航空汽油發展概述及前景展望

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展歷程。比較含鉛航空汽油和無鉛航空汽油標準發現，辛烷值、鉛含量、凈熱值、芳烴含量等技術指標的要求均有所區別。分析認為，標準技術指標不同的主要原因在于調合航空汽油的基礎油不同。同時，本文指出了使用國產 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。目前美國聯邦航空局已經對12家企業生產的102號無鉛航空汽油進行審定，計劃在2018年取代現有含鉛航空汽油。由于環境保護和節能減排的要求，無鉛化及生物汽油都是未來航空汽油的發展方向。

航空燃料；含鉛和無鉛航空汽油；活塞式發動機；技術指標；生物汽油

航空燃料的發展經歷了漫長的歷史過程，在同一時期還存在著各種不同種類和型號的燃料體系。但是歸結起來，每一次航空發動機歷史性跨越帶來的航空領域重大變革，都會引發航空燃料的迅猛發展和革新［1］。航空燃料的發展離不開航空發動機，同樣，沒有航空燃料的保障，航空發動機也難以實現性能的不斷提高。航空汽油作為航空燃料的重要組成部分，隨著航空業的發展，也在不斷進步。

1　活塞式發動機燃料的發展

活塞式發動機燃料的發展歷史超過一個世紀之久。從最初的普通柴油到車用汽油，再到后續的航空汽油，其類型的每一次變革都對航空燃料發展帶來重大影響［2］。

1.1初始階段（20世紀初至20世紀20年代）

1903年，美國萊特兄弟制造出了第一架依靠動力系統進行載人飛行的飛機“飛行者”1號，實現了人類首次持續的、有動力的、可操縱的飛行。其使用的是一個12匹馬力的火花點火活塞式發動機，同時使用辛烷值低于 40［美國材料與測試協會（ASTM）估計值為40～70］的汽油［3］。

1.2發展階段（20世紀20年代至20世紀50年代）

在第一次世界大戰期間，人們也注意到某些飛機失事就是由于使用了不適當的燃油，從而發現了航空汽油抗爆震值的重要性。1921年，美國科學家Thomas MIDGLEY發現后來第一個商業化的四乙基鉛（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劑［5］。1926年，TEL被美軍用在了軍用飛機上。

作為高效的抗爆性能改進劑，TEL還被廣泛應用到航空汽油中。以美國為例，20世紀40年代，80/87（馬達法辛烷值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動機使用。80/87航空汽油也成為第一個有ASTM標準的航空汽油牌號［6］。

1.3完善階段（20世紀50年代至21世紀初）

到了20世紀50年代，隨著活塞式發動機對燃料抗爆性能要求的進一步提高，人類開始研制更高標號的航空汽油。91/98、100/130、115/145等含鉛航空汽油應運而生，陸續進入通航領域。各牌號含鉛航空汽油部分技術指標見表1。

表1　不同牌號含鉛航空汽油部分技術指標比較［8］

但接下來的研究發現，如果在航空汽油中過量添加TEL，燃燒后鉛會在火花塞上沉積，造成點火故障。1930年，ASTM的前身CFR就規定TEL的加入量不得超過3mL/gal［7］。由于鉛對環境的污染及發動機的不利影響，美國環境保護署（EPA）開始要求各生產企業降低鉛含量。100號低鉛航空汽油（100LL）在20世紀90年代順利通過美國聯邦航空局（FAA）的適航批準，開始廣泛應用于活塞式發動機飛機。2011年，ASTM進一步推出100號超低鉛航空汽油（100VLL）標準，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標準要求，年使用量超過100萬噸。

從ASTM D910標準中可以看出，美國航空汽油的命名主要根據其航空貧氣辛烷值來確定。除了以上性質外，D910還對生產原料，添加劑、凈熱值、密度、冰點、硫含量等有明確要求。

到了20世紀70年代，隨著人們環保意識的增強，美國環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）開始被活塞式發動機飛機使用［9］。兩種航空汽油的組成除了碳氫化合物外，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（終餾點小于225℃，蒸氣壓低于63kPa）。

進入21世紀，各航空汽油生產企業開始進一步研究高標號無鉛航空汽油。2009年，91號無鉛航空汽油（UL91）開始進入市場，該牌號航空汽油也是目前商業化的唯一無鉛航空汽油牌號，其產品符合ASTM D7547標準要求［10］。

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

由于 75號航空汽油生產工藝要求高，技術復雜，產量少，大型煉廠通常將其作為政治任務來完成。因此，75號航空汽油的生產輾轉中國石化荊門石化、齊魯石化等煉廠［11］。進入2008年后，75號航空汽油開始由中國石化北京燕山分公司進行生產，年產量約 8000t，僅供空軍進行飛行訓練使用［12］。

95號、100號航空汽油是目前我國航空汽油市場的主體，年產量約2萬噸，由中國石油蘭州石化生產，供于民航飛行學院訓練及農墾等使用［13］。但是，國產95號、100號航空汽油鉛含量較高（分別為100LL的2.5倍和2倍），使用后易在發動機氣缸頭及火花塞造成積鉛，腐蝕發動機零件。

2014年，民航飛行學院洛陽分院西銳SR20飛機由于使用國產100號航空汽油造成氣缸密閉性不嚴、氣門卡阻、氣門燒蝕等，反應了國產100號航空汽油與當前活塞式發動機使用不相匹配的問題。

