航空汽油抗爆性指標及測試方法概述

鄧 川，向 海，曾 泰，柳 華

（中國民用航空局第二研究所，四川成都 610041）

航空汽油作為點燃式航空活塞發(fā)動機的燃料，是航空燃料的重要組成部分。20世紀中葉以前，航空汽油曾作為主要航空燃料廣泛使用。隨著航空工業(yè)技術的發(fā)展，航空業(yè)進入噴氣時代，噴氣燃料逐漸取代航空汽油成為主要的航空燃料。但是在低空空域，主要進行工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和建筑業(yè)作業(yè)飛行的通用航空業(yè)，仍然大量使用航空汽油作為航空燃料[1]。

抗爆性是航空汽油的重要技術指標，正常情況下，航空汽油均是通過火花塞點火而規(guī)律性的燃燒并做功。在某些特定條件下，航空汽油可能會自發(fā)燃燒，進而導致爆震的發(fā)生[2]。嚴重的爆震會導致發(fā)動機功率損失甚至損壞發(fā)動機，造成嚴重航空事故。因此，國際航空汽油標準ASTM D910、Def Stan 91-090及國內(nèi)航空汽油標準GB 1787，均將抗爆性作為基本技術指標進行要求。

1 航空汽油抗爆性指標及測試方法發(fā)展歷史

1.1 西方國家

1.1.1 早期摸索階段 1903年，萊特兄弟完成了人類首次飛行，其飛機發(fā)動機所使用的燃料是辛烷值只有38的直餾汽油[3，4]。1917年，美國海軍首次出版了航空汽油標準《Aeroplane Gasoline》，隨后美國政府標準和英國標準相繼發(fā)布，但上述標準并沒有抗爆性指標要求[4]。1923年，科學家H Ricardo在《The Internal Combustion Engine》[5]一書中，首次提出了航空汽油抗爆性的重要作用。1930年，美國空軍提出戰(zhàn)斗機油料的最小辛烷值為87，這是首次在航空汽油標準中列入抗爆性的要求[3]。

20世紀20年代，用于航空汽油抗爆性測試的CFR發(fā)動機制造成功，并在1932年得到了行業(yè)的基本認可。20世紀30年代，世界上出現(xiàn)了ASTM RON、ASTM MON、US Army MON、ASTM Aviation及British Air Ministry等抗爆性測試方法[4]。但上述5種方法，測試用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、混合氣溫度、點火角度、冷卻液溫度以及爆震測試方法都不盡相同，測試結果也有差異。為了解決差異問題，最終推出了ASTM D614（ASTM Aviation Method）標準，統(tǒng)一用航空評定法辛烷值（Aviation lean rating）來表征航空汽油的抗爆性能。需要指出的是，該指標只能代表貧油狀態(tài)下航空汽油的抗爆性能[6]。

第二次世界大戰(zhàn)期間，高增壓航空發(fā)動機開始廣泛使用，航空汽油富油狀態(tài)的抗爆性問題凸顯，原先的抗爆性指標和測試方法不能滿足需要。1941年，研究人員又設計了新的CFR發(fā)動機，專門用于測試富油狀態(tài)下的抗爆性能，并最終形成了ASTM D909方法[4]，用增壓等級來表征富油狀態(tài)下航空汽油的抗爆性能。增壓等級大于100定義為品度（Performance Number，PN），小于 100 為辛烷值（Octane Number，ON）。1942年，美國軍用燃料標準引入了富油狀態(tài)抗爆性指標，產(chǎn)業(yè)界開始使用抗爆性指標給航空汽油進行分級[3]。1947年，第一版ASTM D910暫定規(guī)格發(fā)布，并在第二年修訂，以規(guī)范航空汽油標準。該標準對富油和貧油狀態(tài)下的抗爆性指標均做出了要求（見表1）。

1.1.2 發(fā)展演變階段 20世紀60年代，ASTM發(fā)現(xiàn)，其 D614 方法與 D357（MON＜100）和 D1948（MON＞100）方法相當接近，馬達法辛烷值（Motor Octane Number，MON）結果可以換算成航空評定法辛烷值。因此，1968-1970年，ASTM先后將D1948、D357和D614作廢，作為替代，發(fā)布新的D2700標準，并將馬達法辛烷值與航空評定法辛烷值的換算方法加入其中（D2700，Table 8[7]）。至此，航空汽油的抗爆性指標和測試方法主要集中在了D909和D2700上，并在航空汽油主要產(chǎn)品標準中使用。

