浅谈航空活塞发动机的爆燃与提前点火

王元国　常虎山

摘 要：不少同行经常用“爆燃”和“提前点火”这两个术语来描述航空活塞发动机内部同样的故障状态。实际上，就其性质和造成的损害而言，两者之间存在很大的差别。希望本文能帮助读者正确区分爆燃与提前点火。

关键词：发动机 爆燃 提前点火

中图分类号：V234 文献标识码：A 文章编号：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

维护航空活塞发动机的不少同行经常用“爆燃”和“提前点火”这两个术语来描述发动机内同样的状态[1]。实际上，就其性质和造成的损害而言，两者之间存在很大的差别。在诊断发动机故障时，搞清楚究竟是爆燃还是提前点火导致的损坏、是否两种损坏都存在、是哪一个引发了另一个，这对故障的判定及排除十分重要。

1 爆燃

爆燃是由燃烧室内混合气瞬间突然燃烧引起的，而不是正常状态下的均匀燃烧。爆燃会发出尖锐的“砰砰”声，就象汽车发动机那样，不幸的是，在航空活塞飞机发动机上因螺旋桨的噪音却无法听见这种声音。爆燃会产生很高的汽缸头温度和较低的排气温度，爆燃还会产生一个平坦的排气温度峰值。

发动机正常点火时，点火的发生时间和实际的火焰前锋开始传递到整个燃烧室之间，有5～20°曲柄转角延迟。火焰前锋以逐渐增大的规模从火花塞附近扩散，压力增加使已燃混合气膨胀，直到已燃混合气和剩余的未燃混合气之间的压力达到平衡。压力和温度增加在某种程度上是因为落后于火焰前锋的燃汽膨胀使尾气压缩的结果。因为火焰前锋在继续，剩余的未燃混合气体积减少，温度升高。压力增加后将未燃混合气挤压到一个较小空间，试验表明，当火焰传递到燃烧室一半时，只有1/4重量的燃油发生燃烧。如图1所示。

如果压缩后的未燃混合气达到临界温度，混合气就会自发的爆炸性燃烧，这样就发生了众所周知的爆燃。爆燃是瞬时的，活塞只能发生很少位移来增加了燃烧室空间并减少压力冲击。极高温度和压力迅速导致发动机损坏。爆燃使强烈的压力波传播到整个燃烧室，迫使燃烧室壁震动，将声音传播到发动机周围大气中，这种声音就是前面所述的“砰砰”声。较弱的爆燃发动机在相对长的时间内工作不会受损。但是，猛烈的爆燃作用相当于用大锤猛击活塞，会在活塞穹顶上留下类似于锤打的痕迹，会导致活塞环断裂。

引起爆燃的主要原因如下：

（1）磁电机与发动机的定时过分提前；

（2）未使用规定辛烷值的燃油；

（3）燃油混合气过贫油，降低了混合气燃烧速度，看起来像定时提前；

（4）燃烧室内的形成局部热点；

（5）功率设置太高；

（6）提前点火。

如果燃烧室形成热点，爆燃可导致提前点火。如果燃烧室温度上升使燃烧末段混合气的温度升高到能够自发点火的程度，提前点火又会导致爆燃。

图2显示了油/气比例、汽化器空气温度和进气压力与爆燃之间的关系。飞行员通过调节进气压力和混合比控制，确定发动机是在“安全工作”区还是在爆燃区。可以使用混合比贫油和低进气压力，而不会遇到爆燃，如该图左下角所示。进气压力增加时，混合比需要较为富油，以避开爆燃区。阴影分开的两个大区域表明在汽化器空气温度上升时，爆燃限制也向上移动。最大的爆燃趋势在最大经济区和最佳功率区之间的混合比范围内。

机械因素也决定抑制爆燃。这些因素是点火定时、容积效率、压缩比、中间冷却、涡轮增压、燃油辛烷值、汽缸头温度、滑油消耗和燃烧室结构。有时各种变化因素与愿望相反，因此就会发生爆燃。例如，在这天由于上次打开整流罩时导流板向后弯曲导致汽缸头温度高。一个汽缸开始烧滑油，燃烧室积碳增加，进而使该汽缸压力增大。滑油与油/气混合后降低了燃油辛烷值，正值夏天高温，点火定时又因疏忽稍微提前，在这些因素的共同作用下就会发生爆燃。

