自20世纪20年代开始大规模应用于汽车发动机以来，随着炼油工艺、发动机技术、环保要求的改变，汽油的组成、添加物也在不断地发生改变。组分、添加剂的改变，意味着汽油衍生的上下游也不断在改变（比如，当前美国汽油添加10%的乙醇，这意味着乙醇在汽油的供应中占据了10%的比重），这就导致汽油的定价模式也在发生改变。为了厘清这些变化对汽油定价造成的影响，本文对美国汽油组分及其添加剂的历史做了一个综述。

从化学组成上来说，汽油由C4到C12范围的碳氢化合物组成，是烷烃、烯烃和环烷烃的混合物。汽油中分子的实际成分和比例取决于生产汽油的炼油厂工艺、原油原料和该汽油的等级规定即辛烷值等因素。

通常来说，汽油的抗暴性能是人们最为关注的焦点，如果发动机气缸中的燃料出现爆震现象，不仅会降低效率，还会损坏发动机。这点我们可以从加油站不同种类的汽油名称略窥一二。在加油站，不同型号的汽油通常都是通过不同的辛烷值进行识别，并且价格不同，这与柴油通过凝固点进行分类的方法如出一辙。辛烷值是衡量燃料抗爆震能力的指标，用研究法（RON）或马达法（MON）来衡量。美国大多数零售加油站提供三种辛烷值的汽油：87（普通级Regular）、89（中级Midgrade）和91-93（高级Premium）。辛烷值越高，汽油混合物的抗爆性就越强。使用更高辛烷值的汽油燃料可以实现更高的压缩比，提升发动机效率和性能。

除了抗爆性外，汽油还具有良好的蒸发性、安定性、无腐蚀性等性质（表1）。蒸发性通过常减压蒸馏时的初馏点和馏出温度控制，安定性由不饱和烃的含量度量，无腐蚀性则需要测量其酸度、硫含量等。除了这些特性，美国汽油期货RBOB的标品还对其里德蒸气压、含氧化合物含量等有一定要求，具体要求如图1。同时，在文后的附录中，我们还补充列举了一些汽油相关的法规，以供大家参考 。

从工艺上来说，汽油成品由直馏汽油和二次加工过程生成的高辛烷值汽油组分（催化裂化汽油、催化重整汽油、加氢裂化汽油等）调和而成。但是，仅通过炼厂环节出来的组分进行调和来生产合规、高性能的汽油，仍不具有足够的经济性，或者无法满足相关的环保要求，因此，除还必须额外加入少量的添加剂来调整汽油的性能。这些组分及添加剂的发展简史如表2所列。事实上，如果我们把环保性能也看成是一种经济性的要求（环境资源），汽油成本的发展史实际上是一个技术与经济性不断博弈的历史。下文我们对其进行一个简单的回顾。

侦探小说的主角——四乙基铅

1921年，为通用汽车工作的汽车工程师托马斯·米基利（Midgley）发现四乙基铅（TEL）可以为汽油提供辛烷值，防止发动机爆震。通用为了掩盖这种添加剂中含有铅的成分，将这种抗爆震剂命名为“乙基”（Ethyl）。虽然在当时人们已经发现芳烃和醇类也是可以作为提供辛烷的添加剂，但四乙基铅因其较低的生产成本和较少的添加量而成为首选。添加乙醇需要加20-30%，而添加四乙基铅则仅需要很低的浓度就可以提高辛烷值。除此之外，将乙醇添加到汽油里无法获得专利，也无法控制其分销利润，但是利用四乙基铅可以。

在早期将四乙基铅用作燃料添加剂时，人们针对铅的使用提出了健康问题方面的质疑。1924年，新泽西州和俄亥俄州的15名炼油厂工人疑似因铅中毒而死亡。炼油厂暂时停止了含铅汽油的生产。当时学界已有多项实验证明铅的潜在危险，但是资本家为了利益，并没有将其危害公之于众。四乙基铅的发明者米基利为了向大众宣告铅是无害的，将一小罐四乙基铅倒在了手上。而事实上，他花了一年时间才从四乙基铅的伤害中恢复过来。