1996年，美國全面禁止含鉛車用汽油。1998年，ASTM D6227發(fā)布，允許活塞發(fā)動機飛機使用UL82無鉛航空汽油[8]，后又增加了UL87無鉛航空汽油規(guī)格。ASTM研究表明[9]，對于中等辛烷值的UL87航空汽油，僅需要馬達法辛烷值和研究法辛烷值（Research Octane Number，RON，ASTM D2699） 作為抗爆性指標即可，不需要富油狀態(tài)的抗爆性指標；對于低辛烷值UL82航空汽油，僅馬達法辛烷值指標即可。

表1 ASTM D910-48T對抗爆性指標的要求[4]Tab.1 Knock value requirements in ASTM D910-48T[4]

1.2 蘇聯(lián)地區(qū)

蘇聯(lián)在衛(wèi)國戰(zhàn)爭之前，僅使用直餾汽油作為航空燃料[3]。1941年批準的航空汽油國家標準ГОСТ 1012-41，主要指標含有抗爆性指標辛烷值。1946年，ГОСТ 1012-46將品度增加作為抗爆性指標[3]，并一直沿用。

1.3 中國

我國航空汽油標準基本是參照了蘇聯(lián)和西方標準，在航空汽油國家標準GB 1787-79中，對辛烷值（馬達法）和品度均作了要求。在GB 1787-2008中，繼續(xù)沿用上述指標。

2 航空汽油抗爆性指標及測試方法現(xiàn)狀

2.1 含鉛航空汽油

目前，100LL和100VLL是國外使用量最大的航空汽油[8]，其主要標準 ASTM D910及 Def Stan 91-090，最新版分別為17a及Issue 4（2015）。在我國，最新發(fā)布的GB 1787-2018中，也首次加入了100LL規(guī)格。

對于100LL航空汽油，ASTM D910、Def Stan 91-090及GB 1787的抗爆性指標基本一致（見表2），在D910中，繼續(xù)保留了航空評定法辛烷值。測試方法上，主要為D2700和D909，分別測試馬達法辛烷值和品度。IP236和GB/T 503與D2700基本一致，IP119和SH/T 0506與D909基本一致。需要說明的是，100LL航空汽油牌號中的100，仍代表的是航空評定法辛烷值不低于100，而之后發(fā)展的無鉛航空汽油，則代表的是馬達法辛烷值不低于某一數(shù)值。

2.2 無鉛航空汽油

2.2.1 中低辛烷值無鉛航空汽油 由于辛烷值較低，UL82和UL87航空汽油已經(jīng)停產(chǎn)[8]。近年來，ASTM相繼提出UL91和UL94兩個無鉛航空汽油規(guī)格。在發(fā)布初期，UL91和UL94的抗爆性指標與UL87一致，包括馬達法辛烷值和研究法辛烷值兩項。2015年發(fā)布的ASTM D7547-15，取消了對研究法辛烷值的要求，僅保留馬達法辛烷值，并一直沿用至今。

在歐洲，Def Stan 91-090 Issue 4增加了UL91規(guī)格，抗爆性指標為研究法辛烷值和馬達法辛烷值。在我國，GB 1787-2018[11]中，也首次增加了UL91航空汽油，抗爆性指標與ASTM一致，僅要求馬達法辛烷值。

2.2.2 高辛烷值無鉛航空汽油 由于UL91和UL94航空汽油辛烷值偏低，并不能大規(guī)模使用，F(xiàn)AA（美國聯(lián)邦航空局）正在評估高辛烷值無鉛航空汽油。高辛烷值無鉛航空汽油的主要規(guī)格為UL102，對應的標準有ASTM D7719和D7960，最新版本均為2017版。目前，UL102的抗爆性指標僅為馬達法辛烷值，暫時沒有富油狀態(tài)指標（見表 3）[12，13]。

