航空汽油发展概述及前景展望

向海，柳华，陈凯，夏祖西，肖勇（中国民用航空局第二研究所，四川 成都 610041）

综述与专论

航空汽油发展概述及前景展望

向海，柳华，陈凯，夏祖西，肖勇
（中国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组成部分。本文论述了国内外航空汽油从车用汽油、含铅航空汽油到无铅航空汽油，从低辛烷值到高辛烷值航空汽油的发展历程。比较含铅航空汽油和无铅航空汽油标准发现，辛烷值、铅含量、净热值、芳烃含量等技术指标的要求均有所区别。分析认为，标准技术指标不同的主要原因在于调合航空汽油的基础油不同。同时，本文指出了使用国产 100号航空汽油易造成火花塞积铅、气门烧蚀及气缸密封性降低等问题。目前美国联邦航空局已经对12家企业生产的102号无铅航空汽油进行审定，计划在2018年取代现有含铅航空汽油。由于环境保护和节能减排的要求，无铅化及生物汽油都是未来航空汽油的发展方向。

航空燃料；含铅和无铅航空汽油；活塞式发动机；技术指标；生物汽油

航空燃料的发展经历了漫长的历史过程，在同一时期还存在着各种不同种类和型号的燃料体系。但是归结起来，每一次航空发动机历史性跨越带来的航空领域重大变革，都会引发航空燃料的迅猛发展和革新［1］。航空燃料的发展离不开航空发动机，同样，没有航空燃料的保障，航空发动机也难以实现性能的不断提高。航空汽油作为航空燃料的重要组成部分，随着航空业的发展，也在不断进步。

1　活塞式发动机燃料的发展

活塞式发动机燃料的发展历史超过一个世纪之久。从最初的普通柴油到车用汽油，再到后续的航空汽油，其类型的每一次变革都对航空燃料发展带来重大影响［2］。

1.1初始阶段（20世纪初至20世纪20年代）

1903年，美国莱特兄弟制造出了第一架依靠动力系统进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，实现了人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行。其使用的是一个12匹马力的火花点火活塞式发动机，同时使用辛烷值低于 40［美国材料与测试协会（ASTM）估计值为40～70］的汽油［3］。

1.2发展阶段（20世纪20年代至20世纪50年代）

在第一次世界大战期间，人们也注意到某些飞机失事就是由于使用了不适当的燃油，从而发现了航空汽油抗爆震值的重要性。1921年，美国科学家Thomas MIDGLEY发现后来第一个商业化的四乙基铅（TEL）［4］。1923年，TEL开始在车用汽油中大量使用，成为世界通用的辛烷值改进剂［5］。1926年，TEL被美军用在了军用飞机上。

作为高效的抗爆性能改进剂，TEL还被广泛应用到航空汽油中。以美国为例，20世纪40年代，80/87（马达法辛烷值80，富气抗爆性能87）含铅汽油开始被低压缩比的航空活塞式发动机使用。80/87航空汽油也成为第一个有ASTM标准的航空汽油牌号［6］。

1.3完善阶段（20世纪50年代至21世纪初）

到了20世纪50年代，随着活塞式发动机对燃料抗爆性能要求的进一步提高，人类开始研制更高标号的航空汽油。91/98、100/130、115/145等含铅航空汽油应运而生，陆续进入通航领域。各牌号含铅航空汽油部分技术指标见表1。

表1　不同牌号含铅航空汽油部分技术指标比较［8］

但接下来的研究发现，如果在航空汽油中过量添加TEL，燃烧后铅会在火花塞上沉积，造成点火故障。1930年，ASTM的前身CFR就规定TEL的加入量不得超过3mL/gal［7］。由于铅对环境的污染及发动机的不利影响，美国环境保护署（EPA）开始要求各生产企业降低铅含量。100号低铅航空汽油（100LL）在20世纪90年代顺利通过美国联邦航空局（FAA）的适航批准，开始广泛应用于活塞式发动机飞机。2011年，ASTM进一步推出100号超低铅航空汽油（100VLL）标准，铅含量降低为100号航空汽油的40%左右。美国目前主要以100LL及100VLL航空汽油为主，符合ASTM D910标准要求，年使用量超过100万吨。

