含铅航空汽油燃烧沉积物对发动机的性能影响分析与预防措施

刘玉科

摘要：在航空汽油中添加四乙基铅可有效提高汽油的抗爆震性能，其燃烧产物却给发动机带来了一系列故障，极大地降低了发动机的可靠性。目前，国内通航飞机虽已广泛使用低含铅量的100LL航空汽油，但由积铅导致的发动机故障依然存在。本文对含铅航空汽油的主要燃烧沉积物类型及影响进行分析，探讨发动机使用和维护预防措施，为保障通航飞机运行安全提供一定的参考。

关键词：含铅汽油；航空活塞发动机；积铅

Keywords：leaded gasoline；aeropiston engine；lead fouling

0 引言

航空活塞式发动机工作时，汽油的燃烧过程非常复杂。燃烧过程产生的最大压力能够达到3MPa，最高温度能够超过2500K。在航空汽油中加入四乙基铅是提高航空汽油辛烷值最普遍和最经济的方法，同时还加入了排铅清除剂和用于识别的染色剂。但含铅航空汽油燃烧后产生的铅化物沉积给发动机带来了一系列的不利影响，极大降低了发动机的可靠性。

1 含铅航空汽油主要燃烧沉积物

1.1 积铅

航空汽油中添加的四乙基铅燃烧后的产物为氧化铅和铅盐，这些产物的熔点很高，因很难随废气排出而粘附沉积在发动机汽缸内壁、活塞、气门和火花塞等部位。为了减少积铅，通常在四乙基铅中加入一定量的溴化乙烯或氯化乙烯等排铅清除剂，溴化乙烯与铅生成挥发性较好的溴化铅，可随发动机废气排出。排铅清除剂理论上可以完全将汽油中的铅从发动机中排出，但实际上仍有较多的铅化物沉积在汽缸内，甚至部分铅化物在发动机运转过程中会进入润滑系统。

研究表明，含铅航空汽油在发动机中燃烧后的沉积物主要是铅化物，占总沉积物的60%以上，在不同运转条件下和不同的发动机部位，铅化物的具体组成成分也存在一定的差异，如表1所示。

1.2 积炭

多余的燃油得不到充分燃烧会产生碳的沉积。下述情况可能造成燃油无法充分燃烧：

1）活塞式发动机在高功率输出时，由于燃烧温度和压力相比低功率或中功率时要高，更容易发生爆震。为保证发动机的工作稳定性，大部分航空活塞发动机在起飞或大功率爬升时需要相对富油的油气混合气供给，以帮助冷却发动机和减小发动机爆震的几率。

2）飞行员操纵过程中采用不正确的混合比调节也会导致发动机油气混合气偏富油。

2 影响燃烧沉积物产生的因素

1）航空汽油含铅量

航空汽油本身的含铅量越高，燃烧产生的铅沉积物越多。

2）燃烧室温度

铅化物的生成还与发动机汽缸燃烧室内的温度密切相关（见图1），当发动机汽缸内温度控制在900℉～1300℉内时，铅化物沉积最少；当温度低于900℉时，生成积铅的几率增大，形成的积铅体积较大（主要成分是溴化铅），沉积物一般集中在一起，顏色多为浅褐色；当温度大于1300℉时，生成积铅的几率也较大，形成的积铅体积很小但分布范围广（主要成分是氧化铅，最后生成硅酸铅），沉积物一般密布在物体表面，颜色多为浅灰色，如图2所示。

3）油气混合气贫富油程度

发动机油气混合气的过贫油和过富油燃烧都会导致积铅率的提高。同时，混合气贫富油程度对积铅的影响还与燃烧室内的温度密切相关，低温加富油混合气会妨碍四乙基铅的完全汽化，此时积铅最严重；高温加贫油混合气不但容易生成高温积铅，还可能发生早燃和爆燃，导致发动机爆震，使发动机出现瞬间抖动现象，严重时甚至损坏发动机。

3 燃烧沉积物对发动机的不利影响

1）点火系统故障

在火花塞的旁极和中央极之间的积铅和积炭会导致旁极和中央极短路，造成电嘴不跳火。除此之外，积铅和积炭还会减小电嘴旁极与中央极之间的间隙，导致电嘴跳火不稳定，降低点火火花的强度，降低发动机功率。

2）早燃爆震

在活塞式发动机的燃烧室内壁、活塞头部、气门和火花塞上沉积的铅化物可能形成一个炽热点。同时，铅化物尤其是氧化铅活性强，碳和氧化铅的着火点低，在正常点火时刻之前很有可能引起早燃，导致发动机出现爆震。这就是飞机在大功率起飞阶段出现发动机瞬间抖动故障的主要原因。

3）零部件腐蚀

为避免铅化物过量沉积，在含铅汽油中常添加卤素排铅洁净剂（如二溴乙烷、二溴磷等），燃烧生成溴化氢、溴化铅等酸性物质。这些反应生成物溶于同为燃烧产物的水，生成酸性介质，会强烈腐蚀发动机的各个零部件，如汽缸内壁、活塞组件以及进排气气门机构、排气系统等（见图3），特别是对高温下排气系统的危害最大。研究表明，使用无铅汽油时废气凝结物的PH值为3.5～4.2，而使用含铅汽油时废气凝结物的酸性值更高，PH值多为2.2～2.6。

