小型涡轮喷气发动机替代燃料排放评估的可靠实验方法：以生物煤油掺混为案例研究

《Fuel》：Reliable experimental procedure for the evaluation of alternative fuel emissions in small-scale turbojet engines: A bio-kerosene blend case study

　　

摘要：大多数微型燃气轮机（Micro Gas Turbine, MGT）试验台开展的排放研究报道了不一致或矛盾的结果，其主要原因是采样时环境空气被卷入排气射流——由于气体分析仪探头必须直接置于发动机排出的自由射流中。这种稀释改变了测得的气相组分、增大了不确定度，并可掩盖甚至逆转生物煤油及其他可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）掺混引起的细微排放效应。因此，尽管准确评估SAF对航空脱碳努力至关重要，仍难以可靠评定、外推或解释燃料组成对排放行为的影响。为解决此局限，研究人员提出并实验验证了一种替代采样布置：排气先经管道与腔室构型引导，气体减速并在采样前隔绝环境稀释。该改进显著提高了测量的稳定性与重复性。使用Jet-A燃油时，改进布置使CO2和O2排放不确定度降低达83%，NOx和CO分别降低25%和39%，可一致检测出燃料依赖性排放趋势。研究人员采用常规裸露探头布置与改进屏蔽采样构型分别对系列生物煤油掺混燃料开展测试。两种采样布置下各掺混燃料的推力–转速特性基本一致，表明布置不影响发动机性能评价；但相应排放曲线差异显著。常规裸露探头布置中，生物煤油掺混比例增加对排放的影响表现不一致，常被环境空气稀释引起的测量变异掩盖；而改进屏蔽采样构型给出清晰且统计一致的趋势：NOx水平随掺混比提高而下降，B60掺混可在最高达16%的降幅。综上，所提采样方法提升了小型涡轮喷气发动机排放测量的可靠性，使其可作为一致且有意义的SAF评估平台。

论文解读——《Fuel》刊载：小型涡轮喷气发动机替代燃料排放评估的可靠实验方法研究

一、研究背景与意义

小型微型燃气轮机（Micro Gas Turbine, MGT）因成本低、风险小、可控性强，被广泛用于可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）掺混燃烧的初步排放评估。然而文献中MGT排放测量结果常出现分散、矛盾或与理论相悖的现象，根本原因在于推力型MGT排出高速自由射流（free jet），常规做法是将排气分析仪探头直接插入或横置于射流中采样，周围环境空气因卷吸（entrainment）与涡街作用被吸入探头，导致排气被稀释（dilution），改变真实气相组分浓度并引入随机误差。这种采样诱导的稀释假象会掩盖SAF掺混带来的细微排放差异（如NO_x微小降低），使不同研究间无法比对。Villette等人在本研究中指出该问题，设计一种将排气先导入扩张段管道与腔室使气流减速并局部隔绝环境空气的"探头在管道内（probe-in-duct）"屏蔽采样构型，通过与常规"探头在射流中（probe-in-jet）"布置的同机对比，验证其对测量精度与趋势识别的改善效果，并以生物煤油（bio-kerosene / HEFA型 UCO衍生 SAF）掺混 Jet-A 为案例加以说明。

二、主要关键技术方法

研究人员选用AMT Olympus HP小型涡轮喷气发动机，分别以传统裸露探头垂直插入喷管出口自由射流（probe-in-jet）及将短接引射管与扩张采样室固定于喷口下游、探头密封于室内低速区（probe-in-duct）两种布置采集排气，使用Testo 350海事版排气分析仪（CO₂为NDIR，NO_x、CO、O₂为电化学传感器）测体积浓度。以Jet-A为基准燃料及B10/B25/B50/B60生物煤油–Jet-A体积掺混燃料（均含4.5 vol.%涡轮润滑油Aeroshell Turbine Oil 500）在5–6个节流阀（THR）稳态点重复测试。通过多次重复实验计算标准偏差（STD）量化不确定度，以基于Lefebvre单步反应推导的理论CO₂摩尔分数区间（考虑润滑油耗油比例80%~100%参与燃烧）作稀释程度参照。原始推力（F_N）与转速（N）数据经大气条件修正后用Bézier曲线拟合插值，实现不同燃料在同校正工况点比较。稳定时间依据各THR下NO_x信号收敛确定（最高THR=100%时需120 s）。

