航空汽油發(fā)展概述及前景展望

向海，柳華，陳凱，夏祖西，肖勇（中國民用航空局第二研究所，四川 成都 610041）

綜述與專論

航空汽油發(fā)展概述及前景展望

向海，柳華，陳凱，夏祖西，肖勇
（中國民用航空局第二研究所，四川 成都 610041）

航空汽油是航空燃料的重要組成部分。本文論述了國內(nèi)外航空汽油從車用汽油、含鉛航空汽油到無鉛航空汽油，從低辛烷值到高辛烷值航空汽油的發(fā)展歷程。比較含鉛航空汽油和無鉛航空汽油標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，辛烷值、鉛含量、凈熱值、芳烴含量等技術(shù)指標(biāo)的要求均有所區(qū)別。分析認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)不同的主要原因在于調(diào)合航空汽油的基礎(chǔ)油不同。同時(shí)，本文指出了使用國產(chǎn) 100號航空汽油易造成火花塞積鉛、氣門燒蝕及氣缸密封性降低等問題。目前美國聯(lián)邦航空局已經(jīng)對12家企業(yè)生產(chǎn)的102號無鉛航空汽油進(jìn)行審定，計(jì)劃在2018年取代現(xiàn)有含鉛航空汽油。由于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的要求，無鉛化及生物汽油都是未來航空汽油的發(fā)展方向。

航空燃料；含鉛和無鉛航空汽油；活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；技術(shù)指標(biāo)；生物汽油

航空燃料的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的歷史過程，在同一時(shí)期還存在著各種不同種類和型號的燃料體系。但是歸結(jié)起來，每一次航空發(fā)動(dòng)機(jī)歷史性跨越帶來的航空領(lǐng)域重大變革，都會(huì)引發(fā)航空燃料的迅猛發(fā)展和革新［1］。航空燃料的發(fā)展離不開航空發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣，沒有航空燃料的保障，航空發(fā)動(dòng)機(jī)也難以實(shí)現(xiàn)性能的不斷提高。航空汽油作為航空燃料的重要組成部分，隨著航空業(yè)的發(fā)展，也在不斷進(jìn)步。

1　活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的發(fā)展

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的發(fā)展歷史超過一個(gè)世紀(jì)之久。從最初的普通柴油到車用汽油，再到后續(xù)的航空汽油，其類型的每一次變革都對航空燃料發(fā)展帶來重大影響［2］。

1.1初始階段（20世紀(jì)初至20世紀(jì)20年代）

1903年，美國萊特兄弟制造出了第一架依靠動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行載人飛行的飛機(jī)“飛行者”1號，實(shí)現(xiàn)了人類首次持續(xù)的、有動(dòng)力的、可操縱的飛行。其使用的是一個(gè)12匹馬力的火花點(diǎn)火活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)使用辛烷值低于 40［美國材料與測試協(xié)會(huì)（ASTM）估計(jì)值為40～70］的汽油［3］。

1.2發(fā)展階段（20世紀(jì)20年代至20世紀(jì)50年代）

在第一次世界大戰(zhàn)期間，人們也注意到某些飛機(jī)失事就是由于使用了不適當(dāng)?shù)娜加?，從而發(fā)現(xiàn)了航空汽油抗爆震值的重要性。1921年，美國科學(xué)家Thomas MIDGLEY發(fā)現(xiàn)后來第一個(gè)商業(yè)化的四乙基鉛（TEL）［4］。1923年，TEL開始在車用汽油中大量使用，成為世界通用的辛烷值改進(jìn)劑［5］。1926年，TEL被美軍用在了軍用飛機(jī)上。

作為高效的抗爆性能改進(jìn)劑，TEL還被廣泛應(yīng)用到航空汽油中。以美國為例，20世紀(jì)40年代，80/87（馬達(dá)法辛烷值80，富氣抗爆性能87）含鉛汽油開始被低壓縮比的航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)使用。80/87航空汽油也成為第一個(gè)有ASTM標(biāo)準(zhǔn)的航空汽油牌號［6］。

