评估可持续航空燃料飞行排放指数的计算方法

《Energy》：Evaluating in-flight emission indices calculation methods for sustainable aviation fuels

　　

摘要
随着航空业寻求减少其环境足迹，可持续航空燃料（SAFs）为替代化石基常规喷气燃料（CJFs）提供了一个有前景的方案。然而，在SAF供应量仍处于较低水平的情况下，准确估算SAF的排放需要对方法学进行适配，以适应其独特属性。本研究对波音燃油流量法2（BFFM2）和任务排放估算方法学（MEEM）进行了改进，用于估算SAF混合燃料的HC、CO、NOx和nvPM的排放指数。研究还引入了确定混合燃料特性和计算与燃料消耗成正比的排放的方法。一项使用从斯德哥尔摩飞往波尔多航线的飞行轨迹的案例研究表明，使用SAF时排放显著降低，但H2O除外，由于SAF中较高的氢含量，H2O排放有所增加。研究结果凸显了针对特定燃料进行修正对于准确评估排放的重要性，并强调了SAF在减少航空业环境影响方面的潜力。

引言
飞机燃气涡轮发动机的燃烧产物包括二氧化碳（CO2）、水蒸气（H2O）、未燃烧碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、过量大气氧（O2）和氮（N2），以及烟尘[1]，[2]。要计算飞行航段中的总排气排放，需要测量并校正排放指数（EI），即每台指定发动机每单位燃料燃烧所排放的污染物质量，并遵循SAE ARP标准1256E进行气体排放修正和6320B标准进行颗粒物（PM）修正。CO2、H2O和SOx排放与燃烧量成正比[2]。然而，HC、CO、NOx和PM受多种参数影响，如燃料和发动机类型、功率设定、飞行高度和环境大气条件[1]，[2]。在国际民用航空组织（ICAO）的飞机发动机排放数据库（EEDB）[3]中，CO、HC、NOx、非挥发性颗粒物（nvPM）质量、nvPM数量和烟度值（SN）的排放数据，连同相应的燃油流量率，在四个参考功率设定下提供，分别为起飞（100%）、爬升（85%）、进近（30%）和怠速（7%）。ICAO EEDB是公开可用的，并随新发动机的认证进行更新。EEDB中提供的排放指数用于计算海平面以上3000英尺（ASL）以下的CO、HC、NOx、nvPM质量和nvPM数量的排放量。例如，欧洲航空安全局（EUROCONTROL）使用ICAO EEDB来估算燃料和排放的总质量，用于欧洲环境署的D2.3欧洲航空燃料燃烧和排放库存系统[4]。

ICAO EEDB不能直接用于计算海平面以上3000英尺以上的CO、HC、NOx、nvPM质量和nvPM数量的排放量。进行此类计算的方法包括波音燃油流量法2（BFFM2）[5]，这是计算HC、CO和NOx飞行中排放的最广泛使用的方法之一。对于飞行中nvPM排放，通常采用任务排放估算方法学（MEEM）[6]。MEEM的后续版本，即任务排放估算方法学第2版（MEEM2）[7]，也已被引入。MEEM2的开发旨在与气体排放建模方法BFFM2取得更大的一致性，特别是通过将nvPM估算框架与BFFM2结构对齐。这种一致性主要通过以下方法实现：MEEM2利用一种允许使用燃油流量来关联发动机功率设定的方法，而原始MEEM方法则依赖于估算发动机热力学条件来确定发动机工作点。然而，BFFM2和MEEM是为处理化石基常规喷气燃料（CJFs）而开发的，在建模涉及不同燃料类型的飞行场景时，可能需要修改或额外步骤来计算高空排放。

可持续航空燃料（SAFs）是减少航空业排放及其气候影响、降低对CJFs依赖的有前景的解决方案之一[8]，[9]。与现有发动机、飞机和基础设施兼容的航空燃料由国际燃料规范如ASTM D1655和DEFSTAN 91-091控制。纯SAF混合组分由ASTM D7566和相关生产过程的附件控制。这些SAF可与CJFs混合，形成与CJFs规范兼容的最终燃料，被称为"直接替代"燃料，意味着它们与当前供应系统中的燃料完全可替代[10]，[11]。目前，某些SAF混合组分最多可混合至50%而仍符合规范。超过此混合比例，燃料不再被视为"直接替代"燃料，使用此燃料将需要飞机和燃料系统的重新认证。为了符合ReFuelEU立法对SAF混合的强制要求，将需要超过50%的混合比例，因此研究应在排放场景建模中调查更高SAF混合比例的环境影响。

不同燃料具有独特的成分，影响其能量含量以及物理和化学特性[12]，[13]，[14]，[15]。这些差异反过来影响产生与燃烧CJFs相当推力所需的燃油流量，正如多项研究所证明的[16]，[17]，[18]。例如，Kroyan等人[19]开发了一种回归模型，基于SAF的粘度、密度和热值来估算燃料消耗。鉴于这些差异，原始BFFM2需要进行修改，才能在SAF或其混合燃料使用时准确计算HC、CO和NOx的飞行排放。为此，Fusaro等人[20]修改了原始BFFM2以扩展至不同燃料。然而，修改后的BFFM2仅使用燃料的低热值（LHV）特性来获取校正因子，用于更新高空校正燃油流量至海平面值。它仍然使用ICAO EEDB中的CJF排放指数。具体来说，使用CJF测量的排放指数来预测SAF的排放可能导致对这类场景气候影响的重大误差。

