1. 引言
美国航空汽油的发展已经有超过100年的历史了。从20世纪初的低辛烷值车用汽油，20世纪中期含铅航空汽油，到21世纪初的低辛烷值无铅航空汽油，再到现阶段的高辛烷值无铅航空汽油。航空汽油类型的每一次改变，都伴随着航空活塞发动机的发展及环境的要求提高。随着工业水平的发展，航空汽油也向着更高效、更清洁、更环保的方向迈进。
2. 发展历史
2.1. 低辛烷值无铅车用汽油阶段
20世纪中期以前，由于工业水平的限制，航空汽油并没有从车用汽油中独立出来，人们通常将车用汽油作为航空汽油使用。
1903年，莱特兄弟制造的第一架依靠动力系统可载人飞行飞机，使用的是辛烷值低于40 (美国材料与测试协会(ASTM)估计值为40~70)的车用汽油 [1] 。从1903年~1918年，辛烷值为40~70的车用汽油被作为主要燃料应用于航空领域。
2.2. 低辛烷值无铅航空汽油阶段
20世界20年代，第一次世界大战爆发，空军被作为主要战力投入战场。随着空军的发展，对航空燃料的研究也进入一个高投入高产出的阶段。1921年，美国科学家Thomas Midgley [2] 发现了被誉为改变整个航空汽油历史的抗爆添加剂-四乙基铅(Tetraethyl Lead TEL)。从此以后，含铅航空汽油开始逐渐占据整个航空汽油领域。1972年，使用时间最长，影响最广泛的100号低铅航空汽油(100LL)投入使用。直至今日，100LL航空汽油依然占据了超过90%的市场份额。
从20世纪20年代起至今，虽然含铅航空汽油占据了大部分市场份额，但是，对无铅航空汽油的研究一直没有停止。
1937年，美国相继研发了辛烷值65，73，74三个不同牌号的无铅航空汽油。随后，美国军方又推出了辛烷值为87的无铅航空汽油。无铅航空汽油辛烷值的不断提高，也适应了活塞发动机的发展要求。
进入20世纪后期，无铅航空汽油的研发由美国转移到欧洲，瑞典Hjelmco Oil Company开始进行更高标号的无铅航空汽油研究。1982年4月13日，工程研究联合委员会的Kevin Morrison通过信函确定Hjelmco研发的91/96无铅航空汽油完全满足ASTM D910中的蒸馏性能和挥发性能的要求 [3] 。1997年，Hjelmco公司提供资料文件 [4] 来回复91/96号无铅航空汽油在环境影响方面的相关细节问题。美国测试与材料协会(American Society of Testing and Material, ASTM)也于2009年出台91号无铅航空汽油标准，ASTM D7547 [5] ，用于规范在美国使用的该型号航空汽油，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。
2.3. 高辛烷值无铅航空汽油阶段
80号无铅航空汽油在1947年就已经研发成功，91号无铅航空汽油也在1981年开始投入市场。但是，受较低辛烷值的限制，两种牌号的无铅航空汽油都只能应用于压缩比小于8.0的活塞发动机。
80和91号无铅航空汽油只能适用于70%左右的活塞发动机，这迫使美国和欧洲的航空汽油生产企业不得不进行高辛烷值无铅航空汽油的研发，美国Swift公司则走在了最前面。2003年，Swift公司已经推出了高芳烃无铅航空汽油，其马达法辛烷值超过102，适用于市面上所有的活塞发动机。2013年，Total，BP，Shell，Exxonmobil以及Gami等12家企业的高辛烷值无铅航空汽油陆续研发成功。目前，FAA技术中心正在对9家企业的12种无铅航空汽油进行评估 [6] ，ASTM也已经相继推出了ASTM D7719 [7] 和ASTM D7960 [8] 两个高辛烷值无铅航空汽油标准。
3. 标准情况
随着无铅航空汽油的发展，如何确定不同牌号无铅航空汽油的质量就成了航空领域关注的重点。从1962年开始，美国ASTM已经陆续颁布了5个无铅航空汽油标准，包含了6个不同的航空汽油牌号，分别为UL82，UL87，UL91，UL94，Swift UL102以及Shell UL102，每个标准中都对无铅航空汽油理化性质进行了详细要求，其具体指标要求见表1。
