航空汽油抗爆性指标及测试方法概述

邓 川，向 海，曾 泰，柳 华

（中国民用航空局第二研究所，四川成都 610041）

航空汽油作为点燃式航空活塞发动机的燃料，是航空燃料的重要组成部分。20世纪中叶以前，航空汽油曾作为主要航空燃料广泛使用。随着航空工业技术的发展，航空业进入喷气时代，喷气燃料逐渐取代航空汽油成为主要的航空燃料。但是在低空空域，主要进行工业、农业、林业、渔业和建筑业作业飞行的通用航空业，仍然大量使用航空汽油作为航空燃料[1]。

抗爆性是航空汽油的重要技术指标，正常情况下，航空汽油均是通过火花塞点火而规律性的燃烧并做功。在某些特定条件下，航空汽油可能会自发燃烧，进而导致爆震的发生[2]。严重的爆震会导致发动机功率损失甚至损坏发动机，造成严重航空事故。因此，国际航空汽油标准ASTM D910、Def Stan 91-090及国内航空汽油标准GB 1787，均将抗爆性作为基本技术指标进行要求。

1 航空汽油抗爆性指标及测试方法发展历史

1.1 西方国家

1.1.1 早期摸索阶段 1903年，莱特兄弟完成了人类首次飞行，其飞机发动机所使用的燃料是辛烷值只有38的直馏汽油[3，4]。1917年，美国海军首次出版了航空汽油标准《Aeroplane Gasoline》，随后美国政府标准和英国标准相继发布，但上述标准并没有抗爆性指标要求[4]。1923年，科学家H Ricardo在《The Internal Combustion Engine》[5]一书中，首次提出了航空汽油抗爆性的重要作用。1930年，美国空军提出战斗机油料的最小辛烷值为87，这是首次在航空汽油标准中列入抗爆性的要求[3]。

20世纪20年代，用于航空汽油抗爆性测试的CFR发动机制造成功，并在1932年得到了行业的基本认可。20世纪30年代，世界上出现了ASTM RON、ASTM MON、US Army MON、ASTM Aviation及British Air Ministry等抗爆性测试方法[4]。但上述5种方法，测试用发动机的转速、混合气温度、点火角度、冷却液温度以及爆震测试方法都不尽相同，测试结果也有差异。为了解决差异问题，最终推出了ASTM D614（ASTM Aviation Method）标准，统一用航空评定法辛烷值（Aviation lean rating）来表征航空汽油的抗爆性能。需要指出的是，该指标只能代表贫油状态下航空汽油的抗爆性能[6]。

第二次世界大战期间，高增压航空发动机开始广泛使用，航空汽油富油状态的抗爆性问题凸显，原先的抗爆性指标和测试方法不能满足需要。1941年，研究人员又设计了新的CFR发动机，专门用于测试富油状态下的抗爆性能，并最终形成了ASTM D909方法[4]，用增压等级来表征富油状态下航空汽油的抗爆性能。增压等级大于100定义为品度（Performance Number，PN），小于 100 为辛烷值（Octane Number，ON）。1942年，美国军用燃料标准引入了富油状态抗爆性指标，产业界开始使用抗爆性指标给航空汽油进行分级[3]。1947年，第一版ASTM D910暂定规格发布，并在第二年修订，以规范航空汽油标准。该标准对富油和贫油状态下的抗爆性指标均做出了要求（见表1）。

1.1.2 发展演变阶段 20世纪60年代，ASTM发现，其 D614 方法与 D357（MON＜100）和 D1948（MON＞100）方法相当接近，马达法辛烷值（Motor Octane Number，MON）结果可以换算成航空评定法辛烷值。因此，1968-1970年，ASTM先后将D1948、D357和D614作废，作为替代，发布新的D2700标准，并将马达法辛烷值与航空评定法辛烷值的换算方法加入其中（D2700，Table 8[7]）。至此，航空汽油的抗爆性指标和测试方法主要集中在了D909和D2700上，并在航空汽油主要产品标准中使用。

1996年，美国全面禁止含铅车用汽油。1998年，ASTM D6227发布，允许活塞发动机飞机使用UL82无铅航空汽油[8]，后又增加了UL87无铅航空汽油规格。ASTM研究表明[9]，对于中等辛烷值的UL87航空汽油，仅需要马达法辛烷值和研究法辛烷值（Research Octane Number，RON，ASTM D2699） 作为抗爆性指标即可，不需要富油状态的抗爆性指标；对于低辛烷值UL82航空汽油，仅马达法辛烷值指标即可。

表1 ASTM D910-48T对抗爆性指标的要求[4]Tab.1 Knock value requirements in ASTM D910-48T[4]

1.2 苏联地区

苏联在卫国战争之前，仅使用直馏汽油作为航空燃料[3]。1941年批准的航空汽油国家标准ГОСТ 1012-41，主要指标含有抗爆性指标辛烷值。1946年，ГОСТ 1012-46将品度增加作为抗爆性指标[3]，并一直沿用。

1.3 中国

我国航空汽油标准基本是参照了苏联和西方标准，在航空汽油国家标准GB 1787-79中，对辛烷值（马达法）和品度均作了要求。在GB 1787-2008中，继续沿用上述指标。

2 航空汽油抗爆性指标及测试方法现状

2.1 含铅航空汽油

目前，100LL和100VLL是国外使用量最大的航空汽油[8]，其主要标准 ASTM D910及 Def Stan 91-090，最新版分别为17a及Issue 4（2015）。在我国，最新发布的GB 1787-2018中，也首次加入了100LL规格。

