100LL低铅航空活塞式发动机燃料国产化研究与应用

宋 丹，崔文峰

(中国石油兰州石化公司，兰州 730060)

100LL低铅航空活塞式发动机燃料国产化研究与应用

宋 丹，崔文峰

(中国石油兰州石化公司，兰州 730060)

为满足环保要求和新型通用飞机对燃油标准和性能提出的更高要求，系统考察了航空汽油基础油品组分的性能，开发出了符合ASTM D910—2013标准中100LL规格的低铅航空活塞式发动机燃料(简称低铅航空汽油)，并实现了工业化试生产。飞行试验结果表明，新开发的低铅航空汽油性能与美国同类产品相当，具有蒸发性能好、易燃、性质稳定、结晶点低和不腐蚀发动机零部件的特点，应用前景广阔。

低铅活塞式发动机燃料 辛烷值 蒸气压

改革开放以来，我国航空运输业发展迅速。通用航空的发展即将进入一个快速增长期，形成具有规模经济的产业，通用航空产业链上的各个环节都将迎来历史性的发展机遇[1-2]。而长期以来，由于航空活塞式发动机燃料(航空汽油)配方技术难度高、工艺流程复杂、生产控制难度大，需要独立的生产和储运系统，生产成本高，造成航空汽油供应困难，已经成为中国通用航空发展的主要制约因素之一[3]。

中国石油兰州石化公司(简称兰州石化)可生产75号、95号和100号全系列的航空汽油。而目前国产95号和100号航空汽油含铅量较高，明显高于国外发动机厂家推荐的燃油等级，导致使用过程中存在安全及环境隐患。随着环境保护要求和新型通用飞机对燃油标准和性能要求的提高，开发低铅航空汽油也成为必然选择。通过系统研究开发，100LL低铅航空汽油已在兰州石化实现工业化生产，并完成试飞试验，投入商业运行，为我国通用航空的发展奠定了物质基础。本文主要介绍低铅100LL航空活塞式发动机燃料的研制和应用情况。

1 100LL低铅航空汽油的研制与生产

1.1 航空汽油标准简介

通用航空活塞式发动机主要是欧美国家的产品，其发动机数据只允许使用符合ASTM D910、D7547等产品标准的100号、100LL、100VLL、UL91、91/96等牌号的航空汽油。

目前我国航空汽油生产执行GB 1787—2008标准，由中国石化石油化工科学研究院和中国石油兰州石化公司共同起草，其技术指标水平与国外含铅型航空汽油标准一致。GB 1787《航空活塞式发动机燃料》标准于1979年发布，2008年首次修订，但指标中抗爆添加剂四乙基铅的含量仍然较高。一些关键性能指标与国外先进标准也存在一定差异。为了确保产品质量，根据国产汽油组分性质和储运系统较国外差的实际情况，增加了酸度、碘值、水溶性酸碱、实际胶质、机械杂质和水分、芳烃含量等指标，确保国产航空汽油使用性能能够达到国外同类产品水平，并通过航空油料鉴定委员会鉴定。

目前，100号航空汽油中含有四乙基铅以及二溴磷，会对环境造成破坏。美国通航每年的铅排放量约为700 t，占铅污染总量的40%左右，是金属行业的近1倍，制造行业的近3倍，严重的铅污染越来越引起各类环保组织以及人们的不满[4-5]。因此，美国联邦航空管理局(FAA)要求，到2018年大部分通用机队要使用无铅燃油，替代现有的100号航空汽油。然而，无铅航空汽油也必将对炼油厂提出更高、更苛刻的生产和运输要求，也成为航空汽油生产企业技术进步和产品质量升级的发展方向。

1.2 100LL低铅航空汽油标准

根据GB 1787—2008《航空活塞式发动机燃料》标准中100号航空汽油技术要求和ASTM D910—2013《美国民用航空汽油规格》中100LL级要求，兰州石化新产品100LL低铅航空汽油标准见表1，其指标要求与美国标准完全一致，研究试验均按照满足该标准要求进行。