从表1中数据可以看出，UL82，UL87号无铅航空汽油的指标要求和其他牌号航空汽油差异较大。其原因在于，UL82，UL87号无铅航空汽油来自车用汽油，更多的采用车用汽油的炼制技术和炼制手段，其指标更接近于车用汽油。比如UL87，就是常见的95号车用汽油，只是在某些非关键指标上略有区别。2000年，美国联邦航空局(FAA)出台新的安全意识资料手册 [11] 中，将UL82和UL87完全作为航空汽油的牌号使用。
UL91，UL94号无铅航空汽油可以通过添加四乙基铅直接制备100LL航空汽油，其炼制技术与生产100LL航空汽油基本一致，因此其指标要求与ASTM D910类似，只是在MON，铅含量的要求上有所不同。
Swift UL102和Shell UL102属于两种全新的高辛烷值无铅航空汽油，其指标要求参照了炼制企业提供的测试用油性质。Swift UL102属于高芳烃含量无铅航空汽油，芳烃对其馏程，净热值均有较大影响。Shell UL102 [12] 研究报告中指出，由于添加了苯胺及乙酸丁酯类抗爆剂用于提高其辛烷值，使得Shell无铅航空汽油的净热值，馏程及电导率受到影响。
4. 研究情况
美国无铅航空汽油的发展始于20世纪初，最早一直将车用汽油作为航空汽油使用，其管理方式也与
Table 1. Comparison of the American Unleaded Avgas Standards
表1. 美国无铅航空汽油标准对比
说明：1、6个牌号无铅航空汽油对铅含量要求一致，均为不大于0.013 g Pb/L。2、6个牌号无铅航空汽油对密度和初馏点的要求一致，均为报告。3、6个牌号无铅航空汽油对冰点要求一致，均为不大于−58℃。4、6个牌号无铅航空汽油对铜片腐蚀要求一致，均为不大于1级，但是UL82，UL87采用的测试条件为50℃，3小时；其他牌号无铅航空汽油的测试条件为100℃，2小时。
车用汽油一致，采用补充型号合格审定(Supplemental Type Certificates (STCs))的方式。1921年，美国成立CFR (Co-operative Fuels Research Committee)，专门进行航空汽油的研发。
1936年，CFR爆震小组C. B. Veal以及H. K. Cummings等 [13] [14] 研究了含铅及无铅航空汽油在活塞发动机中的抗爆性能。研究发现，无铅异辛烷和辛烷值大于84的基础油进行调合后制备的航空汽油，在发动机抗爆性能上低于同等辛烷值的含铅航空汽油，该含铅航空汽油要求至少含有2 mL/Gal.的四乙基铅。1938年，CFR爆震小组的S. D. Heron等 [15] 进一步研究得出了与以上相同的结论。
1948年，W. C. Holliman等 [16] 调研了美国的航空汽油市场，对在用航空汽油的牌号及使用情况进行了分析。调研发现，美国航空汽油市场主要使用80号无铅航空汽油及辛烷值大于80的含铅航空汽油。1954年及1960年，进一步的调查发现 [17] [18] ，航空汽油市场仅存80号一种无铅航空汽油，其余的均为含铅航空汽油，且以含铅航空汽油为主。
进入20世纪末期，无铅航空汽油的研究进入高产阶段，主要以欧洲的91/96无铅航空汽油为主。1992年，瑞典皇家技术研究所(Swedish Royal Institute of Technology) [19] 研究了91/96无铅航空汽油在Piper PA28-161 Warrior II飞机上的使用情况。研究结果表明，91/96的性能与100LL没有任何区别。
2002年，GAMI (General Aviation Modifications, Incorporated)采用莱康明的TIO-540-J2BD发动机，研究了91/96号无铅航空汽油的部分性能。研究表明，在功率350马力，气缸头温度500˚F条件下，91/96号航空汽油没有出现爆震及提前点火等问题。