1.3完善階段（20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初）

到了20世紀(jì)50年代，隨著活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)對燃料抗爆性能要求的進(jìn)一步提高，人類開始研制更高標(biāo)號的航空汽油。91/98、100/130、115/145等含鉛航空汽油應(yīng)運(yùn)而生，陸續(xù)進(jìn)入通航領(lǐng)域。各牌號含鉛航空汽油部分技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　不同牌號含鉛航空汽油部分技術(shù)指標(biāo)比較［8］

但接下來的研究發(fā)現(xiàn)，如果在航空汽油中過量添加TEL，燃燒后鉛會(huì)在火花塞上沉積，造成點(diǎn)火故障。1930年，ASTM的前身CFR就規(guī)定TEL的加入量不得超過3mL/gal［7］。由于鉛對環(huán)境的污染及發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響，美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）開始要求各生產(chǎn)企業(yè)降低鉛含量。100號低鉛航空汽油（100LL）在20世紀(jì)90年代順利通過美國聯(lián)邦航空局（FAA）的適航批準(zhǔn)，開始廣泛應(yīng)用于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)。2011年，ASTM進(jìn)一步推出100號超低鉛航空汽油（100VLL）標(biāo)準(zhǔn)，鉛含量降低為100號航空汽油的40%左右。美國目前主要以100LL及100VLL航空汽油為主，符合ASTM D910標(biāo)準(zhǔn)要求，年使用量超過100萬噸。

從ASTM D910標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，美國航空汽油的命名主要根據(jù)其航空貧氣辛烷值來確定。除了以上性質(zhì)外，D910還對生產(chǎn)原料，添加劑、凈熱值、密度、冰點(diǎn)、硫含量等有明確要求。

到了20世紀(jì)70年代，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，美國環(huán)保署頒布了清潔空氣法案。1996年，美國全面禁止使用車用含鉛汽油。82號、87號無鉛車用汽油（UL82，UL87）開始被活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)使用［9］。兩種航空汽油的組成除了碳?xì)浠衔锿?，還允許添加甲醇、乙醇以及醚類化合物。對這兩種航空汽油餾程及蒸氣壓的要求也與車用汽油基本一致（終餾點(diǎn)小于225℃，蒸氣壓低于63kPa）。

進(jìn)入21世紀(jì)，各航空汽油生產(chǎn)企業(yè)開始進(jìn)一步研究高標(biāo)號無鉛航空汽油。2009年，91號無鉛航空汽油（UL91）開始進(jìn)入市場，該牌號航空汽油也是目前商業(yè)化的唯一無鉛航空汽油牌號，其產(chǎn)品符合ASTM D7547標(biāo)準(zhǔn)要求［10］。

我國通用航空起步較晚，直到20世紀(jì)70年代末才開始第一批低標(biāo)號航空汽油的研制，主要是75號無鉛航空汽油，由中國石油蘭州石化公司生產(chǎn)。同時(shí)我國也在進(jìn)行高標(biāo)號航空汽油研究，主要以95號、100號含鉛航空汽油為主。

由于 75號航空汽油生產(chǎn)工藝要求高，技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)量少，大型煉廠通常將其作為政治任務(wù)來完成。因此，75號航空汽油的生產(chǎn)輾轉(zhuǎn)中國石化荊門石化、齊魯石化等煉廠［11］。進(jìn)入2008年后，75號航空汽油開始由中國石化北京燕山分公司進(jìn)行生產(chǎn)，年產(chǎn)量約 8000t，僅供空軍進(jìn)行飛行訓(xùn)練使用［12］。

95號、100號航空汽油是目前我國航空汽油市場的主體，年產(chǎn)量約2萬噸，由中國石油蘭州石化生產(chǎn)，供于民航飛行學(xué)院訓(xùn)練及農(nóng)墾等使用［13］。但是，國產(chǎn)95號、100號航空汽油鉛含量較高（分別為100LL的2.5倍和2倍），使用后易在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸頭及火花塞造成積鉛，腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

2014年，民航飛行學(xué)院洛陽分院西銳SR20飛機(jī)由于使用國產(chǎn)100號航空汽油造成氣缸密閉性不嚴(yán)、氣門卡阻、氣門燒蝕等，反應(yīng)了國產(chǎn)100號航空汽油與當(dāng)前活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)使用不相匹配的問題。

