含铅汽油对航空活塞式发动机性能的影响探讨

钱璟　杨智渊　汪必耀

摘 要： 当前航空活塞式发动机要求能够使用无铅或者低铅航空汽油，但是国内传统航空汽油的含铅量较高，如100号航空汽油、95号航空汽油等。在应用中发现，使用含铅汽油，发动机容易出现故障。重点分析含铅汽油对航空活塞式发动机性能的影响，在分析含铅汽油主要成分和燃烧产物基础上，揭示了含铅汽油对发动机性能的影响，进而以发动机抖动实例进行探讨，分析含铅汽油的影响，并提出几点发动机养护策略，对正确使用含铅汽油，减少对活塞式发动机性能影响有一定参考价值。

关 键 词：航空活塞式发动机；性能；含铅汽油；维护策略

中图分类号：TE 624 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1473-03

The Effect of Leaded Gasoline on Performance of Aviation Piston Engine

QIAN Jing， YANG Zhi-yuan， WANG Bi-yao

（The Second Research & Institute of CAAC， Sichuan Chengdu 610207， China）

Abstract： At present， the aviation piston engine requires low lead aviation gasoline， but the lead content in traditional domestic aviation gasoline is higher， such as 100 and 95 aviation gasoline. The engine always have some trouble when using leaded gasoline. In this paper， the influence of leaded gasoline on the aviation piston engine performance was analyzed. The analysis of main components of leaded gasoline and combustion products demonstrated the influence of leaded gasoline on engine performance. And then， some maintenance strategies were put forward.

Key words： Aviation piston engine； Performance；Leaded gasoline；Maintenance

现代航空活塞式发动机都要求航空汽油具有良好的抗爆震性能，为保证汽油具有符合标准，航空汽油都会添加一定含量的铅，但是铅的使用必然会对发动机的性能造成影响。航空活塞式发动机在性能评价中，在正常燃烧情况下，提高压缩比能够提高热效率。在防爆震对策中，常常会添加铅等重金属降低火焰燃烧速度。

1 含铅航空汽油主要成分及燃烧产物

活塞式发动机的热效率是衡量发动机性能的主要指标之一，高的热效率会降低油耗和汽油机尾气排放。通常情况下，压缩比越高的发动机，其热效率就越高，但压缩比越高越容易产生爆震，为避免爆震，这就要求航空汽油具有良好的抗爆性，且在没有爆震情况下，尽可能高的提高发动机的压缩比。

航空活塞式发动机汽油是各种碳氢化合物的混合物，主要成分为C4～C12烃类组分和添加剂调和而成。油品中烃类容易氧化生成的过氧化物容易分解成自由基，而引发连锁反应。汽油添加四乙基铅目的就是能够分解燃烧前产生的活性过氧化物，破坏支链反应，阻碍自动着火，减缓了能量释放速度以达到抗爆震的效果，从而提高了燃料辛烷值，给提高压缩比率和发动机效率预留了空间。

航空活塞式发动机工作时，汽油燃烧过程非常复杂，在高压高温下工作，最大压力能够达到3 MPa，最高温度能够超过2 500 K。四乙基铅燃烧后产物为氧化铅和固体铅，这些产物会在发动机内聚集，铅含量过高时，将会损害发动机零件，常需要添加溴化乙烯。溴化乙烯能够与铅合成溴化铅，在高温条件下，迅速挥发。各物质沸点见表1。铅和氧化铅的沸点都要明显高于溴化铅[1，2]。

在贫油或者过富油的情况下，发动机均会产生大量的铅化物，但是不同状态下也有所不同，在过贫油状况下，发动机工作温度很高，产生很多铅化物，其中部分会接触到汽缸壁和电嘴，固化堆积，因此发动机在应用中不能过分追求贫油。

