摘要系统地研究了芳烃化合物对航空汽油基础油抗爆性能、蒸气压及馏程的影响。研究结果表明，芳烃化合物苯胺、均三甲苯、甲苯、异丙苯均能有效提高基础油抗爆性能，且在相同的加入浓度下，苯胺对基础油抗爆性能提高最优。研究同时发现，尽管邻二甲苯及环戊烷的马达法辛烷值大于基础油辛烷值，但基础油中加入邻二甲苯反而降低了基础油辛烷值。此外，航空汽油基础油中加入苯胺、甲苯或对二甲苯均会导致基础油蒸气压降低，且随着基础油中芳烃含量的增加线性减小。尽管间二甲苯及均三甲苯与基础油混合后燃料终馏点满足标准中对航空汽油馏程的要求，但其５０％或９０％时的馏出温度不能满足标准要求。进一步研究还表明，基础油中加入多种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值的增量等于每一种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值增量的加和。

关键词芳烃化合物航空汽油抗爆性能

中图分类号：ＴＥ６２６．２３文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－３４２６．２０１６．０５．００１

Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆａｒｏｍａｔｉｃａｎｔｉｋｎｏｃｋａｄｄｉｔｉｖｅｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｖｉａｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅ

ＣｈｅｎＫａｉ，ＸｉａｎｇＨａｉ，ＬｉｕＨｕａ

（ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＡＡＣ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２０７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｏｆａｒｏｍａｔｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓｏｎａｎｔｉｋｎｏｃｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｖａｐｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｏｆａｖｉａｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅｂａｓｅｆｕｅｌｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｒｏｍａｔｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓｓｕｃｈａｓａｎｉｌｉｎｅ，ｍｅｓｉｔｙｌｅｎｅ，ｔｏｌｕｅｎｅａｎｄｃｕｍｅｎｅｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｂａｓｉｃｆｕｅｌａｎｔｉｋｎｏｃｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｂｌｅｎｄｉｎｇｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｎｉｌｉｎｅｗａｓｔｈｅｓｔｒｏｎｇｅｓｔａｎｔｉｋｎｏｃｋｉｍｐｒｏｖｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｍｏｔｏｒｏｃｔａｎｅｎｕｍｂｅｒ（ＭＯＮ）ｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｏ－ｘｙｌｅｎｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｆｕｅｌｅｖｅｎｔｈｏｕｇｈｔｈｅＭＯＮｓｏｆｏ－ｘｙｌｅｎｅａｎｄｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｎｅｗｅｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｂａｓｅｆｕｅｌ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｂａｓｅｆｕｅｌｖａｐｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｌｉｎｅａｒｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｉｌｉｎｅ，ｔｏｌｕｅｎｅｏｒｐ－ｘｙｌｅｎｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒ５０ｖｏｌ％ｅｖａｐｏｒａｔｅｄａｎｄ９０ｖｏｌ％ｅｖａｐｏｒａｔｅｄｗｅｒｅｏｕｔｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｖｅｎｔｈｏｕｇｈｔｈｅｆｉｎａｌｂｏｉｌｉｎｇｐｏｉｎｔｓｆｏｒｍ－ｘｙｌｅｎｅａｎｄｂａｓｅｆｕｅｌｍｉｘｔｕｒｅａｎｄｆｏｒｍｅｓｉｔｙｌｅｎｅａｎｄｂａｓｅｆｕｅｌｍｉｘｔｕｒｅｗｅｒｅｗｉｔｈｉｎｓｔａｎｄａｒｄｌｉｍｉｔ．ＦｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅＭＯＮｉｎｃｒｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｍｉｘｉｎｇａｖｉａｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅｂａｓｅｆｕｅｌｗｉｔｈｓｅｖｅｒａｌａｒｏｍａｔｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓｗａｓｅｑｕａｌｔｏｔｈｅｓｕｍｏｆＭＯＮｉｎｃｒｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｍｉｘｉｎｇｂａｓｅｆｕｅｌｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅａｒｏｍａｔｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｏｍａｔｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄ，ａｖｉａｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅ，ａｎｔｉｋｎｏｃｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

