随着全球航空业的迅速发展以及“双碳”目标的提出，与传统航空煤油相关的能源和环境挑战日益突出[1]。作为高度依赖化石燃料的行业，航空业占全球碳排放量的2.5%[2]。为此，国际民航组织制定了到2050年实现全球净零排放的战略，旨在减少人为因素对航空相关温室效应的贡献[3]。欧盟提出到2050年可持续航空燃料应占航空燃料消耗的63%[4]，而中国提出的“低空经济”概念进一步推动了替代燃料的研究和应用[5]。
此外，“单一战场燃料”概念——考虑到军事安全需求——有望促进航空煤油的更广泛应用[6]。在应对化石燃料挑战的各种策略中，生物航空煤油作为一种优选替代品脱颖而出[7]。值得注意的是，ATJ-SPK在其他ASTM批准的替代航空煤油中具有明显的技术优势[8]。首先，它具有出色的抗氧化稳定性：由于不含易氧化的成分（如烯烃和芳烃），在长期储存或高温飞行操作过程中能够减少胶质和沉积物的形成，这不仅降低了发动机燃油系统堵塞的风险，还降低了维护成本[9]。其次，它具有优异的低温流动性。其冰点低至-60°C，远低于植物基HEFA-SPK（氢化酯和脂肪酸合成石蜡煤油），能够适应高海拔和极地等极端低温环境，确保可靠的燃油供应[10]。此外，ATJ-SPK具有多种原料来源和较高的成本效益。其超低的芳烃和硫含量使其在与传统航空煤油混合时能够显著减少CO、未燃烃（HC）和烟尘的排放[11][12]。表1展示了航空煤油和ATJ-SPK的物理化学性质对比。总体而言，这些特性大大增强了ATJ-SPK在航空应用中的竞争力。
不幸的是，目前尚无专门针对ATJ-SPK辛烷值的研究。然而，现有研究表明，高支链烷烃结构通过空间位阻效应和稳定的C–H键有效抑制了燃料的提前自燃和自由基链反应[13]，从而降低了发动机爆震的风险——这一结构特性直接关联到更高的辛烷值。
航空煤油是一种复杂的烃类混合物，由烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳烃组成。高H/C比的烷烃提供高能量密度，而环烷烃有助于降低高海拔地区的冰点。芳烃有助于提高润滑性和密封性能，但其含量必须控制在一定范围内以减少污染物排放。因此，生物航空煤油必须符合严格的硫含量、密度、闪点、粘度和萘含量的标准[14]。
研究表明，生物航空煤油的粘度受其分子类型和结构的影响[15]。杨飞等人[16]进行了台架测试，比较了生物航空煤油和传统航空煤油在航空活塞发动机中的性能。他们的发现表明，生物航空煤油具有较高的热值、较低的冰点和密度，但粘度较高。此外，使用生物航空煤油的发动机启动温度更低，热启动性能更优。然而，测试后检查发现使用生物航空煤油的发动机中出现了碳沉积——这是传统煤油所没有的问题——可能是由于燃料生产过程中形成了树脂，影响了雾化效率和燃烧完全性。这种现象类似于废润滑油衍生燃料所面临的挑战：它们的粘度高于Jet A-1，增加了燃料滴的Sauter平均直径（SMD），阻碍了燃烧室内的均匀雾化和混合[17]。
生物航空煤油缺乏芳烃和环烷烃等成分，因此无法完全替代传统航空煤油以实现完全燃烧[18]。生物航空煤油的组成和分子结构显著影响发动机燃烧。研究人员研究了不同生物航空煤油成分对燃烧和排放特性的影响，以开发全组分的生物航空煤油。燃料的化学组成是其自燃特性的核心决定因素，这一规律在Heywood的经典工作中得到了明确证实[19]。康等人[15]通过实验进一步量化了航空煤油和生物航空煤油的这一规律，为本研究分析它们的自燃差异提供了关键数据。他们的结果表明，以正烷烃和轻支链烷烃为主的合成燃料遵循经典原则：“支链度较低的烷烃具有更强的低温点火性能。”