三、研究结果

2.1 Test-rig components（试验台组件）

介绍了AMT Olympus HP发动机结构及其自带测控端口、NI USB-6218数据采集系统、Testo 350分析仪传感器原理与仪器不确定度（见表1）。强调该型MGT需按厂商要求在燃油中添加约4.5%涡轮油用于轴承润滑，其中一部分进入燃烧室参与燃烧，影响CO₂基准理论值计算。

2.2 Flue gas analyzer probe placement（烟气分析仪探头布置）

对比两种布置：(a) Probe-in-jet：探头垂直置于喷管出口自由射流，雷诺数Re_probe＝6300~2.2×10⁴，超过临界值产生冯·卡门涡街（Von Kármán vortex street），加之探头径向抽吸作用，使环境空气与排气在探头处混合稀释，稀释程度随射流速度变化具随机性；(b) Probe-in-duct：排气经短直管引入截面扩大的圆柱采样室，气体减速后由密封于室内的探头采样，基本隔绝环境空气卷入。研究人员确认两种布置未明显改变发动机推力–转速特性。

2.3 Preliminary testing（初步测试）

以Jet-A为燃料，各THR点重复5次共3组。Probe-in-duct测得CO₂平均体积分数升高更接近理论预期带（80%~100%燃耗情形），O₂降低，表明环境稀释被抑制；各气体标准偏差显著缩小——CO₂和O₂STD从0.20%→0.03%、0.28%→0.05%（降幅83%），NO_x从5.02→3.75 ppmv（降25%），CO从92.46→56.59 ppmv（降39%）。证明该构型有效减小采样稀释导致的随机误差。

2.4 Design of experiments（实验设计）

明确各THR稳态点停留时间依NO_x收敛需求设定（THR 100%时≥120 s，低负荷递减），剔除瞬态数据，同校正转速下用Bézier曲线插值对齐各燃料工况点以消除节流阀微漂移影响。

3.1 Blend preparation & fuel properties（掺混燃料配制与性质）

测试Jet-A参照油、餐厨废油（Used Cooking Oil, UCO）加氢制合成煤油（HEFA型 Bio-jet）及二者掺混B10/B25/B50/B60（均外加4.5 vol.% Aeroshell 500涡轮油）。列表给出密度、粘度、低热值（Lower Heating Value, LHV）、芳烃含量等掺混属性，确认属drop-in替代燃料无须改发动机硬件。

3.2 Raw data post-processing（原始数据后处理）

说明Bézier曲线拟合及大气参数修正方法，确保不同批次、不同燃料在同修正工况点（corrected shaft speed N_corr、corrected net thrust F_N,corr）比较。

3.3 Probe-in-jet results（射流中探头结果）

两种布置推力–转速曲线几乎重合，生物煤油掺混对性能无影响。但Probe-in-jet下CO₂绝对值偏低且不随掺混比呈规律变化，NO_x随掺混比升高略有降但趋势不与掺混比成比例，散点大，无法可靠捕捉SAF微弱效应。

3.4 Probe-in-duct results（管道内探头结果）

同样确认掺混燃料不改变推力–转速特性且采样装置不影响推力测量。CO₂在各掺混比下基本重合且与理论区间吻合；NO_x在中高转速下随生物煤油掺混比增加呈单调下降，B60最高降约16%，低转速下差异不显著。结果与文献中HEFA改善雾化、减少局部高温富燃区从而降低热力型NO_x的机制相符，且该趋势在屏蔽采样下方能被清晰辨识。

四、讨论与结论翻译归纳

研究人员指出MGT试验中不确定源包括润滑油混燃、实际燃烧油量未知、THR设定漂移及排气采样稀释，其中后者可通过所提shielded-sampling（probe-in-duct）构型有效缓解。常规裸露探头因自由射流卷吸与涡街引起动态稀释，既压低绝对排放读数又增大随机波动，不适于SAF细微效应辨别；改进构型在不干扰发动机运行前提下显著提升数据质量。

结论要点：①提出并验证适用于推力型MGT自由射流的屏蔽采样构型，使CO₂/O₂测量不确定度降83%，NO_x降25%、CO降39%，且不影响推力–转速测评；②同试验台对比显示传统裸露探头布置使SAF掺混排放趋势模糊，屏蔽采样可给出统计一致趋势——B60生物煤油掺混在中高转速使NO_x降达16%，各掺混燃料推力–转速特性基本不变；③强调MGT评估SAF须控制采样诱导误差，所提方法增强小型涡轮喷气发动机排放评测可信度与重复性，为SAF实验筛选提供标准化参考流程。未来工作拟开展径向多点采样积分及生物煤油对燃烧均匀性影响的详细分析。