2 含铅汽油对航空活塞式发动机性能影响分析

2.1 铅的沉积对发动机影响

含铅汽油对活塞式发动机的影响可以总结为燃烧沉积对发动机整体性能的影响，试验表明发动机沉积物60%均为铅化物，在不同运转条件下，铅化物组成也存在一定的差异。

铅化物会降低汽油的燃烧速度，尤其是氧化铅活性强，碳的着火点低，沉积物直接附着在周围固体上，如活塞头、气门组件上，在点火时刻之前很有可能引起早燃。

为避免铅化物沉积，在高铅汽油中，常添加排铅剂，燃烧生成溴化氢、溴化铅等，这些生成物与水形成的酸性介质，将会直接腐蚀发动机的各个零件。铅化物会腐蚀发动机零件，如缸壁、活塞环和气门。当这些酸性物质进入到曲轴箱中，造成發动机润滑油变质，大幅增加了发动机磨损。燃烧产生的铅化物等颗粒可能随着废气沉积到气门之间，导致气门关闭不严，导致发动机功率和效率都会下降。

含铅汽油燃烧后生成的铅化物会沉积到绝缘体以及火花塞电极上，在温度较高时，这些沉积物存在导电性，两个电极之间形成并联通路，如果点火能量不足，在电极之间释放则会导致点火失败，另外铅化物的沉积还会大大提高发动机大功率下的点火能量。

2.2 对润滑系统的影响

含铅航汽对润滑性的影响是比较复杂的。一方面，如果铅含量过高，燃烧后铅化物会增加发动机的腐蚀，燃烧室形成含铅沉积物，进入机油将会导致润滑油变质，导致丧失润滑性。铅化物在滑油系统类会大量沉积，部分润滑部件需要的压力小，孔径小，铅化物的沉积将会进一步缩小孔径，导致润滑不良，在过热情况下，润滑油也会出现燃烧情况，碳化物进一步附着在此处，加重磨损。在系统管路部分，系统管路沉积铅化物，将会导致通路狭窄，降低散热效果，也会影响润滑效果，此外大量沉积铅化物也会逐渐降低工作部件的反应速度[3]。

另一方面，发动机气门组件总是受到高温燃气的冲刷，得不到润滑，处于干燥状态。使用含铅汽油时，燃烧形成的铅化物附着在汽缸内壁与气阀和阀座的表面，形成一层很薄的软金属，能有效防止高硬度钢铁零件的粗糙表面直接接触，减少“干磨”和“电焊”现象，是一种难能可贵的金属润滑剂，很多国外研究表明，在无铅汽油使用后，反倒造成了发动机汽缸壁-活塞环的早期异常磨损，使用寿命会大幅度降低。

3 含铅航汽对不同型号发动机的影响

某航空活塞式发动机发生空中抖动故障，现对故障原因进行分析。引起航空活塞式发动机发生空中抖动原因有很多，其中含铅汽油时引起发动机抖动故障根本原因。传统国产100号航空汽油是ASTM D910航空汽油含铅量的数倍，高含铅量将会导致铅化物积累，污染电嘴、气缸内部，发动机出现抖动故障原因可以分为以下几方面：

3.1 发动机故障原因分析

在电嘴方面，电嘴旁极和中央级存在积铅情况，导致电嘴不跳火，此外电嘴积铅还会导致中央级与两个旁极之间间隙存在偏差，跳火不稳定。电嘴积铅原因与发动机的运行温度、汽油有关。电嘴积铅可以分为高温积铅和低温积铅，高温积铅主要产物是氧化铅、硅酸铅，低温积铅产物主要是溴化铅，这些产物都与发动机的工作温度有关。在发动机缸内温度在900～1 300 °F时，电嘴上一般很少积累铅化物，温度低于900 °F时，将会增加积铅，而且体积较大，容易导致电嘴短路[4]。如果温度超过1300 °F，形成的积铅虽然体积较小，但是分布范围更大，容易引起电嘴间隙不一致，形成短路。除了发动机的温度之外，汽油含铅量也是关键性因素，混合气贫富油都会对积铅产生一定影响，低温加富油混合气会妨碍四乙基铅的气化，此时积铅更严重。高温加贫油混合气，更加容易出现爆震、早燃等异常情况，缩短发动机使用寿命。另外长期使用富油燃烧，电嘴上容易积累碳灰，影响点火性能（图1）[5]。