2004年，FAA技术中心发布CRC (Coordinating Research Council)关于30种无铅航空汽油在活塞发动机中运行情况的研究报告 [20] 。该研究报告旨在找寻新的高辛烷值无铅航空汽油，用以替代现行的100LL。研究报告采用莱康明IO-540-K发动机，主要测试了MON从96.2至105.6的无铅航汽，也采用100LL，无铅参比燃料和含铅参比燃料进行对比。研究结果表明，仅用MON来预测航空汽油对发动机的爆震性能是完全不够的。而且，在同等爆震条件下，发动机对无铅航空汽油的MON和PN (Performance Number)要求更高。
2007年，FAA技术中心 [21] 发布中MON (MON < 100)和高MON (MON ≥ 100)无铅燃料和含铅燃料，在莱康明IO-540-K及IO-320-B发动机上运行情况的报告。该报告分为高MON燃料和中MON燃料两个部分。
关于高MON燃料，1) 100LL比100MON无铅异辛烷燃料和100MON/161PN (简写为100/161)无铅含苯胺燃料有更优异的发动机性能；2) 100LL对发动机的性能低于104/161无铅含苯胺燃料；3) 对比100LL和100/100含铅燃料，在巡航状态下，两者的性能基本一致，但是起飞状态下，100LL的性能更优。
关于中MON燃料，1) 91/98含铅航空汽油的发动机性能优于91/98无铅航空汽油；2) 91/98含铅航空汽油的发动机性能优于93/98，但略逊于94/98无铅航空汽油；3) 不含金属添加剂，品度值为98的无铅航空汽油，其MON需高于91/98含铅航空汽油2~3个单位，才能达到与其相等的发动机性能。
2007，SFOCA (Swiss Federal Office of Civil Aviation) [22] 研究了Hjelmco 91/96，无铅车用汽油，100LL的排放情况。研究结果表明，Hjelmco91/96燃烧后排放尾气中包含的颗粒物大小及数量均优于100LL。
5. 最新研究进展
无铅航空汽油替代含铅航空汽油已经势在必行。从20世纪末开始，全球多家大型炼油都开始研制高辛烷值无铅航空汽油，同时也进行无铅航空汽油和发动机相关关系研究。
2013年8月，Swift公司向ASTM提交了其高芳烃无铅航空汽油的研究报告 [23] 。研究报告中详细列举了Swift公司UL102航空汽油从配方筛选，理化性能测试，发动机试验，材料相容性试验以及环境试验方面的结果。该研究报告已经提交ASTM，也根据该报告颁布了相应的技术标准。目前，Swift UL102正在FAA技术中心进行验证，已经成为9种候选燃料中进入第二阶段的2中燃料之一，预计将于2018年完成所有测试，进入市场。
2014年5月，Shell公司也向ASTM提交了其公司的无铅航空汽油研究报告 [12] 。报告中详细列举了Shell无铅航空汽油的理化性能测试，特性试验，发动机试验，金属及非金属相容性试验以及发动机试验等内容。该验证方法完全参照2013年发布的ASTMD7826 [24] 进行。根据该研究报告，ASTM也出台相应的标准用于规范油品质量。目前，Shell UL102正在FAA技术中心进行验证，已经进入第二阶段试验。
由于MON并不能准确反应航空汽油对活塞发动机的爆震性能，Shell公司已经开始研究航空汽油其他性质与发动机爆震之间的关系，而不仅仅考虑其理化性质。目前的研究成果表明，航空汽油的MON和RON与发动机的气缸压力和温度存在联系。发动机运转条件不仅仅对辛烷值有要求，也对气缸条件有相应要求。Shell公司希望找到一个关系式，通过RON和MON来预测航空汽油对活塞发动机爆震性能的影响，目前研究正在进行中。
6. 结论及讨论
无铅航空汽油发展至今已经经历了多种变革，每一次的变革都伴随着航空发动机的发展和工业技术的提升。
无铅航空汽油出现之初，由于受到其辛烷值较低，抗爆性能低于含铅航空汽油的影响，其使用一致受到限制。但是，由于四乙基铅的毒性及含铅航空汽油排放对环境污染的影响，美国环境保护署(EPA)已经明确要求使用更清洁的无铅航空汽油来替代现行的含铅航空汽油，并计划2020年全面实施无铅航空汽油。目前，FAA，发动机公司以及炼油企业正在积极合作，对新研发的高辛烷值无铅航空汽油进行适航验证，为2020年取代含铅航空汽油做好储备。
基金项目
中国民用航空局科技创新引导资金(MHRD20130205)。