4）机件磨损加剧

含铅航空汽油燃烧沉积的铅化物微粒在发动机运转过程中将不可避免地进入发动机润滑系统，造成发动机内部运动机件的磨损（见图4）。同时，燃烧废气酸性组份的存在也在很大程度上损耗发动机润滑油的碱性储备及中性化能力，导致发动机润滑油变质，加速发动机内部运动机件的磨损。

5）气门卡阻

燃烧产生的铅化物微粒随着废气的排出有部分沉积到气门杆与气门导套之间，阻滞气门运动，严重时会使气门卡死，无法运动。出现气门卡阻的汽缸将不能正常工作，若只有一个汽缸发生卡阻，将导致发动机运转的极不稳定，出现剧烈振动现象；若有两个或两个以上汽缸发生卡阻，发动机极有可能停止工作。图5显示了由于气门卡阻导致的发动机受损情况。

对出现过卡阻故障的气门杆和气门导套沉积物进行分析发现，进气门处沉积物的主要成分是碳，排气门处沉积物的主要成分是铅化物，排气门杆上还有少量的铜成分，说明铜质气门导套上的金属铜已熔化，并粘连在气门杆上（见图6）。由此可知，气门积铅、积炭和热腐蚀是造成气门卡阻的主要原因。

6）汽缸密封性变差

燃烧沉积物在气门与气门座表面的堆积可能导致气门关闭不严，使汽缸密封性能变差，从而降低发动机工作效率，减小功率输出。

7）滑油劣化

含铅汽油增加了发动机的腐蚀和磨损，而腐蚀产物、磨损颗粒以及燃烧产生的沉积物进入润滑油中就会改变滑油粘度，降低其清洁性能，导致滑油提前变质，产生过多的油泥沉积（见图7）。

含铅油泥随着滑油运行，可能造成压力和孔径较小的润滑通道变窄甚至堵塞，导致润滑不良而产生过热或磨损。在过热处又会使滑油碳化附着在该处，加剧该处的过热情况，这也是造成气门卡滞的原因之一。滑油散热器中的含铅油泥会使其内部通道变窄，导致热交换能力变差，滑油温度异常升高。另外，含铅油泥的沉积还会使采用滑油为工作介质的部件的反应速度变缓，如螺旋桨的顺桨和回桨过程。

4 使用含铅航空汽油发动机的维护和操作建议

含铅航空汽油对发动机的不利因素主要指其燃烧后不可避免的铅沉积，在发动机不同部位的沉积物导致不同的发动机故障，严重影响飞行安全。

4.1 机务维护建议

1）定期更换润滑油，同时清洁或更换润滑系统油滤。

2）定期拆检火花塞，清除火花塞的积铅和积炭，并进行跳火试验，及时更换点火性能较弱的火花塞。

3）定期檢查发动机汽缸压缩性（热发时执行），对压缩性检查结果较差的汽缸必须查明原因。

4）在规定的周期内，严格执行气门机构的维护检查，及时清除发现的积铅、积炭等可能造成气门运动卡滞的沉积物。

4.2 发动机操作建议

为减少发动机燃烧沉积物的产生，飞行操作时建议：

1）启动发动机后，避免长时间在低转速的慢车状态下运转发动机，转速至少为1000～1200rpm时电嘴温度才能达到其自洁温度。

2）避免长时间地面试车运转，地面运转时如滑油温度不够高，则无法使进入的潮气完全蒸发，容易形成酸性物质，造成发动机内部腐蚀，而且地面试车一般偏富油，会加速滑油中铅泥的形成。另外，也要避免长时间大功率地面运行，容易导致发动机过热或局部过热。

3）在任何飞行阶段都应密切关注发动机贫富油状况。大转速时切忌贫油运转发动机，防止发动机出现高温加贫油混合气的不利燃烧状况。小转速时不要过富油，防止发动机出现低温加富油混合气的燃烧状况。

4）在任何飞行阶段都应尽量缓慢而平稳地移动发动机操纵手柄，避免粗猛操作。

5）起飞前尽量先用中转速运转发动机15～20s，以清除电嘴污染物（俗称烧电嘴），再滑入跑道起飞。

6）针对通航领域广泛使用的莱康明活塞发动机，为获得最大发动机使用寿命，在持续巡航中建议保持发动机功率在65%或以下、汽缸头温度为400℉或以下、滑油温度在165℉～220℉。

7）任何时候都应注意不能使汽缸骤冷，汽缸头温度（CHT）变化率最大应不超过50℉/min。为减少电嘴污染、防止发动机骤冷，建议下降时先保持巡航时的贫富油设定，然后在下降过程中逐渐调富油，避免出现低功率（高巡航转速和低进气压力）伴随富油的快速下降。

8）关车前应使发动机在1000～1200rpm运转，直到发动机温度稳定（俗称冷机），然后烧电嘴停车。

5 结论

含铅航空汽油在满足航空活塞发动机高性能要求的同时，其燃烧后的沉积物给发动机带来了诸多不利影响。本文简要介绍了沉积物类型和影响沉积物产生的因素，给出了机务维护以及飞行操纵方面的建议，可有效减少燃烧沉积物的产生，清除已产生的沉积物。本文的建议措施对于通航领域飞行安全有一定意义。

参考文献

[1] Lycoming Flyer：A compilation of key maintenance and performance articlestaken from the former Lycoming“Flyer” Newsletter，2016

[2]屈本权.航空发动机原理讲义[Z]. 广汉：中国民航飞行学院，1984，80-130

[3]钱璟，杨智渊，汪必耀.含铅汽油对航空活塞式发动机性能的影响探讨[J].当代化工，2017（7）.