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，其燃燒產物卻給發(fā)動機帶來了一系列故障，極大地降低了發(fā)動機的可靠性。目前，國內通航飛機雖已廣泛使用低含鉛量的100LL航空汽油，但由積鉛導致的發(fā)動機故障依然存在。本文對含鉛航空汽油的主要燃燒沉積物類型及影響進行分析，探討發(fā)動機使用和維護預防措施，為保障通航飛機運行安全提供一定的參考。

關鍵詞：含鉛汽油；航空活塞發(fā)動機；積鉛

Keywords：leaded gasoline；aeropiston engine；lead fouling

0 引言

航空活塞式發(fā)動機工作時，汽油的燃燒過程非常復雜。燃燒過程產生的最大壓力能夠達到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濟的方法，同時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生的鉛化物沉積給發(fā)動機帶來了一系列的不利影響，極大降低了發(fā)動機的可靠性。

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物為氧化鉛和鉛鹽，這些產物的熔點很高，因很難隨廢氣排出而粘附沉積在發(fā)動機汽缸內壁、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)動機中排出，但實際上仍有較多的鉛化物沉積在汽缸內，甚至部分鉛化物在發(fā)動機運轉過程中會進入潤滑系統(tǒng)。

研究表明，含鉛航空汽油在發(fā)動機中燃燒后的沉積物主要是鉛化物，占總沉積物的60%以上，在不同運轉條件下和不同的發(fā)動機部位，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)動機在高功率輸出時，由于燃燒溫度和壓力相比低功率或中功率時要高，更容易發(fā)生爆震。為保證發(fā)動機的工作穩(wěn)定性，大部分航空活塞發(fā)動機在起飛或大功率爬升時需要相對富油的油氣混合氣供給，以幫助冷卻發(fā)動機和減小發(fā)動機爆震的幾率。

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

2 影響燃燒沉積物產生的因素

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)動機汽缸燃燒室內的溫度密切相關（見圖1），當發(fā)動機汽缸內溫度控制在900℉～1300℉內時，鉛化物沉積最少；當溫度低于900℉時，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；當溫度大于1300℉時，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)動機油氣混合氣的過貧油和過富油燃燒都會導致積鉛率的提高。同時，混合氣貧富油程度對積鉛的影響還與燃燒室內的溫度密切相關，低溫加富油混合氣會妨礙四乙基鉛的完全汽化，此時積鉛最嚴重；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，導致發(fā)動機爆震，使發(fā)動機出現(xiàn)瞬間抖動現(xiàn)象，嚴重時甚至損壞發(fā)動機。

3 燃燒沉積物對發(fā)動機的不利影響

1）點火系統(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，導致電嘴跳火不穩(wěn)定，降低點火火花的強度，降低發(fā)動機功率。

2）早燃爆震

在活塞式發(fā)動機的燃燒室內壁、活塞頭部、氣門和火花塞上沉積的鉛化物可能形成一個熾熱點。同時，鉛化物尤其是氧化鉛活性強，碳和氧化鉛的著火點低，在正常點火時刻之前很有可能引起早燃，導致發(fā)動機出現(xiàn)爆震。這就是飛機在大功率起飛階段出現(xiàn)發(fā)動機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。這些反應生成物溶于同為燃燒產物的水，生成酸性介質，會強烈腐蝕發(fā)動機的各個零部件，如汽缸內壁、活塞組件以及進排氣氣門機構、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，使用無鉛汽油時廢氣凝結物的PH值為3.5～4.2，而使用含鉛汽油時廢氣凝結物的酸性值更高，PH值多為2.2～2.6。

4）機件磨損加劇

含鉛航空汽油燃燒沉積的鉛化物微粒在發(fā)動機運轉過程中將不可避免地進入發(fā)動機潤滑系統(tǒng)，造成發(fā)動機內部運動機件的磨損（見圖4）。同時，燃燒廢氣酸性組份的存在也在很大程度上損耗發(fā)動機潤滑油的堿性儲備及中性化能力，導致發(fā)動機潤滑油變質，加速發(fā)動機內部運動機件的磨損。

5）氣門卡阻

燃燒產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套之間，阻滯氣門運動，嚴重時會使氣門卡死，無法運動。出現(xiàn)氣門卡阻的汽缸將不能正常工作，若只有一個汽缸發(fā)生卡阻，將導致發(fā)動機運轉的極不穩(wěn)定，出現(xiàn)劇烈振動現(xiàn)象；若有兩個或兩個以上汽缸發(fā)生卡阻，發(fā)動機極有可能停止工作。圖5顯示了由于氣門卡阻導致的發(fā)動機受損情況。

對出現(xiàn)過卡阻故障的氣門桿和氣門導套沉積物進行分析發(fā)現(xiàn)，進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，說明銅質氣門導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致氣門關閉不嚴，使汽缸密封性能變差，從而降低發(fā)動機工作效率，減小功率輸出。

7）滑油劣化

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

含鉛油泥隨著滑油運行，可能造成壓力和孔徑較小的潤滑通道變窄甚至堵塞，導致潤滑不良而產生過熱或磨損。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?；蜕崞髦械暮U油泥會使其內部通道變窄，導致熱交換能力變差，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的部件的反應速度變緩，如螺旋槳的順槳和回槳過程。

4 使用含鉛航空汽油發(fā)動機的維護和操作建議

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

4.1 機務維護建議

1）定期更換潤滑油，同時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，并進行跳火試驗，及時更換點火性能較弱的火花塞。

3）定期檢查發(fā)動機汽缸壓縮性（熱發(fā)時執(zhí)行），對壓縮性檢查結果較差的汽缸必須查明原因。

4）在規(guī)定的周期內，嚴格執(zhí)行氣門機構的維護檢查，及時清除發(fā)現(xiàn)的積鉛、積炭等可能造成氣門運動卡滯的沉積物。

4.2 發(fā)動機操作建議

為減少發(fā)動機燃燒沉積物的產生，飛行操作時建議：

1）啟動發(fā)動機后，避免長時間在低轉速的慢車狀態(tài)下運轉發(fā)動機，轉速至少為1000～1200rpm時電嘴溫度才能達到其自潔溫度。

2）避免長時間地面試車運轉，地面運轉時如滑油溫度不夠高，則無法使進入的潮氣完全蒸發(fā)，容易形成酸性物質，造成發(fā)動機內部腐蝕，而且地面試車一般偏富油，會加速滑油中鉛泥的形成。另外，也要避免長時間大功率地面運行，容易導致發(fā)動機過熱或局部過熱。

3）在任何飛行階段都應密切關注發(fā)動機貧富油狀況。大轉速時切忌貧油運轉發(fā)動機，防止發(fā)動機出現(xiàn)高溫加貧油混合氣的不利燃燒狀況。小轉速時不要過富油，防止發(fā)動機出現(xiàn)低溫加富油混合氣的燃燒狀況。

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

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

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

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

8）關車前應使發(fā)動機在1000～1200rpm運轉，直到發(fā)動機溫度穩(wěn)定（俗稱冷機），然后燒電嘴停車。

5 結論

含鉛航空汽油在滿足航空活塞發(fā)動機高性能要求的同時，其燃燒后的沉積物給發(fā)動機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生的因素，給出了機務維護以及飛行操縱方面的建議，可有效減少燃燒沉積物的產生，清除已產生的沉積物。本文的建議措施對于通航領域飛行安全有一定意義。

參考文獻

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