含鉛航空汽油燃燒沉積物對發(fā)動機(jī)的性能影響分析與預(yù)防措施

劉玉科

摘要：在航空汽油中添加四乙基鉛可有效提高汽油的抗爆震性能，其燃燒產(chǎn)物卻給發(fā)動機(jī)帶來了一系列故障，極大地降低了發(fā)動機(jī)的可靠性。目前，國內(nèi)通航飛機(jī)雖已廣泛使用低含鉛量的100LL航空汽油，但由積鉛導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)故障依然存在。本文對含鉛航空汽油的主要燃燒沉積物類型及影響進(jìn)行分析，探討發(fā)動機(jī)使用和維護(hù)預(yù)防措施，為保障通航飛機(jī)運(yùn)行安全提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：含鉛汽油；航空活塞發(fā)動機(jī)；積鉛

Keywords：leaded gasoline；aeropiston engine；lead fouling

0 引言

航空活塞式發(fā)動機(jī)工作時(shí)，汽油的燃燒過程非常復(fù)雜。燃燒過程產(chǎn)生的最大壓力能夠達(dá)到3MPa，最高溫度能夠超過2500K。在航空汽油中加入四乙基鉛是提高航空汽油辛烷值最普遍和最經(jīng)濟(jì)的方法，同時(shí)還加入了排鉛清除劑和用于識別的染色劑。但含鉛航空汽油燃燒后產(chǎn)生的鉛化物沉積給發(fā)動機(jī)帶來了一系列的不利影響，極大降低了發(fā)動機(jī)的可靠性。

1 含鉛航空汽油主要燃燒沉積物

1.1 積鉛

航空汽油中添加的四乙基鉛燃燒后的產(chǎn)物為氧化鉛和鉛鹽，這些產(chǎn)物的熔點(diǎn)很高，因很難隨廢氣排出而粘附沉積在發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)壁、活塞、氣門和火花塞等部位。為了減少積鉛，通常在四乙基鉛中加入一定量的溴化乙烯或氯化乙烯等排鉛清除劑，溴化乙烯與鉛生成揮發(fā)性較好的溴化鉛，可隨發(fā)動機(jī)廢氣排出。排鉛清除劑理論上可以完全將汽油中的鉛從發(fā)動機(jī)中排出，但實(shí)際上仍有較多的鉛化物沉積在汽缸內(nèi)，甚至部分鉛化物在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會進(jìn)入潤滑系統(tǒng)。

研究表明，含鉛航空汽油在發(fā)動機(jī)中燃燒后的沉積物主要是鉛化物，占總沉積物的60%以上，在不同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下和不同的發(fā)動機(jī)部位，鉛化物的具體組成成分也存在一定的差異，如表1所示。

1.2 積炭

多余的燃油得不到充分燃燒會產(chǎn)生碳的沉積。下述情況可能造成燃油無法充分燃燒：

1）活塞式發(fā)動機(jī)在高功率輸出時(shí)，由于燃燒溫度和壓力相比低功率或中功率時(shí)要高，更容易發(fā)生爆震。為保證發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定性，大部分航空活塞發(fā)動機(jī)在起飛或大功率爬升時(shí)需要相對富油的油氣混合氣供給，以幫助冷卻發(fā)動機(jī)和減小發(fā)動機(jī)爆震的幾率。

2）飛行員操縱過程中采用不正確的混合比調(diào)節(jié)也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油氣混合氣偏富油。

2 影響燃燒沉積物產(chǎn)生的因素

1）航空汽油含鉛量

航空汽油本身的含鉛量越高，燃燒產(chǎn)生的鉛沉積物越多。

2）燃燒室溫度

鉛化物的生成還與發(fā)動機(jī)汽缸燃燒室內(nèi)的溫度密切相關(guān)（見圖1），當(dāng)發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)溫度控制在900℉～1300℉內(nèi)時(shí)，鉛化物沉積最少；當(dāng)溫度低于900℉時(shí)，生成積鉛的幾率增大，形成的積鉛體積較大（主要成分是溴化鉛），沉積物一般集中在一起，顏色多為淺褐色；當(dāng)溫度大于1300℉時(shí)，生成積鉛的幾率也較大，形成的積鉛體積很小但分布范圍廣（主要成分是氧化鉛，最后生成硅酸鉛），沉積物一般密布在物體表面，顏色多為淺灰色，如圖2所示。

3）油氣混合氣貧富油程度

發(fā)動機(jī)油氣混合氣的過貧油和過富油燃燒都會導(dǎo)致積鉛率的提高。同時(shí)，混合氣貧富油程度對積鉛的影響還與燃燒室內(nèi)的溫度密切相關(guān)，低溫加富油混合氣會妨礙四乙基鉛的完全汽化，此時(shí)積鉛最嚴(yán)重；高溫加貧油混合氣不但容易生成高溫積鉛，還可能發(fā)生早燃和爆燃，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆震，使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)瞬間抖動現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞發(fā)動機(jī)。

