某型航空活塞式发动机气缸内沉积物生成机理

2022-05-26孟现召冯岩鹏

内燃机学报 2022年3期

孟现召，冯岩鹏

(1.中国民用航空飞行学院洛阳北郊机场，河南洛阳 471000；2.中国民航科学技术研究院航空安全研究所，北京 100028)

某型航空活塞式发动机在使用100 号含铅航空汽油条件下出现了严重的气缸压缩性衰减故障，实践中个别发动机从全新状态开始运行约空中时间200 h就出现气缸压缩压力衰减至合格阈值以下，与该型发动机空中时间2 000 h 的翻修间隔相差甚远[1].使用铅质量含量仅为原100 号航空汽油的1/2 倍[2]的100 LL(LL 表示低铅含量)航空汽油后，气缸压缩性衰减速率出现明显下降，但与相同运行条件的其他多型发动机相比仍表现明显，表明该型发动机的气缸压缩性衰减与运行中所使用的燃油的铅含量有关，也与其发动机自身的构型设计有关.

对故障气缸做压缩性测试可发现排气管中有明显的气流逸出现象，进一步做内窥检查发现在排气门-气门座间密封面上存在有大量的白色沉积物，表明沉积物形成局部凸起使气门-气门座间密封面由面接触转向点接触，出现气门-气门座间密封不严，是气缸压缩性衰减的直接原因.同时内窥检查显示气缸内沉积物不只出现在排气门/气门座间密封面上，在排气门头、活塞和燃烧室穹顶等部位均有沉积，只是这些部位的沉积物没有很快对发动机的正常工作带来明显影响，故在运行实践中未引起关注.

相关领域内关于活塞式发动机气缸内沉积物已有较多研究，但针对含铅汽油条件下气缸内沉积物的生成机理则鲜见报道.钱璟等[3]、刘玉科[4]综述了含铅汽油对发动机性能的影响，但未涉及沉积物的形成和抑制机理；徐小红等[5]研究了汽油中芳烃含量对发动机进气门及燃烧室沉积物的影响；马志豪等[6]、Ye 等[7]认为润滑油是形成进气门、活塞顶等部位沉积物的主要原因，均未涉及气缸内沉积物的生成机理研究.

基于此，笔者以探究含铅汽油条件下该型发动机气缸内沉积物的生成机理为目标，通过分析该型发动机气缸内沉积物的微观形态和元素组成，结合沉积物分布和该型发动机的构型特点及运行环境，讨论气缸内沉积物的形成过程，并提出针对性验证方案，以期为最终有效解决该型发动机气缸压缩性衰减故障提供参考.

1 试验方法

为了便于研究，笔者在该型教练机机队中采用Olympus IV8000-2 型内窥镜检查各气缸内部，分别在有严重沉积物堆积但未被烧蚀破坏的排气门、沉积物较多但尚未将表面完全覆盖的活塞和燃烧室穹顶等部位选取没有明显二次烧蚀破坏迹象的沉积物样本，采集后用ZEISS Discovery V20 型体视显微镜观察典型沉积物的宏观形貌，用TESCAN VEGATS 5136 XM 型扫描电镜观察沉积物的显微形貌，用EDAX 能谱仪分析沉积物的主要元素成分.

该型教练机上装备有基于Garmin1000 的飞行数据记录器(FDR)，能够实时记录飞行中相关参数数据[8].为查找该型发动机(称被试型号发动机)运行中存在的沉积物生成诱因，选取同样装备有基于Garmin1000 的FDR 系统、相同运行条件但未出现明显气缸压缩性衰减的不同构型发动机(称对比试验发动机)作为对比，基于Garmin1000 系统专用分析软件EGView[9]分析两种发动机FDR 数据的差异，结合被试型号发动机构型及运行特点提出沉积物抑制方案，并在实践中以排气门-气门座密封面上沉积物生长情况为指标，评估方案的有效性.

被试型号发动机与对比试验发动机的构型性能参数[1,10]见表1.可知两种发动机的性能参数较为接近，为相同运行条件下运行参数的归纳分析和定性对比提供了条件.

表1 被试型号与对比型号发动机的构型参数Tab.1 Structure parameters of tested and compared engines

2 结果与分析

2.1 气缸内沉积物形貌及元素组成

被试型号发动机运行中使用了100 LL 标号航空汽油.图1 示出了被试型号发动机上具有严重沉积物堆积但未有明显烧蚀破坏迹象的排气门及沉积物宏观形貌.图1a 显示气门头上遍布沉积物，但排气门座外缘及周围燃烧室穹顶壁面上的沉积物相对较少；排气门头上的沉积物表面有较多凹坑，凹坑周缘有坑唇，在排气门周缘位置沉积物呈现出明显的糊状物流淌迹象.图1b 示出了ZEISS Discovery V20 型体视显微镜下排气门头部沉积物约20 倍率形貌，呈现出玻璃态中夹杂有大量颗粒物的特征.