在我國，航空汽油無鉛化也在推進過程中。為此，民航部門正在進行相關研究[14]，以期能在不遠的將來推出我國的UL102或類似牌號。

3 現(xiàn)行抗爆性指標測試方法的差異

ASTM D909和D2700分別作為富油狀態(tài)抗爆性指標測試方法和貧油狀態(tài)抗爆性指標的測試方法，有諸多相似之處，如測試用發(fā)動機都是單缸發(fā)動機且尺寸相近，均以異辛烷和正庚烷為標油且分別定義為100和0等。但是，兩種方法也有明顯的差異（見表4）。進行馬達法辛烷值測試的CFR F-2發(fā)動機，壓縮比可變，轉(zhuǎn)速為900 r/min，進氣壓力為常壓；進行增壓等級測試的CFR F-4發(fā)動機則固定壓縮比為7.0:1，轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，進氣進行了增壓處理。馬達法辛烷值測試時，首先根據(jù)樣品目標值調(diào)整發(fā)動機壓縮比，再通過改變?nèi)伎毡龋@得樣品和標油的最大爆震值，獲得試驗結果。增壓等級測試，則是通過調(diào)整進氣壓力，改變?nèi)伎毡?，獲得樣品和標油的標準爆震功率曲線，并計算獲得試驗結果，標準爆震功率定義的則是剛剛發(fā)生輕微爆震時的輸出功率，代表了發(fā)動機的最大做功能力。

表2 100LL航空汽油對抗爆性指標的要求[2，10，11]Tab.2 Knock value requirements of 100LL avgas[2，10，11]

表3 無鉛航空汽油對抗爆性指標的要求[10-13，15]Tab.3 Knock value requirements of unleaded avgas[10-13，15]

表4 ASTM D909與D2700的主要差異[7，16]Tab.4 The main differences between ASTM D909 and D2700[7，16]

4 航空汽油抗爆性指標及測試方法發(fā)展趨勢

含鉛航空汽油經(jīng)過了百年的發(fā)展，抗爆性指標及測試方法相對穩(wěn)定。無鉛航空汽油尤其是高辛烷值無鉛航空汽油抗爆性指標及測試方法發(fā)展方向仍具有不確定性。

FAA原本預計2018年全面禁止含鉛航空汽油的使用[14]，并以高辛烷值無鉛航空汽油替代，達到減少鉛排放，保護環(huán)境的目的。截至目前，F(xiàn)AA對高辛烷值無鉛航空汽油的全面評估尚未完成，對抗爆性的評估已經(jīng)進入全尺寸發(fā)動機臺架試驗階段。根據(jù)前期ASTM和各大航空汽油生產(chǎn)廠商的研究數(shù)據(jù)[17，18]，高辛烷值無鉛航空汽油使用D909方法測試的品度通常滿足傳統(tǒng)含鉛航空汽油的指標要求，但部分測試用油的品度達161（D909測試上限）以上。以Swift公司的測試用油為例[17]，其指標符合ASTM D7719的要求，馬達法辛烷值為102.6，品度測試結果卻高于161；即使與100LL以60%：40%混合后，馬達法辛烷值下降到100.8，品度仍然可達161。反觀100LL航空汽油，馬達法辛烷值為103左右時，其品度一般在140左右；馬達法辛烷值在102左右時，其品度一般在135左右。因此，D909方法不適用于高辛烷值無鉛航空汽油的抗爆性測試。其主要原因則是D909使用的是含鉛異辛烷作為標油進行品度測試，組成的不同，導致高辛烷值無鉛航空汽油在D909條件下的測試結果，與標油的趨勢不盡一致。

D909方法不能使用，并不意味著高辛烷值無鉛航空汽油不需要富油狀態(tài)抗爆性指標。至于如何定義該指標，尚需等待全尺寸發(fā)動機臺架試驗的結果。另一方面，與車用汽油類似，馬達法辛烷值與研究法辛烷值的聯(lián)合指標或許也可用于表征高辛烷值無鉛航空汽油的抗爆性能[19]。

5 結語

航空汽油經(jīng)歷了漫長的發(fā)展期，其抗爆性指標和測試方法也由無變有并不斷發(fā)展和完善。航空汽油的無鉛化是未來的發(fā)展方向，高辛烷值無鉛航空汽油的抗爆性指標和測試方法將如何定義還是未知數(shù)，是采用新的富油狀態(tài)抗爆性指標，或者選擇新的綜合性指標，尚需等待FAA的最終評估結果。但是，正如含鉛航空汽油抗爆性指標的發(fā)展歷程一樣，最終將找到合適的指標和測試方法，推動航空汽油的不斷發(fā)展。