3 燃燒沉積物對發(fā)動機(jī)的不利影響

1）點(diǎn)火系統(tǒng)故障

在火花塞的旁極和中央極之間的積鉛和積炭會導(dǎo)致旁極和中央極短路，造成電嘴不跳火。除此之外，積鉛和積炭還會減小電嘴旁極與中央極之間的間隙，導(dǎo)致電嘴跳火不穩(wěn)定，降低點(diǎn)火火花的強(qiáng)度，降低發(fā)動機(jī)功率。

2）早燃爆震

在活塞式發(fā)動機(jī)的燃燒室內(nèi)壁、活塞頭部、氣門和火花塞上沉積的鉛化物可能形成一個(gè)熾熱點(diǎn)。同時(shí)，鉛化物尤其是氧化鉛活性強(qiáng)，碳和氧化鉛的著火點(diǎn)低，在正常點(diǎn)火時(shí)刻之前很有可能引起早燃，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)爆震。這就是飛機(jī)在大功率起飛階段出現(xiàn)發(fā)動機(jī)瞬間抖動故障的主要原因。

3）零部件腐蝕

為避免鉛化物過量沉積，在含鉛汽油中常添加鹵素排鉛潔凈劑（如二溴乙烷、二溴磷等），燃燒生成溴化氫、溴化鉛等酸性物質(zhì)。這些反應(yīng)生成物溶于同為燃燒產(chǎn)物的水，生成酸性介質(zhì)，會強(qiáng)烈腐蝕發(fā)動機(jī)的各個(gè)零部件，如汽缸內(nèi)壁、活塞組件以及進(jìn)排氣氣門機(jī)構(gòu)、排氣系統(tǒng)等（見圖3），特別是對高溫下排氣系統(tǒng)的危害最大。研究表明，使用無鉛汽油時(shí)廢氣凝結(jié)物的PH值為3.5～4.2，而使用含鉛汽油時(shí)廢氣凝結(jié)物的酸性值更高，PH值多為2.2～2.6。

4）機(jī)件磨損加劇

含鉛航空汽油燃燒沉積的鉛化物微粒在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將不可避免地進(jìn)入發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，造成發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)動機(jī)件的磨損（見圖4）。同時(shí)，燃燒廢氣酸性組份的存在也在很大程度上損耗發(fā)動機(jī)潤滑油的堿性儲備及中性化能力，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)潤滑油變質(zhì)，加速發(fā)動機(jī)內(nèi)部運(yùn)動機(jī)件的磨損。

5）氣門卡阻

燃燒產(chǎn)生的鉛化物微粒隨著廢氣的排出有部分沉積到氣門桿與氣門導(dǎo)套之間，阻滯氣門運(yùn)動，嚴(yán)重時(shí)會使氣門卡死，無法運(yùn)動。出現(xiàn)氣門卡阻的汽缸將不能正常工作，若只有一個(gè)汽缸發(fā)生卡阻，將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的極不穩(wěn)定，出現(xiàn)劇烈振動現(xiàn)象；若有兩個(gè)或兩個(gè)以上汽缸發(fā)生卡阻，發(fā)動機(jī)極有可能停止工作。圖5顯示了由于氣門卡阻導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)受損情況。

對出現(xiàn)過卡阻故障的氣門桿和氣門導(dǎo)套沉積物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣門處沉積物的主要成分是碳，排氣門處沉積物的主要成分是鉛化物，排氣門桿上還有少量的銅成分，說明銅質(zhì)氣門導(dǎo)套上的金屬銅已熔化，并粘連在氣門桿上（見圖6）。由此可知，氣門積鉛、積炭和熱腐蝕是造成氣門卡阻的主要原因。

6）汽缸密封性變差

燃燒沉積物在氣門與氣門座表面的堆積可能導(dǎo)致氣門關(guān)閉不嚴(yán)，使汽缸密封性能變差，從而降低發(fā)動機(jī)工作效率，減小功率輸出。

7）滑油劣化

含鉛汽油增加了發(fā)動機(jī)的腐蝕和磨損，而腐蝕產(chǎn)物、磨損顆粒以及燃燒產(chǎn)生的沉積物進(jìn)入潤滑油中就會改變滑油粘度，降低其清潔性能，導(dǎo)致滑油提前變質(zhì)，產(chǎn)生過多的油泥沉積（見圖7）。