① 基金项目：国家自然基金项目“高辛烷值无铅航空汽油配方及制备方法研究”（Ｕ１３３３１１４）。

作者简介：陈凯（１９８１－），男，副研究员，主要从事化学反应工程及燃料化学研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｋａｉ＠ｆｃｃｃ．ｏｒｇ．ｃｎ

２陈凯等芳烃抗爆添加剂对航空汽油性能影响研究２０１６

现代航空活塞式发动机均要求使用高辛烷值航空汽油。为达到要求，航空汽油生产商大都通过向航空汽油中添加四乙基铅增强航空汽油的抗爆震能力。然而，四乙基铅是剧毒物质，其燃烧生成的氧化铅也是剧

表１航空汽油基础油主要物化性质Ｔａｂｌｅ１Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｖｉａｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅｂａｓｅｏｉｌ

项目试验方法数值

马达法辛烷值ＡＳＴＭＤ２７００８５

毒物质，排放至大气会对人类健康及周围环境造成不

利影响［１］。为此，欧美等发达国家对四乙基铅在航空汽油中的添加量进行了严格限制。近来，有报道称来自航空汽油中的含铅化合物已引起飞行区域附近水源的污染及中毒性神经病发病人数的明显增加［２］。基于上述报道，美国环保总署已颁布法令，将于２０１８年起全面禁止使用含铅航空汽油。因此，开展无铅航空汽

馏程

初馏点／℃

１０％蒸发温度／℃

４０％蒸发温度／℃

５０％蒸发温度／℃

９０％蒸发温度／℃终馏点／℃

残留量（φ）／％损失量（φ）／％

Ｄ８６

４２．５

７０．６

９９．７

１０２．９

１１３．４

１３２．８

０．８

０．６

油的研究对于减少航空业铅排放、保证通用航空的持

续发展具有重大意义。

在本世纪初，美国就开始了无铅航空汽油的研究。针对某些特殊机型，美国材料与测试协会颁布了不同规格的无铅航空汽油标准，并进行了大量关于无铅航空汽油专利的报道［３－５］。但这些专利所提出的方案均难以满足现行航空高压缩比发动机对辛烷值的要求，而仅被限制用于部分低压缩比发动机。航空汽油通常由烷基化油、高辛烷值调合组分和抗爆添加剂组成［６］。制约无铅航空汽油发展的关键在于找到一种合适的抗爆添加剂将航空汽油的辛烷值提高到高压缩比发动机对其的要求。与具有相同碳数的异构化烃类化合物相比，芳烃化合物具有较高的辛烷值，能有效提高烷基化油的抗爆性能［７］。然而，迄今为止，关于芳烃化合物对烷基化油抗爆性能影响的报道较少，多种芳烃化合物对烷基化基础油抗爆能力的协同效应也少有研究。此外，芳烃蒸气压较低，沸点偏高，会对航空汽油的蒸气压及馏程造成较大影响。以下研究了芳烃化合物对航空汽油抗爆性能、蒸气压及馏程的影响，着重考察了多种芳烃化合物与基础油之间的相互耦合作用。

１实验部分

１．１试剂与仪器

实验所用烷基化油由彭州炼油厂提供，油品主要物化性质见表１。气相色谱质谱联用仪分析结果表明，该烷基化油主要由丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷及癸烷的异构化烷烃组成。荧光指示剂吸附法对该烷基化油的分析表明，该烷基化油芳烃体积分数小于