在气缸内壁大量积累铅化物，发动机工作时，将会导致部分铅化物调入电嘴，引起电嘴不跳火，甚至引起短路情况。燃烧室内壁大量积累铅化物后，将会大大降低燃烧室容积。

燃油系统自身存在异常情况，也可能引起发动机抖动，如汽油本身过富油或者过贫油都可能引起积铅现象。喷嘴故障引起供油分布不均匀，将会导致混合器贫富油在各个气缸分布不足，供油差当超过2%时，就会导致气缸混合气混合比不匹配，引起抖动情况，另外还增加铅化物积累。除了这些之外，燃油喷嘴堵塞也是抖动原因，喷嘴堵塞导致喷油急剧减少，气缸喷油量增加，引起发动机抖动[6]。

发动机工作温度较高情况下，排气门可能出现比较严重的积铅，如果积铅进入到气门导套内，将会导致排气异常，气缸工作状态受到抑制，导致发动机出现剧烈抖动情况。由于气缸内壁大量积累铅化物，可能导致气门关闭异常，导致气缸漏气出现抖动。

发动机自身操作不当也会引起自身抖动情况，发动机在低温、转速小状况下运行，容易被积铅污染，此时积铅颗粒较大，温度较低时，溴化乙烯無法发挥作用，而在高温、贫油情况下，又容易出现高温积铅情况[7]。

3.2 故障预防措施

有实验表明电嘴性能下降也会引起积铅生成率大大提高，因此在发动机维护中有必要及时更换性能差的电嘴，及时定期清理维护。

针对气缸内壁附着积铅原因，可以采用定期去除的方式，如定期翻修、检修，对汽缸内壁进行清洁。通过定期检查和清洁气门能够减少气门积铅情况。针对发动机自身原因引起的抖动情况，应合理调整贫富油，在工作稳定下，调整飞行资质和贫富油，温度控制可以参考排气温度，最大程度减少电嘴上的铅化物

4 使用含铅汽油维护策略

清除含铅汽油对发动机的不利影响，最根本的措施就是提高汽油的品质，降低汽油的铅含量。汽油在调和的过程中，严格控制硫含量，降低硫成分对加铅效果的影响。在使用含铅量较高的汽油时，尽量缩短电嘴润油更换时间以及清洁周期。

运行中，严密观察发动机运行状态，发现出现早燃等异常情况，严格遵循厂家推荐的程序检查发动机各个部件。同时观察排气温度和气缸头温度，发现发动起在启动过程中等工作不稳定或者出现排气管冒黑烟情况，立即停止检查气门机构工作情况，按照规定清理门杆和沉积物，彻底清洁润滑管道。。

在点火系统中，常见故障为火花塞铅垢，尤其是始终高含量铅汽油下，因此在巡航时间较长的情况下可以考虑采用富油消除积铅，发动机停车前，电嘴附近沉积物可以采用热冲击的方式震荡下来。

5 结 语

综上所述，含铅汽油虽然在一定程度上满足了发动机抗暴震性能，但是也会对发动机产生不利影响，发动机使用含铅汽油不可避免出现积铅情况，这也是引起发动机抖动的主要原因，在发动机的维护中，要求能够正确处理由于含铅汽油引起的故障，采取针对性措施减少和预防铅的积累，保证飞行安全。

参考文献：

[1]袁春，张宗伟.含铅汽油对航空活塞式发动机的不利影响初探[J].机械，2011（S1）：14-16.

[2]李冰林.活塞式煤油发动机点火提前角仿真计算与试验研究[D].南京航空航天大学，2011.

[3]李冰林，魏民祥.活塞式发动机燃烧煤油研究现状与技术分析[J].小型内燃机与摩托车，2012（06）：87-90.

[4]刘国栋.航空活塞发动机燃烧过程和特性的模拟研究[D].南京航空航天大学，2013.

[5]谷俊.活塞式航空直喷发动机燃烧特性的研究[D].天津大学，2014.

[6]蔡娟.某小型航空煤油活塞发动机总体性能分析及优化[D].南京航空航天大学，2015.

[7] 贾倩倩.小型航空二冲程直喷汽油活塞发动机燃油喷射及燃烧特性的研究[D].北京交通大学，2014.