含鉛油泥隨著滑油運(yùn)行，可能造成壓力和孔徑較小的潤滑通道變窄甚至堵塞，導(dǎo)致潤滑不良而產(chǎn)生過熱或磨損。在過熱處又會使滑油碳化附著在該處，加劇該處的過熱情況，這也是造成氣門卡滯的原因之一。滑油散熱器中的含鉛油泥會使其內(nèi)部通道變窄，導(dǎo)致熱交換能力變差，滑油溫度異常升高。另外，含鉛油泥的沉積還會使采用滑油為工作介質(zhì)的部件的反應(yīng)速度變緩，如螺旋槳的順槳和回槳過程。

4 使用含鉛航空汽油發(fā)動機(jī)的維護(hù)和操作建議

含鉛航空汽油對發(fā)動機(jī)的不利因素主要指其燃燒后不可避免的鉛沉積，在發(fā)動機(jī)不同部位的沉積物導(dǎo)致不同的發(fā)動機(jī)故障，嚴(yán)重影響飛行安全。

4.1 機(jī)務(wù)維護(hù)建議

1）定期更換潤滑油，同時(shí)清潔或更換潤滑系統(tǒng)油濾。

2）定期拆檢火花塞，清除火花塞的積鉛和積炭，并進(jìn)行跳火試驗(yàn)，及時(shí)更換點(diǎn)火性能較弱的火花塞。

3）定期檢查發(fā)動機(jī)汽缸壓縮性（熱發(fā)時(shí)執(zhí)行），對壓縮性檢查結(jié)果較差的汽缸必須查明原因。

4）在規(guī)定的周期內(nèi)，嚴(yán)格執(zhí)行氣門機(jī)構(gòu)的維護(hù)檢查，及時(shí)清除發(fā)現(xiàn)的積鉛、積炭等可能造成氣門運(yùn)動卡滯的沉積物。

4.2 發(fā)動機(jī)操作建議

為減少發(fā)動機(jī)燃燒沉積物的產(chǎn)生，飛行操作時(shí)建議：

1）啟動發(fā)動機(jī)后，避免長時(shí)間在低轉(zhuǎn)速的慢車狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速至少為1000～1200rpm時(shí)電嘴溫度才能達(dá)到其自潔溫度。

2）避免長時(shí)間地面試車運(yùn)轉(zhuǎn)，地面運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)如滑油溫度不夠高，則無法使進(jìn)入的潮氣完全蒸發(fā)，容易形成酸性物質(zhì)，造成發(fā)動機(jī)內(nèi)部腐蝕，而且地面試車一般偏富油，會加速滑油中鉛泥的形成。另外，也要避免長時(shí)間大功率地面運(yùn)行，容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱或局部過熱。

3）在任何飛行階段都應(yīng)密切關(guān)注發(fā)動機(jī)貧富油狀況。大轉(zhuǎn)速時(shí)切忌貧油運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，防止發(fā)動機(jī)出現(xiàn)高溫加貧油混合氣的不利燃燒狀況。小轉(zhuǎn)速時(shí)不要過富油，防止發(fā)動機(jī)出現(xiàn)低溫加富油混合氣的燃燒狀況。

4）在任何飛行階段都應(yīng)盡量緩慢而平穩(wěn)地移動發(fā)動機(jī)操縱手柄，避免粗猛操作。

5）起飛前盡量先用中轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)15～20s，以清除電嘴污染物（俗稱燒電嘴），再滑入跑道起飛。

6）針對通航領(lǐng)域廣泛使用的萊康明活塞發(fā)動機(jī)，為獲得最大發(fā)動機(jī)使用壽命，在持續(xù)巡航中建議保持發(fā)動機(jī)功率在65%或以下、汽缸頭溫度為400℉或以下、滑油溫度在165℉～220℉。

7）任何時(shí)候都應(yīng)注意不能使汽缸驟冷，汽缸頭溫度（CHT）變化率最大應(yīng)不超過50℉/min。為減少電嘴污染、防止發(fā)動機(jī)驟冷，建議下降時(shí)先保持巡航時(shí)的貧富油設(shè)定，然后在下降過程中逐漸調(diào)富油，避免出現(xiàn)低功率（高巡航轉(zhuǎn)速和低進(jìn)氣壓力）伴隨富油的快速下降。

8）關(guān)車前應(yīng)使發(fā)動機(jī)在1000～1200rpm運(yùn)轉(zhuǎn)，直到發(fā)動機(jī)溫度穩(wěn)定（俗稱冷機(jī)），然后燒電嘴停車。

5 結(jié)論

含鉛航空汽油在滿足航空活塞發(fā)動機(jī)高性能要求的同時(shí)，其燃燒后的沉積物給發(fā)動機(jī)帶來了諸多不利影響。本文簡要介紹了沉積物類型和影響沉積物產(chǎn)生的因素，給出了機(jī)務(wù)維護(hù)以及飛行操縱方面的建議，可有效減少燃燒沉積物的產(chǎn)生，清除已產(chǎn)生的沉積物。本文的建議措施對于通航領(lǐng)域飛行安全有一定意義。

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