一、研究背景与目的

• 行业现状：航空业对美国受监管污染物排放量贡献约 3%，且商业航空业持续增长，预计 2050 年二氧化碳排放量将翻倍以上，飞机发动机排气中的颗粒物（PM）排放随之增加，对公众健康和气候变化构成威胁。

• 监管背景：此前商用飞机发动机 PM 排放通过能见度标准监管，目前国际民用航空组织（ICAO）仅对商用发动机着陆和起飞循环（LTO）期间的非挥发性颗粒物（nvPM）数量和质量排放量设限。

• 研究目的：美国环境保护局与美国空军阿诺德工程发展中心合作开展 VARIAnT 3 和 4 测试活动，旨在解决 ARP6320A 采样系统 nvPM 测量的变异性问题，具体   包括评估三种黑碳质量分析仪对不同颗粒物的响应、表征 6 种燃烧源产生的颗粒物特性、对比黑碳与总颗粒物测量结果的差异。

二、   实验设计

（一）燃烧源与燃料

    1. 测试涵盖 6 种扩散火焰燃烧气溶胶源（DFCASs），包括康明斯柴油发动机、柴油发电机、两台燃气轮机启动车、J85-GE-5 涡轮喷气发动机及 Mini-CAST soot 发生器。

    2. 燃料类型包括认证柴油、Jet-A 航空燃料、氢化衍生可再生柴油燃料（HDRD）、亚麻荠混合燃料等，部分燃料符合 ASTM 相关标准。

（二）设备与仪器

    1. 采样系统：定制设计的采样系统，含催化汽提器、冷却盘管、旋风分离器、稀释器等，可实现 3:1 至 150:1 的稀释倍数。

    2. 测量仪器：涵盖黑碳质量分析仪（MSS、CAPS PMssa（CAPS-ALB）、LII-300）、粒度仪（TSI SMPS、TSI EEPS、Cambustion DMS 500）、单颗粒质谱仪（miniSPLAT）等，可测量颗粒物质量、数量、尺寸、形态、化学成分及气态成分（CO、CO₂等）。

（三）实验流程

    1. 对仪器进行 ARP6320A 规定的校准，每日开展质量控制检查。

    2. 通过滤膜采样、热光透射法等分析颗粒物成分，利用多种仪器同步测量并对比数据。

三、   核心研究结果

（一）仪器性能对比

    1. MSS 和 CAPS PMssa（CAPS-ALB） 仪器对元素碳（EC）的响应一致性良好，测量质量浓度与参考 EC 质量浓度偏差约 20%，且不受校准源影响。

    2. LII-300 经涡轮燃烧源（燃烧器或涡轮发动机）校准后，系统性差异减小，VARIAnT 3 中测量偏差在 18% 以内，VARIAnT 4 中在 27% 以内。

    3. 三种仪器的黑碳与参考 EC 比值因排放源不同而异，与颗粒物几何平均迁移直径、形态相关，LII-300 与几何平均直径的相关性更显著。

（二）颗粒物特性表征

    1. 尺寸测量：多数粒度仪在尺寸分布和浓度方面总体一致，但 EEPS 存在部分测试点计数偏低的情况，低流量 SMPS 可检测到大于 150nm 的二次粒子模式。

    2. 质量差异：重量法测量的总气溶胶质量比参考 EC 高 30-40%，比黑碳（BC）质量高 50-60%，IPSD（集成粒度分布）测量质量也高于 BC 质量。

    3. 二次粒子模式：发现大于 150nm 的二次粒子，以非挥发性有机碳为主并含灰分，具有更紧凑的形态和更高的有效密度，在低发动机负载和低颗粒浓度条件下更易观测到，且与燃料类型相关。

四、   研究结论

1. 现有仪器中，MSS 和 CAPS PMssa（CAPS-ALB） 性能稳定，LII-300 经特定校准后可满足测量需求，但仪器间存在差异。

2. 燃气轮机发动机排放的颗粒物类型比 E-31 假设的更复杂，除黑碳外，还包含有机碳、灰分等组成的非挥发性颗粒物，现有 BC 光学吸收型仪器无法完全测量所有 nvPM 排放。

3. 二次粒子模式的存在对颗粒物质量测量有显著影响，需进一步研究其在现代发动机中的普遍性，建议 SAE E-31 委员会重新考虑相关测量标准。

参考文献：

Giannelli R, Stevens J, Kinsey JS, Kittelson D, Zelenyuk A, Howard R, Forde M, Hoffman B, Leggett C, Maeroff B, Bies N, Swanson J, Suski K, Payne G, Manin J, Frazee R, Onasch TB, Freedman A, Khalek I, Badshah H, Preece D, Premnath V, Agnew S. Evaluation of methods for characterizing the fine particulate matter emissions from aircraft and other diffusion flame combustion aerosol sources. J Aerosol Sci. 2024 May;178:1-20. doi: 10.1016/j.jaerosci.2024.106352. PMID: 38751612; PMCID: PMC11095129.