从ASTM D910标准中可以看出，美国航空汽油的命名主要根据其航空贫气辛烷值来确定。除了以上性质外，D910还对生产原料，添加剂、净热值、密度、冰点、硫含量等有明确要求。

到了20世纪70年代，随着人们环保意识的增强，美国环保署颁布了清洁空气法案。1996年，美国全面禁止使用车用含铅汽油。82号、87号无铅车用汽油（UL82，UL87）开始被活塞式发动机飞机使用［9］。两种航空汽油的组成除了碳氢化合物外，还允许添加甲醇、乙醇以及醚类化合物。对这两种航空汽油馏程及蒸气压的要求也与车用汽油基本一致（终馏点小于225℃，蒸气压低于63kPa）。

进入21世纪，各航空汽油生产企业开始进一步研究高标号无铅航空汽油。2009年，91号无铅航空汽油（UL91）开始进入市场，该牌号航空汽油也是目前商业化的唯一无铅航空汽油牌号，其产品符合ASTM D7547标准要求［10］。

我国通用航空起步较晚，直到20世纪70年代末才开始第一批低标号航空汽油的研制，主要是75号无铅航空汽油，由中国石油兰州石化公司生产。同时我国也在进行高标号航空汽油研究，主要以95号、100号含铅航空汽油为主。

由于 75号航空汽油生产工艺要求高，技术复杂，产量少，大型炼厂通常将其作为政治任务来完成。因此，75号航空汽油的生产辗转中国石化荆门石化、齐鲁石化等炼厂［11］。进入2008年后，75号航空汽油开始由中国石化北京燕山分公司进行生产，年产量约 8000t，仅供空军进行飞行训练使用［12］。

95号、100号航空汽油是目前我国航空汽油市场的主体，年产量约2万吨，由中国石油兰州石化生产，供于民航飞行学院训练及农垦等使用［13］。但是，国产95号、100号航空汽油铅含量较高（分别为100LL的2.5倍和2倍），使用后易在发动机气缸头及火花塞造成积铅，腐蚀发动机零件。

2014年，民航飞行学院洛阳分院西锐SR20飞机由于使用国产100号航空汽油造成气缸密闭性不严、气门卡阻、气门烧蚀等，反应了国产100号航空汽油与当前活塞式发动机使用不相匹配的问题。

表2　不同牌号国产航空汽油标准部分技术指标比较［14］

对比航空汽油国标和ASTM标准，国家标准增加了酸度、碘值、实际胶质、芳烃含量、水溶性酸或碱以及机械杂质及水分要求。分析原因，我国航空汽油主要采用加氢精制汽油作为生产航空汽油的主要组分。加氢精制汽油中，存在少量不饱和烃，可以采用碘值对不饱和烃进行测定。加氢精制过程也可能引入含酸或含碱化合物，影响航空汽油品质。同时，相比烷基化油，加氢精制汽油辛烷值较低，需要添加大量芳烃来提高航空汽油辛烷值，这也导致国标对芳烃含量要求高于ASTM标准。

2　含铅航空汽油存在的主要问题

四乙基铅本身就是剧毒物质，进入人体后可能引起幻视、幻听，严重时将使人昏迷乃至死亡。四乙基铅燃烧后生成的无机铅侵入大脑后将严重干扰人体新陈代谢活动，造成大脑供氧不足，引起中毒性神疾病［15］。

不仅如此，长期使用四乙基铅还会腐蚀发动机零件。钱人一［16］研究发现，长期使用含铅汽油将会增加发动机磨损，缩短机油更换间隔，增加发动机的辛烷值耐受性。袁春等［17］研究发现，含铅航空汽油的使用将会形成铅盐沉积，造成气门结构的不正常工作，严重时甚至造成气门烧蚀。鉴于四乙基铅对发动机及环境影响和人类健康的危害，欧美等发达国家对四乙基铅在航空汽油中的添加量进行了严格限制，并呈现逐年减少的趋势。虽然目前国际上广泛使用100LL航空汽油，但是100LL航空汽油的替代产品研发早已开始。

3　航空汽油未来发展趋势

3.1无铅航空汽油

目前ASTM有5个无铅航空汽油标准，分别为：ASTM D6227，对应 UL82和 UL87两种牌号；D7547，对应UL91牌号；D7592［18］，对应UL94牌号；D7719［19］和D7960［20］，分别对应Swift以及Shell制备的UL102航空汽油。

