مشخصات فنی بنزین ال ال 100

ثبت و نگارش توسط

بنزین ال ال 100 یا avgas 100ll، که به عنوان بنزین هوانوردی 100LL شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین سوخت‌های مورد استفاده در هواپیماهای مجهز به موتورهای پیستونی است. این سوخت با عدد اکتان تحقیقاتی (RON) 100 و عدد اکتان موتور (MON) 91، عملکرد بالایی در جلوگیری از انفجار زودرس در موتورهای با نسبت تراکم بالا ارائه می‌دهد. حداکثر محتوای سرب آن 0.56 گرم در لیتر است که از تترااتیل سرب (TEL) به عنوان افزودنی استفاده می‌شود، هرچند این ماده در بسیاری از مناطق به دلیل مسائل زیست‌محیطی در حال حذف است. همچنین، حداکثر گوگرد مجاز 0.05 درصد وزنی است تا انتشار آلاینده‌ها کاهش یابد. بنزین بدون سرب هوانوردی، مانند G100UL، به عنوان جایگزینی در حال توسعه است و می‌تواند چالش‌های مرتبط با سرب را حل کند. این مقاله به بررسی جامع مشخصات، تاریخچه، کاربردها، و آینده این سوخت می‌پردازد و اهمیت گذار به گزینه‌های بدون سرب را برجسته می‌کند. با توجه به نقش حیاتی این سوخت در هوانوردی عمومی، درک دقیق ویژگی‌های آن برای خلبانان، مهندسان و سیاست‌گذاران ضروری است.

بنزین هوانوردی (Aviation Gasoline)

تاریخچه و اهمیت بنزین هوانوردی

بنزین هوانوردی، یا AvGas، از دهه 1920 میلادی توسعه یافت تا نیاز موتورهای پیستونی هواپیماها را برآورده کند. در ابتدا، سوخت‌های مشابه بنزین خودرو استفاده می‌شد، اما با افزایش قدرت موتورها، نیاز به اکتان بالاتر احساس شد. در جنگ جهانی دوم، AvGas 100/130 با سرب بالا کلیدی برای پیروزی متفقین بود، زیرا اجازه پروازهای سریع‌تر و بالاتر را می‌داد. امروزه، AvGas 100LL استاندارد جهانی است و بیش از 90 درصد هواپیماهای پیستونی از آن استفاده می‌کنند. این سوخت نه تنها عملکرد موتور را تضمین می‌کند، بلکه ایمنی پرواز را در ارتفاعات بالا حفظ می‌نماید. با این حال، محتوای سرب آن چالش‌های زیست‌محیطی ایجاد کرده و سازمان‌هایی مانند EPA و FAA را به جستجوی جایگزین‌ها واداشته است. اهمیت AvGas در هوانوردی عمومی، جایی که بیش از 200 هزار هواپیما در ایالات متحده فعال است، آن را به سوخت حیاتی تبدیل کرده. توسعه آن بر اساس استانداردهایی مانند ASTM D910 و DEF STAN 91-90 صورت گرفته که کیفیت و سازگاری را تضمین می‌کنند. در سال‌های اخیر، تولید AvGas کاهش یافته، از 0.76 میلیون گالن در روز در 2002 به سطوح پایین‌تر، به دلیل رشد موتورهای توربینی. با وجود این، AvGas همچنان ستون فقرات هوانوردی تفریحی و آموزشی است و هرگونه تغییر در آن نیازمند آزمایش‌های گسترده است.

تولید و ترکیب شیمیایی بنزین هوانوردی

تولید بنزین هوانوردی فرآیندی پیچیده است که شامل تقطیر نفت خام، کراکینگ و مخلوط کردن اجزا می‌شود. اجزای اصلی شامل آلکیلات سبک، ایزومرات و نفتا هستند که با افزودنی‌هایی مانند TEL، آنتی‌اکسیدان‌ها و رنگ‌آمیزی ترکیب می‌گردند. TEL اکتان را افزایش می‌دهد، اما به دلیل سمیت، در 100LL به مقدار کمتری (0.56 g/L) محدود شده. گوگرد نیز به کمتر از 0.05% m/m کنترل می‌شود تا کاتالیست‌ها آسیب نبینند. فرآیند تولید تحت استانداردهای دقیق ASTM قرار دارد تا بخارپذیری (RVP حدود 7 psi) و انرژی حرارتی (حدود 43 MJ/kg) مناسب باشد. کارخانه‌های تخصصی مانند ExxonMobil و TotalEnergies این سوخت را در بشکه‌های 200 لیتری عرضه می‌کنند. ترکیب شیمیایی عمدتاً هیدروکربن‌های پارافینی و آروماتیک است، با حداقل 90% هیدروکربن‌های C5-C12. این ترکیب تضمین می‌کند که سوخت در دماهای پایین (تا -40 درجه سلسیوس) جریان یابد و در ارتفاعات بالا بخار نشود. آزمایش‌های کیفیت شامل تست‌های اکتان، سرب و گوگرد است که توسط گواهینامه‌های مستقل تأیید می‌شود. با پیشرفت فناوری، تولیدکنندگان به سمت اجزای پایدارتر حرکت کرده‌اند تا پایداری سوخت را افزایش دهند.