相比之下，富含高支链烷烃的燃料的低温点火性能明显弱于传统航空煤油。更重要的是，系统测试建立了关键点火参数（如低温热释放百分比、临界当量比）与燃料化学组成之间的定量关系，阐明了烷烃支链度对点火性能的影响。这些定量数据直接支持了本研究中生物航空煤油与传统航空煤油（如RP-3）自燃差异的后续分析，以及潜在的化学原因。罗[18]研究了航空煤油与四种生物质衍生环烷烃（环戊烷、环己烷、乙基环己烷和十氢萘）混合物在压燃发动机中的低温燃烧特性。结果表明，增加十氢萘的混合比例显著增强了燃烧、提前了点火时机并集中了热释放。乙基环己烷的燃烧特性类似于航空煤油，而环己烷和环戊烷则延迟了燃烧相位，增加了压缩点火难度，降低了燃烧效率。
Richter等人[20]研究了航空煤油/生物航空煤油混合物的烟尘生成倾向，重点关注了芳烃烃分子结构和浓度的影响。他们的研究表明，芳烃结构对烟尘生成的影响大于浓度；减少航空燃料中的环状和双环芳烃比单纯降低总芳烃含量更有效。这一结论与废润滑油回收研究的发现一致：Radwan等人向废食用油生物柴油-Jet A-1混合物中添加了二乙醚，形成了一种改性燃料混合物。通过提高雾化效率和利用燃料的富氧特性，该混合物实现了HC排放减少69.6%，CO排放减少61.4%，验证了低芳烃混合物系统的减排潜力[21]。
ATJ-SPK通过脱水、寡聚化和氢化过程从农业废弃物和纤维素生物质中生产。值得注意的是，其原料在生长过程中会从大气中吸收CO2，从而减少了生命周期内的碳排放[22][23]。Kurzawska等人[24]研究了不同ATJ-SPK混合比例对涡轮发动机排放特性的影响，发现混合燃料降低了最大发动机推力，但显著减少了颗粒物排放。Jasiński等人[25]进一步探讨了ATJ-SPK/煤油混合物对DGEN380小型涡扇发动机颗粒物排放的影响，明确了排放模式，为发动机性能优化和燃料使用策略提供了依据。Tran等人[26]研究了使用ATJ-SPK/煤油混合物的航空发动机的颗粒物排放，观察到与传统燃料相比，排放显著降低，且随着ATJ-SPK混合比例的增加，排放进一步减少——这归因于硫和芳烃烃浓度的降低。
研究人员分析了关键燃烧参数，以加深对ATJ-SPK燃烧行为的理解。Richter等人[27]通过“恒容燃烧弹/冲击管实验+低维模型”研究了ATJ-SPK的燃烧特性，捕捉了层流燃烧速度和点火延迟时间等关键数据。他们进一步开发了一个化学动力学-流体力学集成数学模型来模拟不同条件下的燃烧；实验验证了模型的准确性和可靠性，为理解ATJ-SPK的燃烧机制奠定了基础。
总之，关于生物航空煤油混合和燃烧的研究证实，ATJ-SPK/煤油混合物可以有效减少烟尘和其他污染物排放，同时降低对化石燃料的依赖。然而，生物航空煤油的高粘度和过高的混合比例可能会影响燃料雾化，降低燃烧效率，并导致发动机碳沉积。基于这一研究基础，本研究重点关注火花点火式航空煤油活塞发动机，利用CONVERGE软件开发了特定场景的、基于机制的分析方法，旨在确定能够显著提高发动机燃烧和排放性能的最佳ATJ-SPK/煤油混合比例。通过台架测试对发动机参数进行了针对性优化，以减轻此类混合燃料引起的爆震风险——同时利用了ATJ-SPK的固有抗爆震优势（其高含量的高支链异构烷烃）：将点火时机延迟到16°CA BTDC，压缩比降低到9:1，从而降低了缸内温度、压力和预点火风险。此外，建立了一个闭环控制系统，使用AVL缸内压力传感器收集信号并计算爆震强度（OSI）；通过预设的安全爆震阈值，实现了动态点火延迟控制，确保在整个运行过程中不发生爆震。