ASTM D6227对应的UL82和UL87两种航空汽油，由于辛烷值较低，无法满足现代活塞式发动机的使用要求，目前已经停产。D7547对应的UL91航空汽油是成熟的商业化产品，由瑞典Hjemlco公司生产，主要供于欧洲市场。D7719对应Swift公司生产的UL102航空汽油，其配方主要包含异构烷烃和芳烃两种组分。该标准于2011年发布，已由最初的测试用油标准更新为产品标准。D7960是根据Shell公司最新的UL102航空汽油配方，于2014年推出的新标准，其配方除了包含来自石油炼制的精炼烃，还包含了苯胺、醇类、醚类以及酯类化合物。4种航空汽油的具体技术指标见表3。

表3　不同牌号无铅航空汽油部分技术指标对比

比较UL91和两家炼油企业生产的UL102无铅航空汽油发现，Swift航空汽油主要以芳烃为主，其芳烃体积分数要求不小于70%。由于含有大量芳烃，其密度要求增加为 790～825kg/m3，净热值下降到不小于 41.5MJ/kg，50%、90%馏程增加为不超过165℃，终馏点也增加到 180℃。Shell无铅航空汽油中由于可能含有苯胺、酯类及醚类化合物，其净热值要求降低到42.0MJ/kg，终馏点增加到210℃，同时其电导率上限增加到2500pS/m。由于基本不采用直馏汽油作为原料，Shell无铅航空汽油的硫含量降低到0.005%。

FAA已经于2010年开始对包括Swift、Total、BP、Shell、Exxonmobil以及Gami等12家的UL102航空汽油测试用油进行审定，目前已经完成第一阶段包括理化性质、特性试验以及相容性试验的测试，即将开始发动机试验及试飞验证［21］。并且，美国计划在2020年全面使用无铅航空汽油，以替代现有的100LL低铅航空汽油。

3.2航空生物汽油

同传统燃料相比，航空生物燃料具有硫含量低、闪点高、燃烧后排放量低等特点，且具有不需要更换发动机和燃油系统的巨大优势，将成为航空业节能减排，实现绿色、可持续循环发展目标的重要途径［22］。

目前世界上已经有多个公司开始进行生物汽油的研究。Shell联合Virent公司生产的生物汽油已经通过欧洲汽车车队试验的第一次测试［23］。Primus绿色能源公司通过生物质转化技术的专有组合，已生产出高辛烷值生物汽油的首批样品［24］。Cool Planet能源系统公司于2012年宣布，使用其专利的机械过程和放大途径，将能够生产高辛烷值负碳可再生汽油［25］。徐美［26］以水稻秸秆和锯末为原料，以ZSM-5型催化剂催化热解制得生物油，芳香烃含量最高，可以作为高辛烷值组分添加进入航空汽油，提高抗爆性能。但是，生物燃料研发成本高、性质不稳定的特点，限制了其在航空汽油领域的应用。

4　结　语

航空汽油经历了漫长的发展期，从最初的低辛烷值车用汽油到高辛烷值车用汽油，从高含铅航空汽油到低铅甚至无铅航空汽油，其发展离不开活塞式发动机技术的变革。

鉴于含铅航空汽油燃烧造成铅排放在工业铅排放中占据越来越高的比例，虽然目前世界上还是以100LL航空汽油为主，但是越来越多的国家开始关注无铅航空汽油，特别是满足现代活塞式发动机要求的高辛烷值无铅航空汽油研发。美国目前已经开始审定的UL102航空汽油，满足现在所有活塞式发动机的使用要求。高辛烷值无铅航空汽油，必将成为未来航空汽油的主力军。

原油紧缺以及消耗殆尽的威胁已经迫在眉睫，航空生物燃料已经进入运输航空，开始在商业飞行中使用。相比航空生物燃料，发达国家也己经开始进行生物汽油的研发及生产。由原油炼制航空汽油的传统路线，未来也可能被生物质原料制备航空生物汽油的新技术所取代。

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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。

国家自然科学基金民航联合研究基金项目（U1333114）。

向海（1983—），男，硕士研究生。E-mail xianghai@fccc.org.cn。
联系人：柳华，教授级高级工程师。E-mail liuhua@fccc.org.cn。