淺談航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃與提前點(diǎn)火

王元國(guó)　常虎山

摘 要：不少同行經(jīng)常用“爆燃”和“提前點(diǎn)火”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部同樣的故障狀態(tài)。實(shí)際上，就其性質(zhì)和造成的損害而言，兩者之間存在很大的差別。希望本文能幫助讀者正確區(qū)分爆燃與提前點(diǎn)火。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 爆燃 提前點(diǎn)火

中圖分類(lèi)號(hào)：V234 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（c）-0010-02

Abstract： Many colleagues often use the terms" Detonation" and" Preignition" to describe the same fault status within the engine. In fact， there is a great difference between the nature and the damage caused.It is hoped that this article can help readers distinguish between detonation and premature combustion

Key Words： Engine； Detonation； Pre-ignition

維護(hù)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的不少同行經(jīng)常用“爆燃”和“提前點(diǎn)火”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)同樣的狀態(tài)[1]。實(shí)際上，就其性質(zhì)和造成的損害而言，兩者之間存在很大的差別。在診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，搞清楚究竟是爆燃還是提前點(diǎn)火導(dǎo)致的損壞、是否兩種損壞都存在、是哪一個(gè)引發(fā)了另一個(gè)，這對(duì)故障的判定及排除十分重要。

1 爆燃

爆燃是由燃燒室內(nèi)混合氣瞬間突然燃燒引起的，而不是正常狀態(tài)下的均勻燃燒。爆燃會(huì)發(fā)出尖銳的“砰砰”聲，就象汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，不幸的是，在航空活塞飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上因螺旋槳的噪音卻無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)這種聲音。爆燃會(huì)產(chǎn)生很高的汽缸頭溫度和較低的排氣溫度，爆燃還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平坦的排氣溫度峰值。

發(fā)動(dòng)機(jī)正常點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火的發(fā)生時(shí)間和實(shí)際的火焰前鋒開(kāi)始傳遞到整個(gè)燃燒室之間，有5～20°曲柄轉(zhuǎn)角延遲?；鹧媲颁h以逐漸增大的規(guī)模從火花塞附近擴(kuò)散，壓力增加使已燃混合氣膨脹，直到已燃混合氣和剩余的未燃混合氣之間的壓力達(dá)到平衡。壓力和溫度增加在某種程度上是因?yàn)槁浜笥诨鹧媲颁h的燃汽膨脹使尾氣壓縮的結(jié)果。因?yàn)榛鹧媲颁h在繼續(xù)，剩余的未燃混合氣體積減少，溫度升高。壓力增加后將未燃混合氣擠壓到一個(gè)較小空間，試驗(yàn)表明，當(dāng)火焰?zhèn)鬟f到燃燒室一半時(shí)，只有1/4重量的燃油發(fā)生燃燒。如圖1所示。

如果壓縮后的未燃混合氣達(dá)到臨界溫度，混合氣就會(huì)自發(fā)的爆炸性燃燒，這樣就發(fā)生了眾所周知的爆燃。爆燃是瞬時(shí)的，活塞只能發(fā)生很少位移來(lái)增加了燃燒室空間并減少壓力沖擊。極高溫度和壓力迅速導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。爆燃使強(qiáng)烈的壓力波傳播到整個(gè)燃燒室，迫使燃燒室壁震動(dòng)，將聲音傳播到發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)髿庵?，這種聲音就是前面所述的“砰砰”聲。較弱的爆燃發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)工作不會(huì)受損。但是，猛烈的爆燃作用相當(dāng)于用大錘猛擊活塞，會(huì)在活塞穹頂上留下類(lèi)似于錘打的痕跡，會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)斷裂。