对于100LL航空汽油，ASTM D910、Def Stan 91-090及GB 1787的抗爆性指标基本一致（见表2），在D910中，继续保留了航空评定法辛烷值。测试方法上，主要为D2700和D909，分别测试马达法辛烷值和品度。IP236和GB/T 503与D2700基本一致，IP119和SH/T 0506与D909基本一致。需要说明的是，100LL航空汽油牌号中的100，仍代表的是航空评定法辛烷值不低于100，而之后发展的无铅航空汽油，则代表的是马达法辛烷值不低于某一数值。

2.2 无铅航空汽油

2.2.1 中低辛烷值无铅航空汽油 由于辛烷值较低，UL82和UL87航空汽油已经停产[8]。近年来，ASTM相继提出UL91和UL94两个无铅航空汽油规格。在发布初期，UL91和UL94的抗爆性指标与UL87一致，包括马达法辛烷值和研究法辛烷值两项。2015年发布的ASTM D7547-15，取消了对研究法辛烷值的要求，仅保留马达法辛烷值，并一直沿用至今。

在欧洲，Def Stan 91-090 Issue 4增加了UL91规格，抗爆性指标为研究法辛烷值和马达法辛烷值。在我国，GB 1787-2018[11]中，也首次增加了UL91航空汽油，抗爆性指标与ASTM一致，仅要求马达法辛烷值。

2.2.2 高辛烷值无铅航空汽油 由于UL91和UL94航空汽油辛烷值偏低，并不能大规模使用，FAA（美国联邦航空局）正在评估高辛烷值无铅航空汽油。高辛烷值无铅航空汽油的主要规格为UL102，对应的标准有ASTM D7719和D7960，最新版本均为2017版。目前，UL102的抗爆性指标仅为马达法辛烷值，暂时没有富油状态指标（见表 3）[12，13]。

在我国，航空汽油无铅化也在推进过程中。为此，民航部门正在进行相关研究[14]，以期能在不远的将来推出我国的UL102或类似牌号。

3 现行抗爆性指标测试方法的差异

ASTM D909和D2700分别作为富油状态抗爆性指标测试方法和贫油状态抗爆性指标的测试方法，有诸多相似之处，如测试用发动机都是单缸发动机且尺寸相近，均以异辛烷和正庚烷为标油且分别定义为100和0等。但是，两种方法也有明显的差异（见表4）。进行马达法辛烷值测试的CFR F-2发动机，压缩比可变，转速为900 r/min，进气压力为常压；进行增压等级测试的CFR F-4发动机则固定压缩比为7.0:1，转速为1 800 r/min，进气进行了增压处理。马达法辛烷值测试时，首先根据样品目标值调整发动机压缩比，再通过改变燃空比，获得样品和标油的最大爆震值，获得试验结果。增压等级测试，则是通过调整进气压力，改变燃空比，获得样品和标油的标准爆震功率曲线，并计算获得试验结果，标准爆震功率定义的则是刚刚发生轻微爆震时的输出功率，代表了发动机的最大做功能力。

表2 100LL航空汽油对抗爆性指标的要求[2，10，11]Tab.2 Knock value requirements of 100LL avgas[2，10，11]

表3 无铅航空汽油对抗爆性指标的要求[10-13，15]Tab.3 Knock value requirements of unleaded avgas[10-13，15]

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

4 航空汽油抗爆性指标及测试方法发展趋势

含铅航空汽油经过了百年的发展，抗爆性指标及测试方法相对稳定。无铅航空汽油尤其是高辛烷值无铅航空汽油抗爆性指标及测试方法发展方向仍具有不确定性。

FAA原本预计2018年全面禁止含铅航空汽油的使用[14]，并以高辛烷值无铅航空汽油替代，达到减少铅排放，保护环境的目的。截至目前，FAA对高辛烷值无铅航空汽油的全面评估尚未完成，对抗爆性的评估已经进入全尺寸发动机台架试验阶段。根据前期ASTM和各大航空汽油生产厂商的研究数据[17，18]，高辛烷值无铅航空汽油使用D909方法测试的品度通常满足传统含铅航空汽油的指标要求，但部分测试用油的品度达161（D909测试上限）以上。以Swift公司的测试用油为例[17]，其指标符合ASTM D7719的要求，马达法辛烷值为102.6，品度测试结果却高于161；即使与100LL以60%：40%混合后，马达法辛烷值下降到100.8，品度仍然可达161。反观100LL航空汽油，马达法辛烷值为103左右时，其品度一般在140左右；马达法辛烷值在102左右时，其品度一般在135左右。因此，D909方法不适用于高辛烷值无铅航空汽油的抗爆性测试。其主要原因则是D909使用的是含铅异辛烷作为标油进行品度测试，组成的不同，导致高辛烷值无铅航空汽油在D909条件下的测试结果，与标油的趋势不尽一致。

D909方法不能使用，并不意味着高辛烷值无铅航空汽油不需要富油状态抗爆性指标。至于如何定义该指标，尚需等待全尺寸发动机台架试验的结果。另一方面，与车用汽油类似，马达法辛烷值与研究法辛烷值的联合指标或许也可用于表征高辛烷值无铅航空汽油的抗爆性能[19]。

5 结语

航空汽油经历了漫长的发展期，其抗爆性指标和测试方法也由无变有并不断发展和完善。航空汽油的无铅化是未来的发展方向，高辛烷值无铅航空汽油的抗爆性指标和测试方法将如何定义还是未知数，是采用新的富油状态抗爆性指标，或者选择新的综合性指标，尚需等待FAA的最终评估结果。但是，正如含铅航空汽油抗爆性指标的发展历程一样，最终将找到合适的指标和测试方法，推动航空汽油的不断发展。