０．１％。

饱和蒸气压／ｋＰａＡＳＴＭＤ３２３４２．９

φ（芳烃）／％ＡＳＴＭＤ１３１９０．１

１．２实验方法

航空汽油马达法辛烷值的测试完全依照ＡＳＴＭ

Ｄ２７００《火花点火式发动机马达法辛烷值测试方法》进行。燃料的马达法辛烷值是在标准操作条件下，将该燃料与已知辛烷值的参比燃料混合物的爆震倾向相比较而确定的。鉴于本课题研究的航空汽油辛烷值均低于１００，故实验所用的参比燃料混合物为异辛烷和正庚烷按体积比混合的调合油。其中，参比燃料异辛烷的辛烷值为１００，参比燃料正庚烷的辛烷值为０。样品饱和蒸气压的测定则依照ＡＳＴＭＤ３２３《石油产品蒸气压标准试验方法（雷德法）》进行。测试前先将样品冷却至０ ℃，再将其转入汽油室，并与３７．８ ℃的空气室相连。其后，将该装置置于３７．８ ℃的恒温浴中直至压力表读数恒定。样品馏程的测试依照ＡＳＴＭＤ８６

《石油产品蒸馏标准试验方法》进行。

２结果与讨论

２．１芳烃对航空汽油抗爆性能的影响

无铅航空汽油通常由烷基化基础油、高辛烷值油及芳烃抗爆添加剂组成。汽油的辛烷值与抗爆添加剂中芳烃的类型及芳烃加入量紧密相关。首先，考察了芳烃类型及数量对烷基化基础油抗爆性能的影响，如图１所示。为进行比较，同样考察了异辛烷加入量对烷基化油辛烷值的影响。由图１可知，随着基础油中芳烃体积分数的增加，基础油辛烷值单调递增，但增加幅度与加入的芳烃种类有关。当加入的添加剂为甲

石油与天然气化工

第４５卷第５期ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＯＦＯＩＬ＆ＧＡＳ３

苯、异丙基苯及异辛烷时，基础油辛烷值随燃油中添加剂加入量的增加线性增加。而当加入的添加剂为苯胺及１，３，５－三甲基苯时，基础油辛烷值随燃油中添加剂加入量的增加呈指数级增加。在相同的加入浓度下，苯胺是最好的辛烷值提高剂，１，３，５－三甲苯次之，甲苯再次之，异丙基苯再次之，异辛烷最差。该结果与预期相符，这是因为１，３，５－三甲基苯、甲苯及异丙基苯的马达法辛烷值分别为１２０．１、１０４及９９．３。进一步分析表明，当汽油中苯胺体积分数超过７％、１，３，５－三甲基苯体积分数超过１２％、甲苯体积分数超过３０％时，烷基化基础油的马达法辛烷值可从８５有效提高至９１。

上述研究表明，当在基础油中加入的芳烃化合物辛烷值高于基础油辛烷值时，基础油的抗爆性能均可得到有效的增强。进一步对上述结论进行了研究，考察了二甲苯同分异构体及戊烷类化合物对烷基化油抗爆性能的影响，结果如图２所示。邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯、异戊烷及环戊烷的马达法辛烷值分别为

１００．０、１１５．０、１０９．６、９１．３及９３．１。研究表明，尽管邻二甲苯及环戊烷的马达法辛烷值远大于基础油辛烷值，但随着燃料中邻二甲苯含量的增加，基础油辛烷值单调递减，随着燃料中环戊烷含量的增加，基础油辛烷值不变。当混合体积分数小于２０％时，二甲苯的３种同分异构体中，仅间二甲苯能有效地将基础油辛烷值从８５提高至９３．１。实验结果表明，添加剂辛烷值大小不是选择汽油辛烷值增高剂的唯一准则。结合图

１、图２可知，当基础油中芳烃体积分数为５％时，甲苯、１，３，５－三甲基苯及间二甲苯对基础油辛烷值提高分别为５、１．６及２．１个单位，表明就抗爆性能而言，苯胺为最好的抗爆添加剂。