表1 低铅100LL航空汽油标准

1)单位为gkg。

1.3 配方筛选的原则和思路

由于铅含量大幅下降，辛烷值损失明显，需要通过提高组分的辛烷值来补充，由于汽油组分有限，采用现有的配方组分无法研制出满足要求的产品配方。因此，根据产品标准要求，通过对现有组分性质的考察，以及引入新组分，筛选高辛烷值组分，作为配方研究的基础。由于铅含量已经固定，配方研究主要考察调合组分的性质，同时将降低铅含量、提高组分辛烷值、平衡馏程和蒸气压及降低芳烃含量4个方面作为配方研究的基本原则。

1.4 配方的研究

1.4.1 组分性质考察 航空汽油由基础油组分、蒸气压和馏程调节组分以及辛烷值改进剂(抗爆剂)等组成。由于四乙基铅的加入量已经降低，弥补辛烷值损失的途径为：①筛选高辛烷值组分；②寻找新的辛烷值改进剂。同时，配方研究还必须协调蒸气压和馏程的关系，满足组分匹配和其它指标的要求。经过文献查阅和性能筛选[6-7]，研究试验共使用10种组分和添加剂对辛烷值等关键指标进行考察，各组分的主要性质见表2。

表2 航空汽油各组分的主要性质

1.4.2 基础油组分性质考察 基础油组分的性质相对稳定对配方调合具有关键性的作用，好的基础油组分具有较高的辛烷值、较低的芳烃含量，对其它组分的相容性好，具有比较稳定的蒸气压，馏程分布均匀，特别是蒸气压变化对辛烷值的影响较小，具有良好的储存稳定性。对兰州石化生产的基础油组分进行了全面考察，通过组分调合配制了系列基础油组分配方，对其馏程、蒸气压和辛烷值的关系进行考察，结果见图1～图3。

从图1～图3可以看出，调合筛选的9个基础油配方的辛烷值比较稳定，可作为配方基础组分进行调合试验，并具有以下特征：①初馏点和10%馏出温度越低，蒸气压越高，且关联性较好；②由于轻组分挥发快，初馏点不稳定，10%馏出温度对蒸气压的影响比初馏点大；③组分辛烷值随蒸气压的变化较小，有利于配方筛选。

图1 基础油组分配方馏出温度与蒸气压的关系■—初馏点； ■—10%馏出温度； ■—10%馏出温度与初馏点的温度差； ■—蒸气压

图2 基础油组分配方馏出温度与辛烷值的关系■—MON； ■—10%馏出温度与初馏点的温度差； ■—10%馏出温度； ■—初馏点

图3 基础油组分配方蒸气压与辛烷值的关系■—蒸气压； ■—MON

1.4.3 辛烷值改进剂的感受性考察 从上述试验结果可以看出，调合基础油的辛烷值与指标要求差距较大，必须引入添加剂和高辛烷值组分以满足指标要求，而四乙基铅含量不能超过限制值，需要筛选其它辛烷值改进剂。

图4为辛烷值改进剂T1的感受性，其中基础油1为加氢汽油、基础油2为重整汽油，基础油3为1和2的混合组分。从图4可以看出，辛烷值改进剂T1对基础油组分辛烷值提高的作用十分明显。同时对T1的腐蚀性和硫含量进行考察，结果见表3。从表3可以看出，博士试验不通过，说明T1具有一定的腐蚀性，但能够满足其它指标要求，具有潜在的应用价值[7]，但不作为本配方的改进剂。

分别将辛烷值改进剂T2和T3按一定比例加入航空汽油，对其性能进行考察，并对四乙基铅含量进行微量调整，形成3个小试样品，试验结果见表4。从表4可以看出，3种配方下油品的各项指标全面改善，只有T2配方1的品度达不到要求，适当增加四乙基铅含量，其它配方的性能均满足要求。

图4 辛烷值改进剂T1对油品辛烷值的影响◆—基础汽油1； ■—基础汽油2； ▲—基础汽油3

项 目内控指标辛烷值改进剂T1加剂量(w),%01234博士试验通过不通过不通过不通过不通过不通过硫醇硫含量(w),%0.00090.00040.00070.00100.00130.0013铜片腐蚀∕级111111