表2　不同牌號國產(chǎn)航空汽油標(biāo)準(zhǔn)部分技術(shù)指標(biāo)比較［14］

對比航空汽油國標(biāo)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)增加了酸度、碘值、實(shí)際膠質(zhì)、芳烴含量、水溶性酸或堿以及機(jī)械雜質(zhì)及水分要求。分析原因，我國航空汽油主要采用加氫精制汽油作為生產(chǎn)航空汽油的主要組分。加氫精制汽油中，存在少量不飽和烴，可以采用碘值對不飽和烴進(jìn)行測定。加氫精制過程也可能引入含酸或含堿化合物，影響航空汽油品質(zhì)。同時(shí)，相比烷基化油，加氫精制汽油辛烷值較低，需要添加大量芳烴來提高航空汽油辛烷值，這也導(dǎo)致國標(biāo)對芳烴含量要求高于ASTM標(biāo)準(zhǔn)。

2　含鉛航空汽油存在的主要問題

四乙基鉛本身就是劇毒物質(zhì)，進(jìn)入人體后可能引起幻視、幻聽，嚴(yán)重時(shí)將使人昏迷乃至死亡。四乙基鉛燃燒后生成的無機(jī)鉛侵入大腦后將嚴(yán)重干擾人體新陳代謝活動(dòng)，造成大腦供氧不足，引起中毒性神疾?。?5］。

不僅如此，長期使用四乙基鉛還會(huì)腐蝕發(fā)動(dòng)機(jī)零件。錢人一［16］研究發(fā)現(xiàn)，長期使用含鉛汽油將會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，縮短機(jī)油更換間隔，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的辛烷值耐受性。袁春等［17］研究發(fā)現(xiàn)，含鉛航空汽油的使用將會(huì)形成鉛鹽沉積，造成氣門結(jié)構(gòu)的不正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至造成氣門燒蝕。鑒于四乙基鉛對發(fā)動(dòng)機(jī)及環(huán)境影響和人類健康的危害，歐美等發(fā)達(dá)國家對四乙基鉛在航空汽油中的添加量進(jìn)行了嚴(yán)格限制，并呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。雖然目前國際上廣泛使用100LL航空汽油，但是100LL航空汽油的替代產(chǎn)品研發(fā)早已開始。

3　航空汽油未來發(fā)展趨勢

3.1無鉛航空汽油

目前ASTM有5個(gè)無鉛航空汽油標(biāo)準(zhǔn)，分別為：ASTM D6227，對應(yīng) UL82和 UL87兩種牌號；D7547，對應(yīng)UL91牌號；D7592［18］，對應(yīng)UL94牌號；D7719［19］和D7960［20］，分別對應(yīng)Swift以及Shell制備的UL102航空汽油。

ASTM D6227對應(yīng)的UL82和UL87兩種航空汽油，由于辛烷值較低，無法滿足現(xiàn)代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，目前已經(jīng)停產(chǎn)。D7547對應(yīng)的UL91航空汽油是成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，由瑞典Hjemlco公司生產(chǎn)，主要供于歐洲市場。D7719對應(yīng)Swift公司生產(chǎn)的UL102航空汽油，其配方主要包含異構(gòu)烷烴和芳烴兩種組分。該標(biāo)準(zhǔn)于2011年發(fā)布，已由最初的測試用油標(biāo)準(zhǔn)更新為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。D7960是根據(jù)Shell公司最新的UL102航空汽油配方，于2014年推出的新標(biāo)準(zhǔn)，其配方除了包含來自石油煉制的精煉烴，還包含了苯胺、醇類、醚類以及酯類化合物。4種航空汽油的具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3　不同牌號無鉛航空汽油部分技術(shù)指標(biāo)對比

比較UL91和兩家煉油企業(yè)生產(chǎn)的UL102無鉛航空汽油發(fā)現(xiàn)，Swift航空汽油主要以芳烴為主，其芳烴體積分?jǐn)?shù)要求不小于70%。由于含有大量芳烴，其密度要求增加為 790～825kg/m3，凈熱值下降到不小于 41.5MJ/kg，50%、90%餾程增加為不超過165℃，終餾點(diǎn)也增加到 180℃。Shell無鉛航空汽油中由于可能含有苯胺、酯類及醚類化合物，其凈熱值要求降低到42.0MJ/kg，終餾點(diǎn)增加到210℃，同時(shí)其電導(dǎo)率上限增加到2500pS/m。由于基本不采用直餾汽油作為原料，Shell無鉛航空汽油的硫含量降低到0.005%。

