新型实验方法评估航空替代燃料的热稳定性与结焦倾向：从传统Jet A到生物基可持续燃料的比较研究

为解决航空燃料在高温下易结焦导致发动机运行风险的问题，研究人员采用新型热稳定性测试装置，结合压力差测量和碳燃烧法，评估了两种传统（Jet A、JP-5）和两种替代燃料（BJ1、BJ2）的结焦倾向。结果表明，生物基燃料BJ1结焦沉积最少，且装置可有效模拟实际飞行条件。该研究为可持续航空燃料的筛选和发动机设计优化提供了重要技术支撑。

　　

航空燃料作为飞机冷却系统的关键介质，其热稳定性直接影响发动机安全运行。然而，传统燃料在高温下易发生液相氧化反应，形成固体沉积物（结焦），堵塞燃料管路，尤其在现代高压缩比发动机中问题更为突出。尽管ASTM D3241标准通过JFTOT（Jet Fuel Oxidation Tester）评估燃料热稳定性，但其定性方法对新兴生物基燃料的适用性存疑。此外，燃料中芳香烃含量与结焦倾向的关系尚未明确，亟需开发定量评估方法。

为解决这些问题，国外研究团队基于Yuen等人开发的实验装置，模拟了燃料在飞机冷却系统（100–150°C，约1分钟）和喷油器通道（>300°C，约0.05秒）中的真实工况。通过压力差测量和碳燃烧法（Eltra SC-800），对比分析了两种传统燃料（JF1/Jet A、JF2/JP-5）和两种替代燃料（BJ1/醇基燃料、BJ2/含30%三甲苯的BJ1）的结焦特性。

实验方法
研究采用双温区装置：预热段（193°C油浴，50秒）模拟燃料冷却过程，测试段（内壁346°C，0.055秒）模拟喷油器环境。压力差通过Hagen-Poiseuille定律反演沉积厚度；碳燃烧法则将测试段切割为6段，量化轴向沉积分布。燃料物性参数（如芳香烃含量）通过ASTM D1319测定。

研究结果

1. 压力差推断的结焦沉积：传统燃料JF1沉积最厚（约50μm），而JP-5（JF2）虽含21%芳香烃，沉积量却低于JF1（19%芳香烃）。BJ1（无芳香烃）沉积略高于JF2，但BJ2（30%芳香烃）仍低于JF1，表明芳香烃类型（如三甲苯）可能比总量更影响结焦。
2. 碳燃烧法的轴向分布：BJ1在所有区段沉积最少，验证其优异热稳定性。沉积量从测试段入口向出口递减，但末端略有回升，可能与初始高温（346°C）促进前段快速结焦有关。
3. 方法对比：两种评估结果趋势一致，但定量存在差异，压力差法假设均匀沉积可能低估局部堆积，而碳燃烧法揭示实际非均匀分布。

结论与意义
该研究首次系统比较了传统与生物基航空燃料的结焦行为，证实醇基燃料BJ1的沉积量最低，且含30%三甲苯的BJ2仍优于传统Jet A，为生物燃料的“直接替代（drop-in）”应用提供了数据支持。实验装置通过模拟多时间尺度（分钟级冷却、秒级喷射）和温度梯度，克服了JFTOT单级加热的局限性，可作为ASTM D4054预筛选平台。未来需进一步探究芳香烃分子结构对结焦的影响，并扩展至湍流工况研究。论文发表于《Fuel》，为航空燃料设计与可持续能源转型提供了关键技术参考。