عدد اکتان (RON): 100, MON 91

مفهوم و اندازه‌گیری عدد اکتان در سوخت هوانوردی

عدد اکتان معیاری از مقاومت سوخت در برابر انفجار زودرس (ناکینگ) است و برای AvGas 100LL، RON 100 و MON 91 تعریف شده. RON در شرایط شبیه به کروز (سرعت پایین پیستون) اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که MON شرایط سخت‌تر موتور را شبیه‌سازی می‌کند. این اعداد بر اساس استاندارد ASTM D2699 و D2700 تعیین می‌گردند و تضمین می‌کنند که موتورهای با نسبت تراکم 8:1 تا 10:1 بدون آسیب کار کنند. در AvGas، اکتان با TEL افزایش می‌یابد، اما در مخلوط‌های غنی، MON تا 130 می‌رسد. اهمیت این اعداد در پروازهای با فشار جزئی پایین است، جایی که ناکینگ می‌تواند فاجعه‌بار باشد. آزمایش‌ها با موتورهای استاندارد CFR انجام می‌شود و نتایج باید حداقل RON 100 را تأیید کنند. در مقایسه با بنزین خودرو (AKI 87-93)، AvGas بالاتر است تا نیازهای توربوشارژرها را برآورده کند. توسعه سوخت‌های بدون سرب چالش‌هایی در حفظ این سطوح ایجاد کرده، اما فرمولاسیون‌های جدید مانند G100UL آن را حفظ می‌کنند. درک این مفهوم برای تنظیم زمان جرقه و نسبت سوخت-هوا ضروری است.

تأثیر عدد اکتان بر عملکرد موتور هواپیما

عدد اکتان بالا در AvGas 100LL اجازه می‌دهد موتورها با قدرت بیشتر و کارایی بالاتر عمل کنند، به ویژه در مراحل تیک‌آف و صعود. با MON 91، سوخت در مخلوط‌های غنی پایدار می‌ماند و از آسیب سوپاپ‌ها جلوگیری می‌کند. مطالعات نشان می‌دهد که کاهش اکتان حتی 5 واحد می‌تواند قدرت را 10% کم کند و مصرف سوخت را افزایش دهد. در موتورهای Lycoming یا Continental، این اعداد تضمین‌کننده حاشیه انفجار ایمن هستند. خلبانان با نظارت بر EGT و CHT، عملکرد را بهینه می‌کنند. در آینده، سوخت‌های بدون سرب باید این سطوح را تطبیق دهند تا بدون تغییرات موتور، قابل استفاده باشند. آزمایش‌های FAA بر روی G100UL تأیید کرده که عملکرد مشابهی دارد.؛ برای رسیدن به 80، علاوه بر این، اکتان بالا به کاهش دمای احتراق کمک می‌کند و عمر قطعات را افزایش می‌دهد. در پروازهای طولانی، ثبات اکتان از تغییرات کیفیتی جلوگیری می‌کند.

حداکثر سرب (Lead Content): 0.56 g/L (Tetraethyl Lead, phased out in many regions)

نقش تترااتیل سرب در بنزین هوانوردی

تترااتیل سرب (TEL) به عنوان افزودنی ضد ناک در AvGas 100LL استفاده می‌شود و حداکثر 0.56 g/L مجاز است. TEL اکتان را تا 130 افزایش می‌دهد، سوپاپ‌ها را روغن‌کاری می‌کند و از فرسایش جلوگیری می‌نماید. از دهه 1930، TEL کلیدی برای موتورهای پرقدرت بود، اما سمیت آن (تأثیر بر سیستم عصبی و محیط) منجر به حذف تدریجی شده. در 100LL، مقدار کمتری نسبت به AvGas 100 (1.06 g/L) دارد و با رنگ آبی شناسایی می‌شود. فرآیند افزودن TEL تحت نظارت دقیق است و گواهی‌نامه‌ها مقدار دقیق را تأیید می‌کنند. در مناطق مانند کالیفرنیا، ممنوعیت‌های محلی فشار برای جایگزین‌ها را افزایش داده. با این حال، TEL همچنان در بیش از 70% فرودگاه‌های ایالات متحده موجود است.

