一推力级别下不同发动机的黑碳排放指数差别较大.一阶近似方法基于大量的飞行数据, 对LTO循环不同阶段的运行参数进行平均, 它能够快速地建立航空器污染物排放量的统计性计算与分析.形成氧化法考虑了发动机型号、发动机性能差异、外界环境条件等诸多因素, 能够针对具体的民航机场、发动机机队以及具体型号的飞机发动机, 真实有效地评估飞机全航段的黑碳排放量, 为航空器排放的监测和适航符合性验证及等效替代方法提供新的思考.
3) 巡航阶段是民航飞机重要的飞行阶段, 巡航时间占到全航段时间的60%~70%左右, 绝大多数的污染物排放均发生在该阶段.本研究的巡航总时间为5150 s, 航班总运行时间为7700 s, 巡航时间占总运行时间的66.88%.巡航阶段的黑碳排放量为120.64 g, 全航段的黑碳排放总量为223.25 g, 巡航阶段黑碳排放量占总排放量的54.04%, 且直接排放到高空中, 对温室效应的影响更加显著, 因此巡航阶段的排放也不容忽视.

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