FAA已經(jīng)于2010年開始對包括Swift、Total、BP、Shell、Exxonmobil以及Gami等12家的UL102航空汽油測試用油進(jìn)行審定，目前已經(jīng)完成第一階段包括理化性質(zhì)、特性試驗(yàn)以及相容性試驗(yàn)的測試，即將開始發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及試飛驗(yàn)證［21］。并且，美國計(jì)劃在2020年全面使用無鉛航空汽油，以替代現(xiàn)有的100LL低鉛航空汽油。

3.2航空生物汽油

同傳統(tǒng)燃料相比，航空生物燃料具有硫含量低、閃點(diǎn)高、燃燒后排放量低等特點(diǎn)，且具有不需要更換發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢，將成為航空業(yè)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)循環(huán)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑［22］。

目前世界上已經(jīng)有多個(gè)公司開始進(jìn)行生物汽油的研究。Shell聯(lián)合Virent公司生產(chǎn)的生物汽油已經(jīng)通過歐洲汽車車隊(duì)試驗(yàn)的第一次測試［23］。Primus綠色能源公司通過生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的專有組合，已生產(chǎn)出高辛烷值生物汽油的首批樣品［24］。Cool Planet能源系統(tǒng)公司于2012年宣布，使用其專利的機(jī)械過程和放大途徑，將能夠生產(chǎn)高辛烷值負(fù)碳可再生汽油［25］。徐美［26］以水稻秸稈和鋸末為原料，以ZSM-5型催化劑催化熱解制得生物油，芳香烴含量最高，可以作為高辛烷值組分添加進(jìn)入航空汽油，提高抗爆性能。但是，生物燃料研發(fā)成本高、性質(zhì)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，限制了其在航空汽油領(lǐng)域的應(yīng)用。

4　結(jié)　語

航空汽油經(jīng)歷了漫長的發(fā)展期，從最初的低辛烷值車用汽油到高辛烷值車用汽油，從高含鉛航空汽油到低鉛甚至無鉛航空汽油，其發(fā)展離不開活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的變革。

鑒于含鉛航空汽油燃燒造成鉛排放在工業(yè)鉛排放中占據(jù)越來越高的比例，雖然目前世界上還是以100LL航空汽油為主，但是越來越多的國家開始關(guān)注無鉛航空汽油，特別是滿足現(xiàn)代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)要求的高辛烷值無鉛航空汽油研發(fā)。美國目前已經(jīng)開始審定的UL102航空汽油，滿足現(xiàn)在所有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。高辛烷值無鉛航空汽油，必將成為未來航空汽油的主力軍。

原油緊缺以及消耗殆盡的威脅已經(jīng)迫在眉睫，航空生物燃料已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)輸航空，開始在商業(yè)飛行中使用。相比航空生物燃料，發(fā)達(dá)國家也己經(jīng)開始進(jìn)行生物汽油的研發(fā)及生產(chǎn)。由原油煉制航空汽油的傳統(tǒng)路線，未來也可能被生物質(zhì)原料制備航空生物汽油的新技術(shù)所取代。

［1］曲連賀，朱岳麟，熊常健. 航空燃料發(fā)展綜述［J］. 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9（2）：37-41.

［2］季鶴鳴. 航空動(dòng)力百年回顧［J］. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2003，29（1）：56-58.

［3］OGSTON A R. A short history of aviation gasoline development. SAE Technical Paper 810848［R］. US:SAE. 1981:1903-1980.

［4］SCHRECK K M，HILLMYER M A. Block copolymers and meltblends of polylactide with NodaxTMmicrobial polyester：preparation and mechanical properties［J］.J. Biotechn.，2007，132 （3）：287-289.

［5］奇貨. 汽油抗爆劑發(fā)展方向［J］. 中國科技信息，2002（10）：52-53.

［6］王霞，韓莎莎. 通用航空60年回顧與展望［J］. 中國民用航空，2011 （12）：12-14.

［7］柳華. 航空汽油在通用航空中的應(yīng)用［J］. 中國民用航空，2013 （11）：56-57.

［8］American Society for Testing and Materials. Leaded aviation gasolines：ASTM D910-15［S］. America，2015.