引起爆燃的主要原因如下：

（1）磁電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的定時(shí)過(guò)分提前；

（2）未使用規(guī)定辛烷值的燃油；

（3）燃油混合氣過(guò)貧油，降低了混合氣燃燒速度，看起來(lái)像定時(shí)提前；

（4）燃燒室內(nèi)的形成局部熱點(diǎn)；

（5）功率設(shè)置太高；

（6）提前點(diǎn)火。

如果燃燒室形成熱點(diǎn)，爆燃可導(dǎo)致提前點(diǎn)火。如果燃燒室溫度上升使燃燒末段混合氣的溫度升高到能夠自發(fā)點(diǎn)火的程度，提前點(diǎn)火又會(huì)導(dǎo)致爆燃。

圖2顯示了油/氣比例、汽化器空氣溫度和進(jìn)氣壓力與爆燃之間的關(guān)系。飛行員通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和混合比控制，確定發(fā)動(dòng)機(jī)是在“安全工作”區(qū)還是在爆燃區(qū)?？梢允褂没旌媳蓉氂秃偷瓦M(jìn)氣壓力，而不會(huì)遇到爆燃，如該圖左下角所示。進(jìn)氣壓力增加時(shí)，混合比需要較為富油，以避開(kāi)爆燃區(qū)。陰影分開(kāi)的兩個(gè)大區(qū)域表明在汽化器空氣溫度上升時(shí)，爆燃限制也向上移動(dòng)。最大的爆燃趨勢(shì)在最大經(jīng)濟(jì)區(qū)和最佳功率區(qū)之間的混合比范圍內(nèi)。

機(jī)械因素也決定抑制爆燃。這些因素是點(diǎn)火定時(shí)、容積效率、壓縮比、中間冷卻、渦輪增壓、燃油辛烷值、汽缸頭溫度、滑油消耗和燃燒室結(jié)構(gòu)。有時(shí)各種變化因素與愿望相反，因此就會(huì)發(fā)生爆燃。例如，在這天由于上次打開(kāi)整流罩時(shí)導(dǎo)流板向后彎曲導(dǎo)致汽缸頭溫度高。一個(gè)汽缸開(kāi)始燒滑油，燃燒室積碳增加，進(jìn)而使該汽缸壓力增大?；团c油/氣混合后降低了燃油辛烷值，正值夏天高溫，點(diǎn)火定時(shí)又因疏忽稍微提前，在這些因素的共同作用下就會(huì)發(fā)生爆燃。

抑制爆燃不僅取決于燃油的辛烷值而且取決于燃燒室結(jié)構(gòu)。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可能比另外一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)需要更高的辛烷值，盡管兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都具有同樣的壓縮比。如果尾氣（混合氣的一部分，是將要點(diǎn)火的最后部分）被壓縮到燃燒室最熱的部位（通常是排氣門(mén)），溫度進(jìn)一步上升，爆燃的條件不久就會(huì)形成。燃燒室結(jié)構(gòu)的兩種原理是：

（1）火花塞朝向排氣門(mén)，以便在燃燒過(guò)程中盡早點(diǎn)燃火花塞附近的部分混合氣，如圖3所示大陸發(fā)動(dòng)機(jī)角形汽缸就是這樣的布局。

（2）采用鈉冷卻的氣門(mén)使排氣門(mén)溫度較低，如圖4萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)。

2 提前點(diǎn)火

提前點(diǎn)火（火花塞跳火之前）是油/氣混合氣的過(guò)早點(diǎn)火。提前點(diǎn)火是油/氣混合氣在壓縮沖程時(shí)的點(diǎn)燃，但比預(yù)期時(shí)間要早得多。正常的油/氣混合氣點(diǎn)火發(fā)生在壓縮沖程期間活塞到達(dá)上死點(diǎn)中心之前大約20°曲柄轉(zhuǎn)角。提前點(diǎn)火期間，當(dāng)燃燒的油/氣混合氣膨脹時(shí)，壓縮沖程持續(xù)進(jìn)行。大功率下的提前點(diǎn)火在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極高溫度。冠軍火花塞公司測(cè)量了提前點(diǎn)火時(shí)火花塞陶瓷端的溫升率，大約為每秒300°F。在這些狀態(tài)下，火花塞陶瓷受到驚人的熱沖擊負(fù)載，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂。提前點(diǎn)火直接導(dǎo)致EGT溫度全面上升。萊康明公司的試驗(yàn)已經(jīng)顯示出，提前點(diǎn)火在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)就將活塞燒出一個(gè)洞。鋁的熔點(diǎn)大約為1，200°F，提前點(diǎn)火使汽缸頭上靠近火花塞座的鋁被熔化。引起提前點(diǎn)火的主要原因如下：