表2　不同牌號國產航空汽油標準部分技術指標比較［14］

對比航空汽油國標和ASTM標準，國家標準增加了酸度、碘值、實際膠質、芳烴含量、水溶性酸或堿以及機械雜質及水分要求。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。同時，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，這也導致國標對芳烴含量要求高于ASTM標準。

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，進入人體后可能引起幻視、幻聽，嚴重時將使人昏迷乃至死亡。四乙基鉛燃燒后生成的無機鉛侵入大腦后將嚴重干擾人體新陳代謝活動，造成大腦供氧不足，引起中毒性神疾病［15］。

不僅如此，長期使用四乙基鉛還會腐蝕發動機零件。錢人一［16］研究發現，長期使用含鉛汽油將會增加發動機磨損，縮短機油更換間隔，增加發動機的辛烷值耐受性。袁春等［17］研究發現，含鉛航空汽油的使用將會形成鉛鹽沉積，造成氣門結構的不正常工作，嚴重時甚至造成氣門燒蝕。鑒于四乙基鉛對發動機及環境影響和人類健康的危害，歐美等發達國家對四乙基鉛在航空汽油中的添加量進行了嚴格限制，并呈現逐年減少的趨勢。雖然目前國際上廣泛使用100LL航空汽油，但是100LL航空汽油的替代產品研發早已開始。

3　航空汽油未來發展趨勢

3.1無鉛航空汽油

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

ASTM D6227對應的UL82和UL87兩種航空汽油，由于辛烷值較低，無法滿足現代活塞式發動機的使用要求，目前已經停產。D7547對應的UL91航空汽油是成熟的商業化產品，由瑞典Hjemlco公司生產，主要供于歐洲市場。D7719對應Swift公司生產的UL102航空汽油，其配方主要包含異構烷烴和芳烴兩種組分。該標準于2011年發布，已由最初的測試用油標準更新為產品標準。D7960是根據Shell公司最新的UL102航空汽油配方，于2014年推出的新標準，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指標見表3。

表3　不同牌號無鉛航空汽油部分技術指標對比

比較UL91和兩家煉油企業生產的UL102無鉛航空汽油發現，Swift航空汽油主要以芳烴為主，其芳烴體積分數要求不小于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，終餾點增加到210℃，同時其電導率上限增加到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行審定，目前已經完成第一階段包括理化性質、特性試驗以及相容性試驗的測試，即將開始發動機試驗及試飛驗證［21］。并且，美國計劃在2020年全面使用無鉛航空汽油，以替代現有的100LL低鉛航空汽油。

3.2航空生物汽油

同傳統燃料相比，航空生物燃料具有硫含量低、閃點高、燃燒后排放量低等特點，且具有不需要更換發動機和燃油系統的巨大優勢，將成為航空業節能減排，實現綠色、可持續循環發展目標的重要途徑［22］。

目前世界上已經有多個公司開始進行生物汽油的研究。Shell聯合Virent公司生產的生物汽油已經通過歐洲汽車車隊試驗的第一次測試［23］。Primus綠色能源公司通過生物質轉化技術的專有組合，已生產出高辛烷值生物汽油的首批樣品［24］。Cool Planet能源系統公司于2012年宣布，使用其專利的機械過程和放大途徑，將能夠生產高辛烷值負碳可再生汽油［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入航空汽油，提高抗爆性能。但是，生物燃料研發成本高、性質不穩定的特點，限制了其在航空汽油領域的應用。

4　結　語

航空汽油經歷了漫長的發展期，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，其發展離不開活塞式發動機技術的變革。

鑒于含鉛航空汽油燃燒造成鉛排放在工業鉛排放中占據越來越高的比例，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注無鉛航空汽油，特別是滿足現代活塞式發動機要求的高辛烷值無鉛航空汽油研發。美國目前已經開始審定的UL102航空汽油，滿足現在所有活塞式發動機的使用要求。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迫在眉睫，航空生物燃料已經進入運輸航空，開始在商業飛行中使用。相比航空生物燃料，發達國家也己經開始進行生物汽油的研發及生產。由原油煉制航空汽油的傳統路線，未來也可能被生物質原料制備航空生物汽油的新技術所取代。

［1］曲連賀，朱岳麟，熊常健. 航空燃料發展綜述［J］. 長沙航空職業技術學院學報，2009，9（2）：37-41.

［2］季鶴鳴. 航空動力百年回顧［J］. 航空發動機，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，王發根，劉保民. 75#航空活塞式發動機燃料的開發及生產［J］. 齊魯石油化工，2002，30（2）：89-91.

［12］趙忠水. 燕山石化75號航空活塞式發動機燃料的研發與生成［D］.北京：中國石油大學，2011.

［13］袁明江，張珂，孫龍江，等. 我國航空汽油產業現狀及發展趨勢分析［J］. 中外能源，2015，20（7）：72-75.

［14］中國石油化工集團公司. 航空活塞式發動機燃料：GB 1787—2008［S］. 北京：中國標準出版社，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. 含鉛汽油對發動機性能和壽命的影響［J］. 環保與安全，1999（6/7/8）：32.

［17］袁春，張宗偉. 含鉛汽油對航空活塞式發動機的不利影響初探［J］.機械，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及其應用研究進展［J］. 生物工程學報，2013，29（3）：285-298.

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

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

［25］Cool Planet公司將以每加侖1.50美元生產負碳的高辛烷值生物汽油［J］. 精細石油化工進展，2012，13（12）：13.

［26］徐美. 生物質基新型航空汽油的基礎研究［D］. 沈陽: 沈陽航空航天大學，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。

國家自然科學基金民航聯合研究基金項目（U1333114）。

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