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(jì)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(shù)的發(fā)展，航空業(yè)進(jìn)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(jìn)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(shù)指標(biāo)，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(jìn)而導(dǎo)致爆震的發(fā)生[2]。嚴(yán)重的爆震會導(dǎo)致發(fā)動機功率損失甚至損壞發(fā)動機，造成嚴(yán)重航空事故。因此，國際航空汽油標(biāo)準(zhǔn)ASTM D910、Def Stan 91-090及國內(nèi)航空汽油標(biāo)準(zhǔn)GB 1787，均將抗爆性作為基本技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行要求。

1 航空汽油抗爆性指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)《Aeroplane Gasoline》，隨后美國政府標(biāo)準(zhǔn)和英國標(biāo)準(zhǔn)相繼發(fā)布，但上述標(biāo)準(zhǔn)并沒有抗爆性指標(biāo)要求[4]。1923年，科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)中列入抗爆性的要求[3]。

20世紀(jì)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(rèn)可。20世紀(jì)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(jié)果也有差異。為了解決差異問題，最終推出了ASTM D614（ASTM Aviation Method）標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(biāo)和測試方法不能滿足需要。1941年，研究人員又設(shè)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(biāo)準(zhǔn)引入了富油狀態(tài)抗爆性指標(biāo)，產(chǎn)業(yè)界開始使用抗爆性指標(biāo)給航空汽油進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對富油和貧油狀態(tài)下的抗爆性指標(biāo)均做出了要求（見表1）。

1.1.2 發(fā)展演變階段 20世紀(jì)60年代，ASTM發(fā)現(xiàn)，其 D614 方法與 D357（MON＜100）和 D1948（MON＞100）方法相當(dāng)接近，馬達(dá)法辛烷值（Motor Octane Number，MON）結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，并將馬達(dá)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)法辛烷值和研究法辛烷值（Research Octane Number，RON，ASTM D2699） 作為抗爆性指標(biāo)即可，不需要富油狀態(tài)的抗爆性指標(biāo)；對于低辛烷值UL82航空汽油，僅馬達(dá)法辛烷值指標(biāo)即可。

表1 ASTM D910-48T對抗爆性指標(biāo)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(zhǔn)的航空汽油國家標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 1012-41，主要指標(biāo)含有抗爆性指標(biāo)辛烷值。1946年，ГОСТ 1012-46將品度增加作為抗爆性指標(biāo)[3]，并一直沿用。

1.3 中國

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

2 航空汽油抗爆性指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)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(dá)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(dá)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(biāo)與UL87一致，包括馬達(dá)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(dá)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(biāo)為研究法辛烷值和馬達(dá)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(biāo)與ASTM一致，僅要求馬達(dá)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D7719和D7960，最新版本均為2017版。目前，UL102的抗爆性指標(biāo)僅為馬達(dá)法辛烷值，暫時沒有富油狀態(tài)指標(biāo)（見表 3）[12，13]。

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

3 現(xiàn)行抗爆性指標(biāo)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(biāo)測試方法和貧油狀態(tài)抗爆性指標(biāo)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(biāo)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(jìn)行馬達(dá)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(jìn)氣壓力為常壓；進(jìn)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(jìn)氣進(jìn)行了增壓處理。馬達(dá)法辛烷值測試時，首先根據(jù)樣品目標(biāo)值調(diào)整發(fā)動機壓縮比，再通過改變?nèi)伎毡?，獲得樣品和標(biāo)油的最大爆震值，獲得試驗結(jié)果。增壓等級測試，則是通過調(diào)整進(jìn)氣壓力，改變?nèi)伎毡?，獲得樣品和標(biāo)油的標(biāo)準(zhǔn)爆震功率曲線，并計算獲得試驗結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)及測試方法發(fā)展方向仍具有不確定性。

FAA原本預(yù)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(dá)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(jìn)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(biāo)要求，但部分測試用油的品度達(dá)161（D909測試上限）以上。以Swift公司的測試用油為例[17]，其指標(biāo)符合ASTM D7719的要求，馬達(dá)法辛烷值為102.6，品度測試結(jié)果卻高于161；即使與100LL以60%：40%混合后，馬達(dá)法辛烷值下降到100.8，品度仍然可達(dá)161。反觀100LL航空汽油，馬達(dá)法辛烷值為103左右時，其品度一般在140左右；馬達(dá)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(biāo)油進(jìn)行品度測試，組成的不同，導(dǎo)致高辛烷值無鉛航空汽油在D909條件下的測試結(jié)果，與標(biāo)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(biāo)。至于如何定義該指標(biāo)，尚需等待全尺寸發(fā)動機臺架試驗的結(jié)果。另一方面，與車用汽油類似，馬達(dá)法辛烷值與研究法辛烷值的聯(lián)合指標(biāo)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(jié)語

航空汽油經(jīng)歷了漫長的發(fā)展期，其抗爆性指標(biāo)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(biāo)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(biāo)，或者選擇新的綜合性指標(biāo)，尚需等待FAA的最終評估結(jié)果。但是，正如含鉛航空汽油抗爆性指標(biāo)的發(fā)展歷程一樣，最終將找到合適的指標(biāo)和測試方法，推動航空汽油的不斷發(fā)展。