含鉛汽油對航空活塞式發(fā)動機性能的影響探討

錢璟　楊智淵　汪必耀

摘 要： 當前航空活塞式發(fā)動機要求能夠使用無鉛或者低鉛航空汽油，但是國內(nèi)傳統(tǒng)航空汽油的含鉛量較高，如100號航空汽油、95號航空汽油等。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用含鉛汽油，發(fā)動機容易出現(xiàn)故障。重點分析含鉛汽油對航空活塞式發(fā)動機性能的影響，在分析含鉛汽油主要成分和燃燒產(chǎn)物基礎(chǔ)上，揭示了含鉛汽油對發(fā)動機性能的影響，進而以發(fā)動機抖動實例進行探討，分析含鉛汽油的影響，并提出幾點發(fā)動機養(yǎng)護策略，對正確使用含鉛汽油，減少對活塞式發(fā)動機性能影響有一定參考價值。

關(guān) 鍵 詞：航空活塞式發(fā)動機；性能；含鉛汽油；維護策略

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1473-03

The Effect of Leaded Gasoline on Performance of Aviation Piston Engine

QIAN Jing， YANG Zhi-yuan， WANG Bi-yao

（The Second Research & Institute of CAAC， Sichuan Chengdu 610207， China）

Abstract： At present， the aviation piston engine requires low lead aviation gasoline， but the lead content in traditional domestic aviation gasoline is higher， such as 100 and 95 aviation gasoline. The engine always have some trouble when using leaded gasoline. In this paper， the influence of leaded gasoline on the aviation piston engine performance was analyzed. The analysis of main components of leaded gasoline and combustion products demonstrated the influence of leaded gasoline on engine performance. And then， some maintenance strategies were put forward.

Key words： Aviation piston engine； Performance；Leaded gasoline；Maintenance

現(xiàn)代航空活塞式發(fā)動機都要求航空汽油具有良好的抗爆震性能，為保證汽油具有符合標準，航空汽油都會添加一定含量的鉛，但是鉛的使用必然會對發(fā)動機的性能造成影響。航空活塞式發(fā)動機在性能評價中，在正常燃燒情況下，提高壓縮比能夠提高熱效率。在防爆震對策中，常常會添加鉛等重金屬降低火焰燃燒速度。

1 含鉛航空汽油主要成分及燃燒產(chǎn)物

活塞式發(fā)動機的熱效率是衡量發(fā)動機性能的主要指標之一，高的熱效率會降低油耗和汽油機尾氣排放。通常情況下，壓縮比越高的發(fā)動機，其熱效率就越高，但壓縮比越高越容易產(chǎn)生爆震，為避免爆震，這就要求航空汽油具有良好的抗爆性，且在沒有爆震情況下，盡可能高的提高發(fā)動機的壓縮比。

航空活塞式發(fā)動機汽油是各種碳氫化合物的混合物，主要成分為C4～C12烴類組分和添加劑調(diào)和而成。油品中烴類容易氧化生成的過氧化物容易分解成自由基，而引發(fā)連鎖反應(yīng)。汽油添加四乙基鉛目的就是能夠分解燃燒前產(chǎn)生的活性過氧化物，破壞支鏈反應(yīng)，阻礙自動著火，減緩了能量釋放速度以達到抗爆震的效果，從而提高了燃料辛烷值，給提高壓縮比率和發(fā)動機效率預(yù)留了空間。

航空活塞式發(fā)動機工作時，汽油燃燒過程非常復(fù)雜，在高壓高溫下工作，最大壓力能夠達到3 MPa，最高溫度能夠超過2 500 K。四乙基鉛燃燒后產(chǎn)物為氧化鉛和固體鉛，這些產(chǎn)物會在發(fā)動機內(nèi)聚集，鉛含量過高時，將會損害發(fā)動機零件，常需要添加溴化乙烯。溴化乙烯能夠與鉛合成溴化鉛，在高溫條件下，迅速揮發(fā)。各物質(zhì)沸點見表1。鉛和氧化鉛的沸點都要明顯高于溴化鉛[1，2]。

在貧油或者過富油的情況下，發(fā)動機均會產(chǎn)生大量的鉛化物，但是不同狀態(tài)下也有所不同，在過貧油狀況下，發(fā)動機工作溫度很高，產(chǎn)生很多鉛化物，其中部分會接觸到汽缸壁和電嘴，固化堆積，因此發(fā)動機在應(yīng)用中不能過分追求貧油。

2 含鉛汽油對航空活塞式發(fā)動機性能影響分析

2.1 鉛的沉積對發(fā)動機影響

含鉛汽油對活塞式發(fā)動機的影響可以總結(jié)為燃燒沉積對發(fā)動機整體性能的影響，試驗表明發(fā)動機沉積物60%均為鉛化物，在不同運轉(zhuǎn)條件下，鉛化物組成也存在一定的差異。