图1b 中颗粒态富集区的72 倍率形貌和能谱曲线如图2 所示，显示有大量颗粒物混合粘接在玻璃态物质中，能谱曲线则显示颗粒物区域的主要组成元素为Pb、Br 和C.显然C 元素应来自于未完全燃烧的燃料，其在沉积物内部大量充斥，表明沉积物是在缸内混合气偏富油条件下生成的.

图1 未明显烧蚀的排气门头部积铅和沉积物20倍率形貌Fig.1 Macroscopic and morphology with 20 magnified of sediment on exhaust valve head with no obvious ablation

图2 排气门沉积物颗粒态富集区72倍率形貌和能谱曲线Fig.2 Morphology with 72 magnified and energy curve of particle enrichment sediment on exhaust valve head

图1b 中玻璃态区域的572 倍率形貌和能谱曲线见图3，显示沉积物表层光滑但不连续，表层下物质呈细小微颗粒状；能谱曲线显示玻璃态沉积物的主要组成元素也为Pb、Br 和C，但C 元素谱线强度明显弱于颗粒物区域.

图3 排气门沉积物玻璃态富集区572倍率形貌和能谱曲线Fig.3 Morphology with 572 magnified and energy curve of glassy enrichment sediment on exhaust valve head

ZEISS Discovery V20 型体视显微镜下活塞顶燃烧室侧沉积物约20 倍率形貌如图4 所示，表现出与图1b 相似形貌，但玻璃态中夹杂有更多颗粒态的形貌特征.

图4 活塞顶燃烧室侧沉积物20倍率形貌Fig.4 Morphology with 20 magnified of sediment on piston surface towards combustor

能谱分析显示活塞表面沉积物成分与排气门头部沉积物基本一致，表明活塞表面沉积物也形成于较富油的缸内混合气条件下.据此推断活塞顶、排气门以及燃烧室穹顶壁面等气缸内不同部位沉积物的形成机理应具有同一性.结合所使用的航空汽油中添加有抗爆剂四乙基铅((CH3CH2)4Pb)和铅引出剂溴乙烷(C2H5Br)[2,11]，可推测沉积物是溴化铅(PbBr2)和未燃烧的C 粒，亦或有单质铅(Pb)的存在.

2.2 气缸内Pb、Br化合物沉积及分布机理

文献[11]指出，(CH3CH2)4Pb 作为抗爆剂的抗爆机理是(CH3CH2)4Pb 燃烧生成烟雾状的PbO 和Pb颗粒参与焰前反应，降低缸内混合气中过氧化物的浓度延长着火诱导期，反应式为

但由于PbO 熔沸点较高，为避免生成的PbO 粘附在相关机件上影响发动机的正常工作，在含铅汽油中又按比例加入C2H5Br 作为铅引出剂，与PbO 或Pb 反应生成熔点和沸点都很低的PbBr2随废气排出缸外[11]，即

式(1)和式(2)在发生时机上存在有先后.文献[11]指出，式(1)的(CH3CH2)4Pb 分解在200 ℃开始出现，500～600 ℃时分解趋于完全；式(2)的C2H5Br在480～525 ℃开始分解，生成的HBr 开始快速清除抗爆活性物，显然式(1)和式(2)反应的发生时机决定于缸内混合气温度.活塞式发动机在吸气行程进入气缸的新鲜空气或油、气混合气温度较低，在压缩行程随着气缸内混合气温度的上升才对燃料提出抗爆需求[11-12]，之后在做功行程燃气温度很高，燃烧室中燃气温度可达2 500 ℃[13]，平均温度也在600～1 000 ℃范围内[14]，所以正常情况下点燃式发动机一个工作循环中气缸内燃气温度完全能够覆盖480～525 ℃的温度区间，使式(2)反应得以正常进行.同时PbBr2的熔点和沸点分别为373 ℃和916 ℃[11]，式(2)反应生成的PbBr2以何种物态存在则取决于做功行程末期缸内燃气膨胀之末的废气初温.