这里插一句题外话回应本小节的标题，由于四乙基铅具有很强的毒性，同时汽油又是比较易得的民用燃料油，汽油开始慢慢走入侦探小说的舞台，成为一种“凶器”。如著名的埃勒里奎因系列，其成名作《罗马帽子之谜》，其凶器就使用了从汽油中提纯出来的四乙基铅。这有点类似于后来的烟蒂，两者都是含有剧毒，但易得的化学物质。

虽然学者没有发现短期内铅中毒的证据，但他们发现长期接触铅可能导致慢性疾病。直到1960年代，经过广泛的健康研究才确定了铅对健康的破坏性影响。铅是一种有毒金属，即使在低暴露水平下也会对人类健康有害。铅的影响具有持久性，随着时间的推移，它会在体内进行生物蓄积。尤其是幼儿、婴儿和胎儿，即使儿童血液中的铅含量很低，也会导致中枢和外周神经系统受损、学习障碍、身材矮小、听力受损以及血细胞的形成和功能受损等问题。铅对成年人同样有害，暴露于铅环境中的成年人可能引发心血管发面的疾病、血压升高、肾功能下降和生殖问题等。

废除铅的使用是一个缓慢的过程，国会于1970年12月由尼克松总统签署通过了《清洁空气法案》，开始要求逐步减少所有等级汽油中的铅含量。但期间涉及多方团体的利益牵扯，直到1996年1月1日起美国禁止公路车辆使用含铅汽油，才算真正完成了对四乙基铅这一添加剂的废除。目前世界上大部分地区的汽油中已不含铅。

自然而然的选择——混合芳烃

混合芳烃（BTEX）是苯、甲苯、二甲苯和乙苯的烃混合物，是无色透明的液体，有特殊气味，可作为石油树脂、汽油、溶剂的原料。混合芳烃是将低辛烷值的调成高辛烷值的汽油添加剂。虽然一部分混合芳烃是汽油的原生物质，但它也被添加到成品汽油中以提高其辛烷值。成品汽油中混合芳烃的总量取决于所需的辛烷值和其他所需的燃料特性。

由于立法要求，炼油厂需要去除汽油中的四乙基铅，当时有两种可用的替代品：混合芳烃和乙醇。炼油厂选择用高辛烷值的石油炼油产品混合芳烃替代四乙基铅。到1990年，混合芳烃的含量从占汽油比例约22%增加到大约三分之一。

选择提高混合芳烃的组分占比是一个自然的选择，一方面，炼油技术如催化裂化、催化重整地发展大大增加了混合芳烃的收率，使得混合芳烃不再是昂贵、紧缺的资源。另一方面，往汽油中添加乙醇会导致汽油热效率的降低，并不受消费者的青睐。因此，市场选择了增加混合芳烃的含量来稳定汽油抗爆性能的同时满足环保要求，是一个自然而然的选择。

但进一步的研究表明，即使接触来自汽油添加剂和其他石油产品的低浓度混合芳烃复合物，也可能导致负面的发育、生殖和免疫反应。汽油中所含的混合芳烃复合物不完全燃烧时，会形成具有致癌性的超细颗粒物和多环芳烃，即使含量很低也会对健康产生不利影响。燃料中的苯具有毒性，即使使用其他芳香族化合物如二甲苯、乙苯、甲苯来替代苯也不能减少其毒性作用。

1990年国会通过了《清洁空气法案》修正案，其中要求降低不符合地面臭氧标准的地区的苯含量。2007年美国环境署保护局更新了对有害空气污染物的限制，将汽油中苯的总含量限制在0.62%。