（1）交叉點(diǎn)火功能的磁電機(jī)：火花轉(zhuǎn)移到磁電機(jī)分電盤(pán)的頂部，可能錯(cuò)誤地點(diǎn)燃了其它汽缸（即：沒(méi)有按照點(diǎn)火次序）的油氣混合氣。

（2）熱點(diǎn)點(diǎn)火：燃燒室內(nèi)的熱點(diǎn)先于火花塞火花點(diǎn)燃油氣混合氣。

（3）不真確的火花塞：火花塞絕緣子頂端溫度達(dá)到1，600°F會(huì)引起提前點(diǎn)火。火花塞正常工作的熱范圍是1，000°F-1，300°F。如萊康明STC-改進(jìn)后的O-235-L2C發(fā)動(dòng)機(jī)具有高壓活塞，如果使用冠軍牌火花塞，也會(huì)提前點(diǎn)火[2]。正確的火花塞是低熱范圍的奧伯恩牌火花塞。如果機(jī)械師沒(méi)有認(rèn)識(shí)到高壓活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)需要較冷的火花塞，也許會(huì)使用萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)中的火花塞。在高溫天氣海平面的全功率下，如果這些高壓活塞被燒出穿洞，就會(huì)成為低壓活塞。提前點(diǎn)火使火花定時(shí)提前，在燃燒膨脹期間導(dǎo)致爆燃，增加汽缸內(nèi)溫度。

提前點(diǎn)火會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)輕微的不穩(wěn)定。當(dāng)其發(fā)生時(shí)，活塞上就已經(jīng)有燒穿的孔洞。在同一時(shí)刻，極高的壓力和溫度將進(jìn)氣門(mén)壓入氣門(mén)座。首先會(huì)發(fā)生什么情況，似乎有一種“競(jìng)賽”，或者是進(jìn)氣門(mén)拉伸到不能關(guān)閉的程度，或者是活塞燒出孔洞。如果是活塞燒穿孔洞在前，飛行員也許會(huì)注意到發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定已經(jīng)停止；飛行員很難認(rèn)識(shí)到貫穿活塞的孔洞已經(jīng)中止了提前點(diǎn)火。直到飛行員意識(shí)到滑油已經(jīng)泵出到發(fā)動(dòng)機(jī)通氣孔外，一切才會(huì)停止。希望進(jìn)氣門(mén)首先被拉伸后不能關(guān)閉，這樣就可以在活塞被燒穿之前中止提前點(diǎn)火。磁電機(jī)交叉點(diǎn)火也能引起提前點(diǎn)火，因此在拆下汽缸進(jìn)行修理時(shí)應(yīng)檢查磁電機(jī)分電盤(pán)的碳跡。

綜上所述，航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃不一定是提前點(diǎn)火引起，提前點(diǎn)火不一定就必須導(dǎo)致爆燃，二者既有區(qū)別、也有聯(lián)系，即使所有發(fā)動(dòng)機(jī)儀表都在“綠區(qū)”，提前點(diǎn)火和爆燃都可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)受到極大損傷，讀者一定要具體問(wèn)題具體分析。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)爆燃及提前點(diǎn)火的定義、可能產(chǎn)生的原因及破壞現(xiàn)象做了簡(jiǎn)單的分析，希望能幫助讀者正確認(rèn)識(shí)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)這兩種常見(jiàn)現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] Sky Ranch Engineering Manual[M].U.S.A： John Schwanner，1991.

[2] Overhaul Manual Direct Drive Engine[M].U.S.A： Textron Lycoming Inc，1974.