鉛化物會降低汽油的燃燒速度，尤其是氧化鉛活性強，碳的著火點低，沉積物直接附著在周圍固體上，如活塞頭、氣門組件上，在點火時刻之前很有可能引起早燃。

為避免鉛化物沉積，在高鉛汽油中，常添加排鉛劑，燃燒生成溴化氫、溴化鉛等，這些生成物與水形成的酸性介質(zhì)，將會直接腐蝕發(fā)動機的各個零件。鉛化物會腐蝕發(fā)動機零件，如缸壁、活塞環(huán)和氣門。當這些酸性物質(zhì)進入到曲軸箱中，造成發(fā)動機潤滑油變質(zhì)，大幅增加了發(fā)動機磨損。燃燒產(chǎn)生的鉛化物等顆粒可能隨著廢氣沉積到氣門之間，導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴，導(dǎo)致發(fā)動機功率和效率都會下降。

含鉛汽油燃燒后生成的鉛化物會沉積到絕緣體以及火花塞電極上，在溫度較高時，這些沉積物存在導(dǎo)電性，兩個電極之間形成并聯(lián)通路，如果點火能量不足，在電極之間釋放則會導(dǎo)致點火失敗，另外鉛化物的沉積還會大大提高發(fā)動機大功率下的點火能量。

2.2 對潤滑系統(tǒng)的影響

含鉛航汽對潤滑性的影響是比較復(fù)雜的。一方面，如果鉛含量過高，燃燒后鉛化物會增加發(fā)動機的腐蝕，燃燒室形成含鉛沉積物，進入機油將會導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)，導(dǎo)致喪失潤滑性。鉛化物在滑油系統(tǒng)類會大量沉積，部分潤滑部件需要的壓力小，孔徑小，鉛化物的沉積將會進一步縮小孔徑，導(dǎo)致潤滑不良，在過熱情況下，潤滑油也會出現(xiàn)燃燒情況，碳化物進一步附著在此處，加重磨損。在系統(tǒng)管路部分，系統(tǒng)管路沉積鉛化物，將會導(dǎo)致通路狹窄，降低散熱效果，也會影響潤滑效果，此外大量沉積鉛化物也會逐漸降低工作部件的反應(yīng)速度[3]。

另一方面，發(fā)動機氣門組件總是受到高溫燃氣的沖刷，得不到潤滑，處于干燥狀態(tài)。使用含鉛汽油時，燃燒形成的鉛化物附著在汽缸內(nèi)壁與氣閥和閥座的表面，形成一層很薄的軟金屬，能有效防止高硬度鋼鐵零件的粗糙表面直接接觸，減少“干磨”和“電焊”現(xiàn)象，是一種難能可貴的金屬潤滑劑，很多國外研究表明，在無鉛汽油使用后，反倒造成了發(fā)動機汽缸壁-活塞環(huán)的早期異常磨損，使用壽命會大幅度降低。

3 含鉛航汽對不同型號發(fā)動機的影響

某航空活塞式發(fā)動機發(fā)生空中抖動故障，現(xiàn)對故障原因進行分析。引起航空活塞式發(fā)動機發(fā)生空中抖動原因有很多，其中含鉛汽油時引起發(fā)動機抖動故障根本原因。傳統(tǒng)國產(chǎn)100號航空汽油是ASTM D910航空汽油含鉛量的數(shù)倍，高含鉛量將會導(dǎo)致鉛化物積累，污染電嘴、氣缸內(nèi)部，發(fā)動機出現(xiàn)抖動故障原因可以分為以下幾方面：

3.1 發(fā)動機故障原因分析

在電嘴方面，電嘴旁極和中央級存在積鉛情況，導(dǎo)致電嘴不跳火，此外電嘴積鉛還會導(dǎo)致中央級與兩個旁極之間間隙存在偏差，跳火不穩(wěn)定。電嘴積鉛原因與發(fā)動機的運行溫度、汽油有關(guān)。電嘴積鉛可以分為高溫積鉛和低溫積鉛，高溫積鉛主要產(chǎn)物是氧化鉛、硅酸鉛，低溫積鉛產(chǎn)物主要是溴化鉛，這些產(chǎn)物都與發(fā)動機的工作溫度有關(guān)。在發(fā)動機缸內(nèi)溫度在900～1 300 °F時，電嘴上一般很少積累鉛化物，溫度低于900 °F時，將會增加積鉛，而且體積較大，容易導(dǎo)致電嘴短路[4]。如果溫度超過1300 °F，形成的積鉛雖然體積較小，但是分布范圍更大，容易引起電嘴間隙不一致，形成短路。除了發(fā)動機的溫度之外，汽油含鉛量也是關(guān)鍵性因素，混合氣貧富油都會對積鉛產(chǎn)生一定影響，低溫加富油混合氣會妨礙四乙基鉛的氣化，此時積鉛更嚴重。高溫加貧油混合氣，更加容易出現(xiàn)爆震、早燃等異常情況，縮短發(fā)動機使用壽命。另外長期使用富油燃燒，電嘴上容易積累碳灰，影響點火性能（圖1）[5]。