چالش‌های زیست‌محیطی و حذف سرب

حذف سرب چالش‌های زیست‌محیطی ایجاد می‌کند، زیرا هر گالن 100LL حدود 2 گرم سرب منتشر می‌کند و سالانه 500 تن سرب در هوا پخش می‌شود. EPA آن را آلاینده اصلی می‌داند و FAA برنامه‌ای برای حذف تا 2030 دارد. TEL باعث آلودگی خاک و آب نزدیک فرودگاه‌ها می‌شود و بر سلامت خلبانان (جذب از طریق پوست و تنفس) تأثیر می‌گذارد. مطالعات نشان می‌دهد که سطوح سرب در خون خلبانان GA بالاتر از میانگین است. جایگزین‌ها مانند G100UL بدون TEL، اما با اکسان‌های آلی، این مسائل را حل می‌کنند. انتقال نیازمند تغییرات در ذخیره‌سازی و آموزش است.

مقایسه محتوای سرب در سوخت‌های هوانوردی
سوخت
AvGas 100
AvGas 100LL
G100UL
UL94

حداکثر گوگرد (Sulfur): 0.05% m/m

اهمیت محدودیت گوگرد در سوخت هوانوردی

محدودیت گوگرد به 0.05% m/m در AvGas 100LL برای کاهش انتشار SOx و حفاظت از موتورها وضع شده. گوگرد بالا باعث خوردگی و کاهش کارایی کاتالیست‌ها می‌شود. استاندارد ASTM D910 این حد را الزامی می‌کند تا انتشار آلاینده‌ها کمتر از 0.02% باشد. فرآیند هیدروژنیزه کردن در پالایشگاه‌ها گوگرد را حذف می‌کند. این محدودیت ایمنی موتور را افزایش می‌دهد و با مقررات ICAO همخوانی دارد. در سوخت‌های قدیمی، گوگرد تا 0.1% بود، اما کاهش آن عمر قطعات را 20% افزایش داد. تست‌های گوگرد با روش XRF انجام می‌شود و نتایج در گواهی‌نامه‌ها ثبت می‌گردد. اهمیت آن در پروازهای بین‌المللی بیشتر است.

تأثیر گوگرد بر محیط و موتور

گوگرد در اگزوز به اسید سولفوریک تبدیل شده و باران اسیدی ایجاد می‌کند، اما حد پایین AvGas این را به حداقل می‌رساند. در موتور، گوگرد رسوبات ایجاد می‌کند و قدرت را کاهش می‌دهد. مطالعات FAA نشان می‌دهد که گوگرد زیر 0.05% انتشار را 50% کم می‌کند. جایگزین‌های بدون سرب نیز این حد را حفظ می‌کنند. علاوه بر این، در مناطق حساس مانند اروپا، گوگرد صفر هدف است.

سوخت بدون سرب (Unleaded AvGas): e.g., G100UL, under development

توسعه G100UL به عنوان جایگزین بدون سرب

G100UL توسط GAMI پس از 11 سال تحقیق توسعه یافته و در 2021 STC FAA را دریافت کرد. این سوخت با RON 100 و بدون TEL، drop-in replacement برای 100LL است و در همه موتورهای پیستونی کار می‌کند. تولید آن با مخلوط هیدروکربن‌های موجود آغاز شده و در کالیفرنیا عرضه می‌شود. چالش‌های اولیه مانند لکه‌دار کردن رنگ حل شده و عملکرد مشابه تأیید گردیده. FAA آن را برای ناوگان گسترده تأیید کرده و Avfuel توزیع را بر عهده دارد. تست‌های 200 ساعته در Beech Baron نشان داد که نگهداری کمتری نیاز دارد.

وضعیت فعلی و آینده سوخت‌های بدون سرب

G100UL در 2025 در فرودگاه‌های منتخب موجود است، اما تولید ملی زمان می‌برد. رقبا مانند Swift 100R و VP Racing در حال توسعه هستند. FAA تا 2031 مهلت حذف سرب داده و PAFI هماهنگی می‌کند. قیمت G100UL 0.85-1.15 دلار بیشتر است، اما صرفه‌جویی در نگهداری جبران می‌کند. آینده شامل ASTM spec برای همه است. بیش از 125 هزار هواپیما با UL94 سازگارند و انتقال تدریجی آغاز شده.

بررسی مشخصات بنزین LL100 نشان می‌دهد که این سوخت با RON 100، MON 91، سرب 0.56 g/L و گوگرد 0.05%، استاندارد طلایی هوانوردی پیستونی است، اما چالش‌های زیست‌محیطی آن را به سمت جایگزین‌های بدون سرب مانند G100UL سوق می‌دهد. گذار به سوخت‌های پاک نه تنها سلامت را حفظ می‌کند، بلکه صنعت را پایدارتر می‌سازد. با حمایت FAA و تولیدکنندگان، آینده هوانوردی بدون سرب روشن است و خلبانان باید برای این تغییرات آماده شوند.