２．２芳烃对航空汽油蒸气压的影响

根据航空汽油标准的要求，汽油的雷德蒸气压最低不低于３８ｋＰａ，最高不应超过４９ｋＰａ。研究表明，在基础油中加入苯胺、甲苯或对二甲苯等抗爆添加剂，均会导致汽油蒸气压降低，且蒸气压随基础油中芳烃化合物含量的增加线性减小，如图３所示。在相同的加入浓度下，苯胺将导致烷基化油出现最大压降，对二甲苯次之，甲苯再次之。因此，在烷基化油中加入的苯胺最大体积分数不应超过７％，甲苯最大体积分数不应超过２０％。鉴于向基础油中加入芳烃抗爆添加剂均会引起蒸气压不同程度的降低，为减少蒸气压的损失，通常，在航空汽油掺混过程中会向基础油中加入异戊烷、环戊烷或二者的混合物。由图３可知，基础油蒸气压随油中异戊烷或环戊烷蒸气压的增加呈线性增加的趋势，且二者的单独添加量异戊烷不应超过１０％

（φ），环戊烷不应超过２０％（φ）。

４陈凯等芳烃抗爆添加剂对航空汽油性能影响研究２０１６

２．３芳烃对航空汽油馏程的影响

图４为含不同芳烃添加剂的烷基化油蒸馏曲线。鉴于异辛烷、甲苯、间二甲苯及均三甲苯的沸点分别为

９９ ℃、１１０．６ ℃、１３９ ℃ 和１６４．７ ℃。因此，在烷基化基础油中加入上述化合物均不会导致基础油终馏点超过现行航空汽油标准允许的终馏点最高温度１７０ ℃的要求。然而，标准对汽油在其他馏出比例下的温度还有相应要求。例如，馏出体积分数为５０％时，馏出温度不应超过１０５ ℃；馏出体积分数为９０％时，馏出温度不应超过１３５ ℃。当基础油与１０％（φ）的均三甲苯

混合时，汽油馏出体积分数为５０％及９０％时，对应的

馏出温度分别为１０８．２ ℃ 及１３２．６ ℃。当基础油与

１０％（φ）的间二甲苯混合时，汽油馏出体积分数为

５０％及９０％时，对应的馏出温度分别为１０５．３ ℃ 及

１２７．６ ℃。由此可见，尽管间二甲苯及均三甲苯与烷基化油混合后终馏点均满足标准要求，但其馏出体积分数为５０％或９０％时，对应的馏出温度不能满足标准要求，因此，基础油中加入的间二甲苯及均三甲苯体积分数均不应超过１０％。

２．４抗爆添加剂的协同效应

实践中，会在基础油中加入多种抗爆添加剂，以提高油料的抗爆性能。然而，在基础油中加入多种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值增加与每种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值增量的关系未知。图５为两种芳烃混合物对烷基化油抗爆性能的协同效应。尽管国标ＧＢ１７８７－２００８《航空活塞式发动机燃料》允许油料中芳烃体积分数最高３５％，但在实际使用时，航空汽油中芳烃体积分数通常在２０％，故实验时加入的芳烃

化合物总体积分数为２０％。在基础油中加入５％（φ）的甲苯及１５％（φ）的均三甲苯时，基础油辛烷值提高

９．５个单位；而在基础油中加入５％（φ）的甲苯或１５％

（φ）的均三甲苯，基础油辛烷值分别提高０．９及８．６个单位；在基础油中加入１０％（φ）的甲苯及１０％（φ）的间二甲苯时，基础油辛烷值提高６．１个单位；而当在基础油中加入５％（φ）的甲苯或１５％（φ）的均三甲苯时，基础油辛烷值分别提高０．９及８．１个单位；在基础油中加入１０％（φ）的甲苯及１０％（φ）的异丙苯时，基础油辛烷值提高３．４个单位；当在基础油中加入１０％的甲苯或１０％的异丙苯时，基础油马达法辛烷值分别提高