在氣缸內(nèi)壁大量積累鉛化物，發(fā)動機工作時，將會導(dǎo)致部分鉛化物調(diào)入電嘴，引起電嘴不跳火，甚至引起短路情況。燃燒室內(nèi)壁大量積累鉛化物后，將會大大降低燃燒室容積。

燃油系統(tǒng)自身存在異常情況，也可能引起發(fā)動機抖動，如汽油本身過富油或者過貧油都可能引起積鉛現(xiàn)象。噴嘴故障引起供油分布不均勻，將會導(dǎo)致混合器貧富油在各個氣缸分布不足，供油差當超過2%時，就會導(dǎo)致氣缸混合氣混合比不匹配，引起抖動情況，另外還增加鉛化物積累。除了這些之外，燃油噴嘴堵塞也是抖動原因，噴嘴堵塞導(dǎo)致噴油急劇減少，氣缸噴油量增加，引起發(fā)動機抖動[6]。

發(fā)動機工作溫度較高情況下，排氣門可能出現(xiàn)比較嚴重的積鉛，如果積鉛進入到氣門導(dǎo)套內(nèi)，將會導(dǎo)致排氣異常，氣缸工作狀態(tài)受到抑制，導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)劇烈抖動情況。由于氣缸內(nèi)壁大量積累鉛化物，可能導(dǎo)致氣門關(guān)閉異常，導(dǎo)致氣缸漏氣出現(xiàn)抖動。

發(fā)動機自身操作不當也會引起自身抖動情況，發(fā)動機在低溫、轉(zhuǎn)速小狀況下運行，容易被積鉛污染，此時積鉛顆粒較大，溫度較低時，溴化乙烯無法發(fā)揮作用，而在高溫、貧油情況下，又容易出現(xiàn)高溫積鉛情況[7]。

3.2 故障預(yù)防措施

有實驗表明電嘴性能下降也會引起積鉛生成率大大提高，因此在發(fā)動機維護中有必要及時更換性能差的電嘴，及時定期清理維護。

針對氣缸內(nèi)壁附著積鉛原因，可以采用定期去除的方式，如定期翻修、檢修，對汽缸內(nèi)壁進行清潔。通過定期檢查和清潔氣門能夠減少氣門積鉛情況。針對發(fā)動機自身原因引起的抖動情況，應(yīng)合理調(diào)整貧富油，在工作穩(wěn)定下，調(diào)整飛行資質(zhì)和貧富油，溫度控制可以參考排氣溫度，最大程度減少電嘴上的鉛化物

4 使用含鉛汽油維護策略

清除含鉛汽油對發(fā)動機的不利影響，最根本的措施就是提高汽油的品質(zhì)，降低汽油的鉛含量。汽油在調(diào)和的過程中，嚴格控制硫含量，降低硫成分對加鉛效果的影響。在使用含鉛量較高的汽油時，盡量縮短電嘴潤油更換時間以及清潔周期。

運行中，嚴密觀察發(fā)動機運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)早燃等異常情況，嚴格遵循廠家推薦的程序檢查發(fā)動機各個部件。同時觀察排氣溫度和氣缸頭溫度，發(fā)現(xiàn)發(fā)動起在啟動過程中等工作不穩(wěn)定或者出現(xiàn)排氣管冒黑煙情況，立即停止檢查氣門機構(gòu)工作情況，按照規(guī)定清理門桿和沉積物，徹底清潔潤滑管道。。

在點火系統(tǒng)中，常見故障為火花塞鉛垢，尤其是始終高含量鉛汽油下，因此在巡航時間較長的情況下可以考慮采用富油消除積鉛，發(fā)動機停車前，電嘴附近沉積物可以采用熱沖擊的方式震蕩下來。

5 結(jié) 語

綜上所述，含鉛汽油雖然在一定程度上滿足了發(fā)動機抗暴震性能，但是也會對發(fā)動機產(chǎn)生不利影響，發(fā)動機使用含鉛汽油不可避免出現(xiàn)積鉛情況，這也是引起發(fā)動機抖動的主要原因，在發(fā)動機的維護中，要求能夠正確處理由于含鉛汽油引起的故障，采取針對性措施減少和預(yù)防鉛的積累，保證飛行安全。

參考文獻：

[1]袁春，張宗偉.含鉛汽油對航空活塞式發(fā)動機的不利影響初探[J].機械，2011（S1）：14-16.

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[3]李冰林，魏民祥.活塞式發(fā)動機燃燒煤油研究現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2012（06）：87-90.

[4]劉國棟.航空活塞發(fā)動機燃燒過程和特性的模擬研究[D].南京航空航天大學，2013.

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[6]蔡娟.某小型航空煤油活塞發(fā)動機總體性能分析及優(yōu)化[D].南京航空航天大學，2015.

[7] 賈倩倩.小型航空二沖程直噴汽油活塞發(fā)動機燃油噴射及燃燒特性的研究[D].北京交通大學，2014.