抑制爆燃不仅取决于燃油的辛烷值而且取决于燃烧室结构。一台发动机可能比另外一台发动机需要更高的辛烷值，尽管两台发动机都具有同样的压缩比。如果尾气（混合气的一部分，是将要点火的最后部分）被压缩到燃烧室最热的部位（通常是排气门），温度进一步上升，爆燃的条件不久就会形成。燃烧室结构的两种原理是：

（1）火花塞朝向排气门，以便在燃烧过程中尽早点燃火花塞附近的部分混合气，如图3所示大陆发动机角形汽缸就是这样的布局。

（2）采用钠冷却的气门使排气门温度较低，如图4莱康明发动机排气门。

2 提前点火

提前点火（火花塞跳火之前）是油/气混合气的过早点火。提前点火是油/氣混合气在压缩冲程时的点燃，但比预期时间要早得多。正常的油/气混合气点火发生在压缩冲程期间活塞到达上死点中心之前大约20°曲柄转角。提前点火期间，当燃烧的油/气混合气膨胀时，压缩冲程持续进行。大功率下的提前点火在非常短的时间内产生极高温度。冠军火花塞公司测量了提前点火时火花塞陶瓷端的温升率，大约为每秒300°F。在这些状态下，火花塞陶瓷受到惊人的热冲击负载，经常出现断裂。提前点火直接导致EGT温度全面上升。莱康明公司的试验已经显示出，提前点火在不到一分钟的时间内就将活塞烧出一个洞。铝的熔点大约为1，200°F，提前点火使汽缸头上靠近火花塞座的铝被熔化。引起提前点火的主要原因如下：

（1）交叉点火功能的磁电机：火花转移到磁电机分电盘的顶部，可能错误地点燃了其它汽缸（即：没有按照点火次序）的油气混合气。

（2）热点点火：燃烧室内的热点先于火花塞火花点燃油气混合气。

（3）不真确的火花塞：火花塞绝缘子顶端温度达到1，600°F会引起提前点火。火花塞正常工作的热范围是1，000°F-1，300°F。如莱康明STC-改进后的O-235-L2C发动机具有高压活塞，如果使用冠军牌火花塞，也会提前点火[2]。正确的火花塞是低热范围的奥伯恩牌火花塞。如果机械师没有认识到高压活塞的发动机需要较冷的火花塞，也许会使用莱康明发动机手册中的火花塞。在高温天气海平面的全功率下，如果这些高压活塞被烧出穿洞，就会成为低压活塞。提前点火使火花定时提前，在燃烧膨胀期间导致爆燃，增加汽缸内温度。

提前点火会使发动机出现轻微的不稳定。当其发生时，活塞上就已经有烧穿的孔洞。在同一时刻，极高的压力和温度将进气门压入气门座。首先会发生什么情况，似乎有一种“竞赛”，或者是进气门拉伸到不能关闭的程度，或者是活塞烧出孔洞。如果是活塞烧穿孔洞在前，飞行员也许会注意到发动机的不稳定已经停止；飞行员很难认识到贯穿活塞的孔洞已经中止了提前点火。直到飞行员意识到滑油已经泵出到发动机通气孔外，一切才会停止。希望进气门首先被拉伸后不能关闭，这样就可以在活塞被烧穿之前中止提前点火。磁电机交叉点火也能引起提前点火，因此在拆下汽缸进行修理时应检查磁电机分电盘的碳迹。

综上所述，航空活塞发动机的爆燃不一定是提前点火引起，提前点火不一定就必须导致爆燃，二者既有区别、也有联系，即使所有发动机仪表都在“绿区”，提前点火和爆燃都可能會导致发动机受到极大损伤，读者一定要具体问题具体分析。

3 结语

本文对爆燃及提前点火的定义、可能产生的原因及破坏现象做了简单的分析，希望能帮助读者正确认识航空活塞发动机这两种常见现象。

参考文献

[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.