混合芳烃的孪生兄弟——甲基叔丁基醚

1979年，炼油厂将甲基叔丁基醚（MTBE）添加到汽油中以替代四乙基铅来起到提高燃料辛烷值的作用。作为1990年《空气清洁法案》修正案的一部分，联邦政府推出了新配方汽油（RFG）计划，该计划旨在降低汽油芳烃（如苯、甲苯、乙苯和二甲苯）的含量，并通过添加大量含氧化合物来提高汽油的含氧量。美国国会要求在新配方汽油中使用至少2%的含氧物以在提高内燃机的辛烷值的同时减少空气污染。通过添加11%的甲基叔丁基醚或5.7%的乙醇可以满足新配方汽油的要求。1990年代后期废除铅使用后，由于其易于运输且混合成本较低，美国开始使用甲基叔丁基醚代替铅。使用甲基叔丁基醚可以降低一氧化碳、臭氧、苯和氮氧化物的排放水平，提升空气质量，减少与接触苯相关的癌症风险。

然而甲基叔丁基醚极易溶于水且不易降解，会改变饮用水的味道和气味且对人体有潜在致癌性。地下水中甲基叔丁基醚的主要来源是地下储罐系统泄漏的汽油。1998年11月，美国环境署保护局宣布成立一个独立的“蓝带小组”以完成对甲基叔丁基醚添加在汽油中的作用以及对环境影响的评估。评估结果建议对国家水保护计划进行全面改进，提出了包括20多项具体行动以加强地下储水罐、安全饮用水和私人水井保护计划。

为了防止甲基叔丁基醚继续污染水资源，2000年美国环境署保护局宣布逐步淘汰甲基叔丁基醚以保护饮用水。2000到2005年间有17个州禁止或大幅限制在汽油中使用甲基叔丁基醚。

生态环保的最终选择——乙醇

事实上早在上世纪20年代人们就发现乙醇（ethanol）可以被添加在汽油中提高辛烷值。但是在当时，汽油相比乙醇便宜得多。由于上文铅部分提及的原因，早期炼油厂并没有选择使用乙醇作为汽油燃料的添加剂。

推动乙醇作为添加剂广泛使用的除了四乙基铅等添加剂的废除，还有政治上的因素。1973年，阿拉伯石油禁运引发了世界范围的能源危机，美国想通过乙醇燃料减少原油的使用，减少对国外原油的依赖，从而加大了对替代能源的探索力度。

虽然相比汽油，乙醇存在热值低的缺点。但与汽油芳烃及其燃烧产物对健康的影响相比，乙醇具有毒性较低的优点。排放污染物方面，乙醇对于一氧化二氮和一氧化碳排放的影响在较新的发动机排放控制系统中较小，且可以降低温室气体二氧化碳的排放。乙醇的含氧量大约是甲基叔丁基醚的两倍。但用乙醇替代甲基叔丁基醚有生产成本高、生产率较低的缺点。1990年，《空气清洁法案》鼓励使用乙醇和其他含氧燃料替代汽油芳烃。

在美国，乙醇主要在中西部地区生产，为了满足更广泛的需求，需要加强基础设施建设。另外乙醇和乙醇混合汽油可以导电，由于其导电性，乙醇混合汽油比未混合汽油具备更强的腐蚀性，容易腐蚀管路和设备。因此，储罐应采用抗腐蚀的材料制成。

经济性方面，乙醇目前的制备主要是由粮食生产或者利用乙烯水合法，成本较高。如果使用粮食生产的方法，需要考虑粮食的价格和运输粮食所需的成本。而工业制乙醇通常使用乙烯水合法，乙烯基本是靠石油和天然气裂解制备的，相比用于燃烧，乙烯用于化工原料更能发挥其价值。另外，运输乙醇本身需要汽油，所以要衡量收益和成本。在使用乙醇成本高的情况下，往往需要政府的补贴或者税收政策才能推动其广泛使用。1979年至2000年间，联邦和州政府对乙醇的补贴约为110亿美元，石油行业1968年至2000年的税收抵免约为1500亿美元。

2005年，美国国会颁布了《可再生燃料标准》（RFS），规定了在发动机燃料中使用包括乙醇在内的可再生燃料的最低要求。2007年，《可再生燃料标准》设定目标，计划到2022年实现稳步上升至360亿加仑。2019年美国消耗了约145亿加仑燃料乙醇。目前在美国销售的汽油中有95%以上是E10汽油，数字10表示乙醇的含量为10%。