文献[15]指出，从排气门打开时刻开始气体从气缸中以近似于等温节流过程流出，所以排气温度示值与废气初温有关，基于此在工程实践中多采用排气温度对活塞式发动机缸内燃烧情况进行监控.实践数据显示，正常工况下活塞式发动机排气温度示值多在373～916 ℃之间，如果在某种运行条件下燃烧室内机件温度处于PbBr2熔点附近，则PbBr2就会以半液、半固的黏流态在这些部件表面产生粘结附着，图1a 所示的沉积物在排气门边缘的糊状流淌痕迹就完全可以出现.由此推测，气缸内沉积物应生成于缸内机件温度处于PbBr2熔点373 ℃附近或以下的状态；而且Pb 的熔点为327.4 ℃[16]，如果沉积物中有Pb(单质铅)存在，则进一步指示出当时的缸内温度状况较低.

被试型号发动机采用导风板对散热气流进行流向约束[1].散热气流先水平流过气缸上半部，再从气缸侧面向下流过气缸，这种构型设计使气缸上半部散热量大于下半部，而且该型发动机采用双火花塞点火设计，在火花塞安装孔附近的缸盖外表面无散热片，这使火花塞安装孔附近局部部位散热速率相对偏低.图5 示出了气缸散热气流路径以及沉积物在燃烧室穹顶和活塞表面的宏观分布.图5a 显示燃烧室内侧表面沉积物分布表现为上半部多于下半部、火花塞安装孔周围壁面位置沉积物相对较少的特征；图5b 显示活塞顶面周缘均有沉积物存在，活塞顶面内侧的非沉积物附着区大致呈正立“8”字形分布，且“8”字上、下两部分面积不对称.

研究指出，活塞顶面最高温度出现在中间位置，温度分布基本呈等温圆状[17-18].但被试型号发动机为双火花塞设计，且火花塞安装方向朝向缸盖中心，从空间位置看缸盖上的两个火花塞安装孔基本对应于活塞顶面“8”字形沉积物非附着区域的上、下中心位置，如图5b 所示.结合散热因素以及沉积物在燃烧室穹顶和活塞表面的宏观分布均呈现出“上半部多于下半部”的特征，推测沉积物偏向于沉积在壁面温度较低的区域，活塞表面“8”字形区域的形成应与火花塞点火带来的局部温度改变有关.

图5 气缸散热气流路径及燃烧室内侧和活塞表面沉积物分布Fig.5 Cooling air flowing path on cylinder and distribution of sediment on piston and inner surface of combustion chamber

正常工况下排气门温度远高于进气门，数据统计显示沉积物却优先在排气门上出现大量堆积，表明沉积物并非形成于正常工况状态下.研究显示，空中慢车时排气门温度过低是导致排气门积铅的根本原因[19]，此工况下如果排气门温度降至PbBr2熔点附近，将能够使废气中携带的液态PbBr2以半液、半固的黏流态在排气门上粘接附着，图1a 中遍布于排气门头沉积物表面的凹坑应形成于排气流中较大PbBr2液滴对排气门头上尚处于黏流态的沉积物柔软表面的冲击.

2.3 诱发气缸内PbBr2沉积的发动机操作因素

由于废气初始温度和缸内部件运行温度是影响缸内PbBr2沉积的决定性因素.文献[15]指出，在一定条件下排气温度能够间接反映废气初温.活塞式发动机小功率时热负荷较小，缸内沉积物的形成应大概率出现在小功率状态，因而在被试型号发动机上可优先从排气温度较低的运行状态开始查找缸内PbBr2沉积的运行因素.

运行实践表明，被试型号发动机最低排气温度出现在空中慢车阶段[19]，用EGView 软件解析其在空、地慢车状态的FDR 数据曲线如图6 所示.横坐标为本次机载数据记录系统启动后的持续时间.图6a 为被试型号发动机各缸排气温度随时间变化情况，记3 497 s、3 809 s 位置的两个排气温度阶段极低值点分别为特征点A1、B1.

图6b 显示在3 437 s 位置发动机转速n、进气压力pma及燃油体积流量qff参数出现阶梯状同步下降，此为收油门特征.图6c 中气压高度Hp.alt曲线显示在3 497 s 位置时飞机接地，图6b、图6c 共同显示收油门直至飞机接地期间燃油体积流量qff与进气压力pma均未出现明显的阶梯状同步改变，表明此期间油门一直稳定在固定状态未做改变；飞机接地后伴随真空速vtas降低，发动机转速n 也同步快速降低，表明接地前螺旋桨处于风车状态；燃油体积流量qff依然保持持续缓慢减小，表明飞机接地后油门开度也稳定不变；3 536 s 位置飞机真空速vtas降为零，飞机进入地面运行状态，截取即时值显示此时发动机即时转速，符合该机型地面慢车转速公差范围，表明3 437 s收油门时已将油门收至慢车位置，则可判定A1点示出了该型发动机本次空中慢车阶段的排气温度极低值.