［9］American Society for Testing and Materials. Unleaded aviation gasoline containing a non-hydrocarbon component：ASTM D6227-14［S］.

America，2014.

［10］American Society for Testing and Materials. Hydrocarbon unleaded aviation gasoline：ASTM D7547-14b ［S］. America，2014.

［11］石堅(jiān)，王發(fā)根，劉保民. 75#航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的開發(fā)及生產(chǎn)［J］. 齊魯石油化工，2002，30（2）：89-91.

［12］趙忠水. 燕山石化75號航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的研發(fā)與生成［D］.北京：中國石油大學(xué)，2011.

［13］袁明江，張珂，孫龍江，等. 我國航空汽油產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析［J］. 中外能源，2015，20（7）：72-75.

［14］中國石油化工集團(tuán)公司. 航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料：GB 1787—2008［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［15］CARR I E，LEE M，Marin K，et al. Development and evaluation of an air quality modeling approach to assess near-field impacts of lead emissions form piston-engine aircraft operating on leaded aviation gasoline［J］. Atmospheric Environment，2011，45（32）：5795-5804.

［16］錢人一. 含鉛汽油對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命的影響［J］. 環(huán)保與安全，1999（6/7/8）：32.

［17］袁春，張宗偉. 含鉛汽油對航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的不利影響初探［J］.機(jī)械，2011，38（s1）：14-16.

［18］American Society for Testing and Materials. Grade 94 unleaded aviation gasoline certification and test fuel：ASTM D7592-15［S］. America，2015.

［19］American Society for Testing and Materials. High aromatic content unleaded hydrocarbon aviation gasoline：ASTM D7719-14d［S］. America，2015.

［20］American Society for Testing and Materials. Unleaded aviation gasoline test fuel：ASTM D7960-14［S］. America，2014.

［21］FAA. About aviation gasoline［EB/OL］. http://www.faa.gov/about/ initiatives/avgas/.

［22］孫曉英，劉祥，趙雪冰，等. 航空生物燃料制備技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］. 生物工程學(xué)報(bào)，2013，29（3）：285-298.

［23］殼牌石油公司研究新型生物汽油［J］. 工業(yè)催化，2008（6）：74.

［24］Primus綠色能源公司生產(chǎn)出高辛烷值生物汽油的首批樣品［J］. 精細(xì)石油化工進(jìn)展，2012，13（3）：14.

［25］Cool Planet公司將以每加侖1.50美元生產(chǎn)負(fù)碳的高辛烷值生物汽油［J］. 精細(xì)石油化工進(jìn)展，2012，13（12）：13.

［26］徐美. 生物質(zhì)基新型航空汽油的基礎(chǔ)研究［D］. 沈陽: 沈陽航空航天大學(xué)，2012.

Overview of the development of aviation gasoline and its prospect

XIANG Hai，LIU Hua，CHEN Kai，XIA Zuxi，XIAO Yong
（The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China，Chengdu 610041，Sichuan，China）

Aviation gasoline is an important member of aviation fuels. This article discusses the progress of aviation gasoline at home and abroad，which undergoes a course from mobile gasoline to leaded and unleaded aviation gasoline and that from low octane number to high octane number. Comparing the leaded and unleaded aviation gasoline standards，we find that there are several different technical indexes，including octane number，lead content，net heat of combustion，aromatic content etc. The analysis shows the differences in the two standards are because various base oils have been used to blend avgas. Simultaneously，this article points out it is possible to observe lead deposit，valve ablation and cylinder sealing reduction in piston engine when using Chinese 100 aviation gasoline. Unleaded 102 avgas produced by 12 manufactures have already been approved by the Federal Aviation Administration and is planned to replace the leaded avgas in 2018. Because of the demands of environment protection，energy-saving and emission-reduction，unleaded and bio-gasoline should be the development directions of aviation gasoline.

aviation fuels；leaded and unleaded aviation gasoline；piston engine；technical index；bio-gasoline

V31

A

1000-6613（2016）08-2393-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.14

2015-12-21；修改稿日期：2016-01-30。

國家自然科學(xué)基金民航聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（U1333114）。

向海（1983—），男，碩士研究生。E-mail xianghai@fccc.org.cn。
聯(lián)系人：柳華，教授級高級工程師。E-mail liuhua@fccc.org.cn。