未来成分变化方向——电力、碳中和？

纵观美国汽油成分历史变化，是多方利益集团的综合博弈和技术的发展进步带来的共同影响。其中涉及到消费者对出行的需求，包括炼化技术、发动机技术及运输技术在内的多种科技进步，炼厂所处的市场环境以及炼厂的成本与利润，监管层为了保护民众的健康制定的政策变化。

未来汽油成分将向着降低硫元素和二氧化碳排放，减少对空气污染的方向继续发展。评估未来汽油添加物质相关政策的时候，要考虑多方利益团体的诉求、权衡成本与收益。

随着油价上涨和全球变暖成为主要的环境问题，未来也会使用其他替代燃料。氢已被证明是未来汽车的合适燃料替代品。虽然从现有的燃料和发动机系统转向更新的系统需要大量投资，但从长远来看，若能解决经济效益问题，则可以全面投产。在不排放、不破坏环境的前提下，一旦氢气的生产、储存、运输和成本问题得到解决，氢气终将作为汽车的替代燃料进入市场。

新能源汽车也慢慢登上舞台。随着各国不断推进新能源汽车的发展，未来燃油车是会退居二线，还是会与新能源共舞仍未得而知。但可以肯定的是，环保的意识已经深入人心。这就如同宗教一样，碳排放是否是全球气候异常的元凶，我们仍不得而知，但只要人们相信了这一“事实”，即使它是错的，人们也会不断践行下去，为了求得内心的安宁。就可能如同宗教，从不真实存在，但对人类的发展不可或缺。

附录：相关法规

CAA

汽油蒸发时释放的蒸气和燃烧时产生的一氧化碳、氮氧化物、颗粒物和未燃烧的碳氢化合物会污染空气，还会产生温室气体二氧化碳。为了减少空气污染，美国于1970年通过了《清洁空气法案》（CAA），用于规范各来源的空气排放。《清洁空气法案》是一项综合性联邦法律，于1977年和1990年分别进行了修订。《清洁空气法案》要求美国环境署保护局（EPA）对用于公路或非公路车辆、发动机的燃料和燃料添加剂进行监管，解决燃料和燃料添加剂对发动机的损害以及排放问题。

美国环境署保护局制定了以下规定，以实现该法案减少空气污染的目标：

• 装置排放控制装置

法案规定从1976年开始需在乘用车上安装排放控制装置。90年代美国环境署保护局还为其他类型的车辆和用于非道路用汽油设备的发动机制定了排放标准。

• 禁止含铅汽油的使用

意识到铅对健康的危害性，1976年美国开始立法逐渐废除含铅汽油。到1996年，用于车辆的含铅汽油已完全从美国燃料系统中淘汰。

• 使用新配方汽油

1990年的清洁空气法案修正案要求从1995年开始使用清洁燃烧的新配方汽油以减少空气污染。

• 供应超低硫汽油

自2017年1月1日起，炼油厂供应的汽油应比2004年生产的汽油含硫量减少97%。

EPAct

1975年美国国会通过了能源政策和保护法案(EPAct)，涉及美国的能源生产，包括能源效率、可再生能源、石油和天然气、煤炭、车辆和机动燃料、氢气等方面内容。该法案为汽车和卡车制定了企业平均燃油经济性(CAFE)标准。

EI&SA

布什总统于2007年12月19日签署通过了能源独立和安全法案(EI&SA)。该法案旨在保护美国的能源独立和安全、增加清洁可再生燃料的生产、保护消费者、提高产品、建筑物和车辆的效率、促进研究和部署温室气体捕获和储存方案、发展可再生燃料生产、提高汽车燃油经济性等。该法案还颁布了三个关键条款，分别为企业平均燃料经济性标准、可再生燃料标准和电器/照明效率标准。

其他

《清洁空气法案》建立了国家燃料排放标准，也允许各州采用不同的燃料计划来满足当地的空气质量需求。联邦和州燃料计划的结合，既可以满足全国范围内的标准燃料质量要求，又具有在州或地方层面解决特定空气质量问题的灵活性。不同州可以根据自身的情况，制定不同的规定。