图6b 显示B1点发动机即时转速值与3 536 s 位置基本一致，可确定B1点为发动机地面慢车状态.对比图6a 中A1、B1两特征点位置排气温度Tegs曲线走势，直观示出被试型号发动机空中慢车时排气温度处于所有运行状态中的最低值，与已有研究结论一致[19].

图6 被试型号发动机空、地慢车状态数据Fig.6 Data curve of tested engine in air and ground idle state

作为对比，同样示出了同场运行的使用相同标号燃油但未出现明显气缸压缩性衰减的对比试验发动机空、地慢车时的FDR 数据曲线见图7.图7a 示出了对比试验发动机各缸排气温度随时间变化情况.图7c 中13 138 s 和13 324 s 位置的A2、B2分别为选取的两个特征取值点，飞机气压高度Hp.alt曲线显示B2点飞机已处于地面状态且真空速vtas为零、发动机即时转速也符合该机型地面慢车转速公差范围，可确定B2为该型发动机地面慢车状态特征点.图7b 显示自12 992 s 处收油门至13 175 s 飞机接地期间n、pma和qff参数均没有出现同步的阶梯状突变、且此期间qff与B2点基本一致，表明在12 992 s 处油门已收至慢车位，但飞机气压高度Hp.alt曲线显示A2点时飞机尚未接地，故判断A2点为空中慢车状态.

将图6、图7 两型发动机各特征点对应的具体特征数据汇总如表2 所示.航空活塞式发动机在地面慢车时气缸内混合气工作在略偏富油状态[12]，而空中慢车时发动机在处于风车状态的螺旋桨的带动下被动旋转，与地面慢车状态相比进一步出现发动机转速n 升高、进气压力pma降低.表2 数据显示，被试型号发动机空中慢车时燃油体积流量qff是其地面慢车状态的1.8 倍，进气压力pma是其地面慢车状态的0.52 倍；而对比试验发动机空中慢车时燃油体积流量qff是其地面慢车状态的0.857 倍，进气压力pma是其地面慢车状态约0.755 倍，显然被试型号发动机空中慢车状态缸内混合气更偏富油.缸内混合气的贫富油状况直接反映在各自的排气温度变化上，对比试验发动机空中慢车时各缸排气温度Tegs略高于其地面慢车状态，表明对比试验发动机空中慢车时缸内混合气相对地面慢车时偏贫油；而被试型号发动机各缸排气温度Tegs同步降至约地面慢车时的1/2，充分表明被试型号发动机空中慢车时缸内混合气过于偏富油，推测此状态下缸内混合气因过富油而燃烧困难，火花塞仅能点燃局部混合气形成局部加热效果，可与图5b 中活塞顶面“8”字形沉积物非附着区分布特征相印证.

表2 两型发动机各特征点对应参数对比Tab.2 Comparison between the corresponding parameters at each characteristic point of tested and compared engine

图7 对比试验发动机空、地慢车状态数据Fig.7 Data curve of comparing engine in air and ground idle state

由此可知，被试型号发动机空中慢车时因缸内混合气过富油而导致缸内混合气温度低于PbBr2熔点，是该型发动机缸内PbBr2沉积的主要运行阶段.

2.4 被试型号发动机缸内沉积物抑制方法及验证

影响航空活塞式发动机气缸内混合气贫富油程度的因素有进气压力pma和燃油体积流量qff，航空活塞-螺旋桨式动力装置空中慢车发动机进气压力与当时螺旋桨风车转速有关[12]，而被试型号发动机这种空中慢车时燃油体积流量qff明显增大则与其发动机燃油系统构型设计有关[1].所以缓解或解决被试型号发动机气缸内沉积物沉积的途径在于基于该型发动机的构型采用合适的方法改善或消除气缸内混合气的过富油状态，控制发动机排气温度不低于PbBr2熔点(373 ℃).实践中可采取的方法包括降低螺旋桨风车转速降低空中慢车状态的进气压力减小幅度，以及空中慢车时人工调贫减小燃油体积流量.

已有研究[19]指出，被试型号发动机的排气门积铅阈值是排气温度为427 ℃，通过降低螺旋桨风车转速和人工调贫等方式执行该阈值并运行飞行200 h后用Olympus IV8000-2 型内窥镜观察排气门/气门座密封面形貌显示方案有效，也表明对被试型号发动机气缸内沉积物的形成机理分析正确.