表4 辛烷值改进剂T2和T3对航空汽油性质的影响

1.4.4 蒸气压调节组分考察 将蒸气压调节组分C1和C2按一定比例加入航空汽油配方形成3个样品，考察产品的性能，结果见表5。从表5可以看出，3种配方下油品的50%馏出温度均不合格，且分别有两个配方品度和蒸气压超过指标要求，说明蒸气压调节组分对油品的稳定影响较大，由于其具有较高的蒸气压，导致产品的蒸气压达不到要求，同时由于该组分辛烷值较低，不能调合出满足标准的产品。

1.5 产品配方优化和工业试生产

在上述实验研究的基础上，进一步引入高辛烷值组分G1和G2，并按一定比例加入辛烷值改进剂T2和T3，分别采用不同基础油组分进行小试配方调合试验，结果见表6。从表6可以看出，小试产品质量完全满足质量标准要求。按照优化配方进行工业试生产，严格按照产品标准进行检验，结果见表6。工业产品性能稳定，与100号产品相比，100LL工业产品具有辛烷值高、热值高、蒸气压稳定、芳烃含量低的特点，产品的清洁性明显提高，各项质量指标完全满足标准要求。该工业产品经中国民航飞行学院飞行试验证明各项性能与美国同类产品性能相当，具有蒸发性能好、易燃、性质稳定、结晶点低和不腐蚀发动机零部件的特点，标志着100LL航空汽油研制成功。

表5 蒸气压调节组分对航空汽油性质的影响

表6 航空汽油小试样品和工业试生产产品性能评价结果

2 结 论

通过对兰州石化航空汽油组分进行考察和配方优化，研制出满足100LL标准要求的低铅航空汽油，实现了工业化生产，生产出的低铅航空汽油具有蒸发性能好、易燃、性质稳定、结晶点低和不腐蚀发动机零部件的特点。与100号产品相比，具有辛烷值高、热值高、蒸气压稳定、芳烃含量低的特点，产品的清洁性明显提高，各项质量指标完全满足标准要求。

[1] http：//www.chinairn.com/news/20140919/10085328.shtml[EB/OL].2014-09-19

[2] http：//www.chinairn.com/news/20140919/100006282.shtml[EB/OL].2014-09-19

[3] http：//www.chinairn.com/news/20140918/114332664.shtml[EB/OL].2014-09-18

[4] http：//www.aircraftnurse.com/?m=news&s=newsd&id=4069#rd&sukey=4093a841665b25f292490326e28576e46 ba853848c7d630b87fc286a6f23f2e4d0cd8c8432f8d29f8085abb b9076ff35[EB/OL].2014-07-04

[5] 王九，方建华，董玲.石油添加剂基础知识[M].北京：中国石化出版社，2009：12-13

[6] 赵忠水.燕山石化75号航空活塞式发动机燃料的研发与生产[D].北京：中国石油大学，2011

[7] 王宏.汽油辛烷值促进剂T1109性能评价[J].中外能源，2010，15(2)：89-91

STUDY ON FORMULATION OF LOW LEAD PISTON ENGINE FUEL (100LL) AND APPLICATION

Song Dan， Cui Wenfeng

(PetroChinaLanzhouPetrochemicalCompany，Lanzhou730060)

To meet the requirements of environmental protection and standards and performance of a new kind of general aircraft fuel， the performance of compositions of aviation fuel were investigated， resulting in low lead aviation gasoline， which meets the standard of 100LL of ASTM D910—2013 and realizes the industrial trial production. Flight tests indicate that the performance of the new developed fuel is similar to the product of the United States. The developed aviation fuel has the characteristics of good evaporation， ignitability， stable properties and low crystallization point. No corrosion to engine parts is observed. The technology fills a domestic gap in this field with broad prospect.

low lead piston engine fuel； octane number； vapor pressure

2014-12-22； 修改稿收到日期： 2015-03-11。

宋丹，硕士，高级工程师，从事质量技术和标准化工作，公开发表论文10余篇。

宋丹，E-mail：songdan@petrochina.com.cn。