２．１及１．３个单位。由上可知，在基础油中加入上述几种芳烃化合物中的两种时，基础油马达法辛烷值的增值等于每种芳烃化合物所引起基础油辛烷值增值的加和。

汽油中芳烃含量过高，会导致汽油的不完全燃烧，增加颗粒污染物排放，同时，也会导致汽油热值的减少及黏度的增加。进一步考察芳烃总体积分数为１５％时，３种芳烃混合物对烷基化油抗爆性能的协同效应，如图６所示。项目研究了９种不同的添加配方，结果表明，仅有４种配方能将基础油的马达法辛烷值提高

６个单位，达到９１号无铅航空汽油标准的要求。这４种配方分别为由体积分数为５％（φ）的异丙苯及１０％

（φ）的间二甲苯组成的混合物、５％（φ）的均三甲苯及

１０％（φ）的间二甲苯组成的混合物、１０％（φ）的均三甲苯及５％（φ）的异丙苯组成的混合物以及１０％（φ）的均三甲苯及５％（φ）的间二甲苯组成的混合物。当加入

石油与天然气化工

第４５卷第５期ＣＨＥＭＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＯＦＯＩＬ＆ＧＡＳ５

１５％（φ）的抗爆添加剂由３种体积分数为５％的任何芳烃化合物混合而成时，基础油的辛烷值均不能提高

６个单位。当抗爆添加剂由体积分数为５％甲苯、５％异丙苯及５％间二甲苯混合而成时，基础油辛烷值仅提高３．８个单位。而当基础油中加入５％（φ）甲苯、

５％（φ）异丙苯或５％（φ）间二甲苯时，基础油辛烷值分别提高０．９、０．８及２．１个单位。尽管在基础油中同时

加入上述３种芳烃不能将基础油辛烷值有效提高６个单位，但研究表明，在基础油中加入不同芳烃化合物所

引起的辛烷值的增量等于每一种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值增量的加和。这一研究结果表明，若加入的芳烃化合物能有效提高基础油抗爆性能，则通过加和单组分芳烃化合物所引起的基础油辛烷值的增值，就可得知多组分芳烃化合物所引起的基础油辛烷值的增值，这将大大降低研究抗爆性能与基础油中芳烃化合物添加关系所需的实验量。

３结语

与具有相同碳数的烷烃化合物相比，芳香族化合物具有较高的辛烷值，因此被用作辛烷值增高剂，以提高航空汽油基础油的抗爆性能。项目系统地研究了芳烃化合物对航空汽油基础油抗爆性能、蒸气压及馏程的影响。研究结果表明，苯胺、均三甲苯、甲苯、异丙苯等芳烃类化合物均能不同程度地提高基础油抗爆性

能，且在相同的加入浓度下，苯胺提高基础油抗爆性能的能力最佳。研究同样表明，尽管邻二甲苯及环戊烷的马达法辛烷值高于基础油辛烷值，但在基础油中掺混上述两种化合物并不会引起基础油马达法辛烷值的增加。相反，增加基础油中邻二甲苯含量反而会导致其辛烷值降低，而环戊烷对基础油辛烷值无影响。由此可见，研究芳烃对基础油抗爆性能的影响，不能简单地将比较芳烃与基础油辛烷值大小作为判定芳烃化合物能否有效提高基础油抗爆性能的唯一依据。在基础油中加入苯胺、甲苯或对二甲苯，均会导致基础油蒸气压降低，且蒸气压随基础油中芳烃含量的增加而线性减小。尽管间二甲苯及均三甲苯与基础油混合后基础油终馏点仍满足汽油标准要求，但其馏出体积分数为

５０％或９０％时，对应的馏出温度不能满足标准指标要求，故其在基础油中掺混量不应超过１０％（φ）。项目还研究了多种芳烃化合物对基础油抗爆性能影响的协同效应。结果表明，在基础油中同时加入多种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值的增量等于每一种芳烃化合物所引起的基础油辛烷值增量的加和。

参考文献

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檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶

收稿日期：２０１６－０２－０２；编辑：温冬云

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陈 凯 向 海 柳 华

１ 实验部分

２ 结果与讨论

３ 结 语

陈凯向海柳华

１实验部分

２结果与讨论

３结语