与BFFM2方法不同，原始MEEM方法在估算高空排放指数时不纳入燃油流量参数。相反，它主要依赖热力学方程。因此，鉴于发动机性能参数变化极小的假设——如燃烧室入口温度、燃烧室入口压力和推力水平——使用SAF及其混合燃料时，MEEM方法通常只需很少的修改。特别是，MEEM仅需调整SAF的海平面nvPM排放指数，以准确估算飞行中的nvPM指数。

存在多种用于估算使用SAF时海平面nvPM排放指数变化的方法。Speth等人[21]开发了一种模型，基于燃料芳烃含量和发动机推力水平来估算nvPM排放指数的变化。Brem等人[22]的另一种模型预测nvPM排放指数的变化，作为发动机推力和燃料氢质量含量的函数。在Brem等人[22]工作的基础上，Teoh等人[23]解决了其局限性并引入了燃料成分校正模型，用于估算SAF的nvPM排放指数变化。此外，ICAO航空环境保护委员会（CAEP/11）开发了一种标准化的燃料成分校正计算方法，以适应CJFs特性的差异，使测量的nvPM排放指数对应于13.8%的氢含量[24]。然后可以通过评估这些模型的性能并可能组合使用来计算海平面nvPM排放指数的变化，从而促进SAF及其混合燃料高空nvPM排放指数的估算。

本研究旨在提出BFFM2和MEEM方法的改进版本，以准确估算SAF及其混合燃料的CO、HC、NOx和nvPM排放。为此，首要目标是改进Fusaro等人[20]开发的修改版BFFM2，用于估算不同混合比例下SAF的CO、HC和NOx飞行排放指数。为此，考虑了两种方法：(i) 对CJFs应用更准确的燃油流量校正因子，(ii) 通过应用ICAO数据库排放指数的校正因子来修改CJFs的海平面排放指数。对原始方法学进行了分析，对相关资料进行了回顾，并对发动机燃烧过程进行了化学动力学建模以确定这些校正因子，随后针对SAF的现有发动机试验数据进行了验证。所得改进模型旨在减少使用SAF及其混合燃料飞行期间排放估算的误差。第二个目标是聚焦于原始MEEM方法，以准确估算SAF的nvPM排放。为此，调查并比较了现有模型，这些模型用于估算使用SAF及其混合燃料时海平面nvPM排放指数的变化。此外，提供了预测SAF混合燃料物理特性和估算CO2、H2O、二氧化硫（SO2）和硫酸盐（SO2?4）排放的方法，这些排放与燃料消耗成正比。最后，使用飞行数据记录器（FDR）数据提出了一个案例研究，展示沿飞行轨迹总排放的变化。这一综合方法确保了SAF更准确的排放估算，有助于更好地进行航空环境评估。

章节摘要

方法学
本节全面概述了用于评估SAF及其混合燃料飞行排放的方法学。首先，详细说明了用于确定燃料混合燃料化学和物理特性的方法，以及直接与燃料消耗成正比的排放指数的计算，如CO2、H2O和硫基物种。随后，介绍了用于估算飞行排放的排放计算方法学。

案例研究
在本案例研究中，使用修改后的BFFM2和MEEM方法评估了瑞典斯德哥尔摩到法国波尔多之间使用CFM56-7B27涡扇发动机驱动的波音737-800飞机的飞行排放。FDR提供了详细的运行数据，允许对燃料消耗和排放进行准确分析。本次飞行所用CJF的具体燃料特性不可用。因此，CJF和SAF混合燃料的燃料特性，如详细描述的...

结论
本研究的主要目标是提供一个综合框架，用于计算沿飞行轨迹SAF混合燃料的排放指数。首先介绍了确定混合燃料特性和计算与燃料消耗成正比的排放指数的方法。此外，提出了一种修改的BFFM2方法，以更准确地估算SAF混合燃料的HC、CO和NOx排放指数。这是通过为燃烧过程开发化学动力学模型来实现的...

作者贡献声明（CRediT）
Hakk? Aksoy：写作—审稿与编辑，写作—初稿撰写，可视化，验证，软件，资源，方法学，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。Simon Blakey：写作—审稿与编辑，写作—初稿撰写，验证，方法学，资金获取，形式分析，概念化。Jonathan Knapton：验证，方法学，形式分析，概念化。Parthiban Loganathan：写作—初稿撰写，可视化，软件...

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
本研究获得了欧盟地平线研究与创新计划，REPMAP项目的资助，资助协议编号101096698。

Hakk? Aksoy | Simon Blakey | Jonathan Knapton | Parthiban Loganathan | Elias Zea | Evelyn Otero
瑞典皇家理工学院，斯德哥尔摩，工程力学系