淺談航空活塞發動機的爆燃與提前點火

王元國　常虎山

摘 要：不少同行經常用“爆燃”和“提前點火”這兩個術語來描述航空活塞發動機內部同樣的故障狀態。實際上，就其性質和造成的損害而言，兩者之間存在很大的差別。希望本文能幫助讀者正確區分爆燃與提前點火。

關鍵詞：發動機 爆燃 提前點火

中圖分類號：V234 文獻標識碼：A 文章編號：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

維護航空活塞發動機的不少同行經常用“爆燃”和“提前點火”這兩個術語來描述發動機內同樣的狀態[1]。實際上，就其性質和造成的損害而言，兩者之間存在很大的差別。在診斷發動機故障時，搞清楚究竟是爆燃還是提前點火導致的損壞、是否兩種損壞都存在、是哪一個引發了另一個，這對故障的判定及排除十分重要。

1 爆燃

爆燃是由燃燒室內混合氣瞬間突然燃燒引起的，而不是正常狀態下的均勻燃燒。爆燃會發出尖銳的“砰砰”聲，就象汽車發動機那樣，不幸的是，在航空活塞飛機發動機上因螺旋槳的噪音卻無法聽見這種聲音。爆燃會產生很高的汽缸頭溫度和較低的排氣溫度，爆燃還會產生一個平坦的排氣溫度峰值。

發動機正常點火時，點火的發生時間和實際的火焰前鋒開始傳遞到整個燃燒室之間，有5～20°曲柄轉角延遲。火焰前鋒以逐漸增大的規模從火花塞附近擴散，壓力增加使已燃混合氣膨脹，直到已燃混合氣和剩余的未燃混合氣之間的壓力達到平衡。壓力和溫度增加在某種程度上是因為落后于火焰前鋒的燃汽膨脹使尾氣壓縮的結果。因為火焰前鋒在繼續，剩余的未燃混合氣體積減少，溫度升高。壓力增加后將未燃混合氣擠壓到一個較小空間，試驗表明，當火焰傳遞到燃燒室一半時，只有1/4重量的燃油發生燃燒。如圖1所示。

如果壓縮后的未燃混合氣達到臨界溫度，混合氣就會自發的爆炸性燃燒，這樣就發生了眾所周知的爆燃。爆燃是瞬時的，活塞只能發生很少位移來增加了燃燒室空間并減少壓力沖擊。極高溫度和壓力迅速導致發動機損壞。爆燃使強烈的壓力波傳播到整個燃燒室，迫使燃燒室壁震動，將聲音傳播到發動機周圍大氣中，這種聲音就是前面所述的“砰砰”聲。較弱的爆燃發動機在相對長的時間內工作不會受損。但是，猛烈的爆燃作用相當于用大錘猛擊活塞，會在活塞穹頂上留下類似于錘打的痕跡，會導致活塞環斷裂。

引起爆燃的主要原因如下：

（1）磁電機與發動機的定時過分提前；

（2）未使用規定辛烷值的燃油；

（3）燃油混合氣過貧油，降低了混合氣燃燒速度，看起來像定時提前；

（4）燃燒室內的形成局部熱點；

（5）功率設置太高；

（6）提前點火。

如果燃燒室形成熱點，爆燃可導致提前點火。如果燃燒室溫度上升使燃燒末段混合氣的溫度升高到能夠自發點火的程度，提前點火又會導致爆燃。

圖2顯示了油/氣比例、汽化器空氣溫度和進氣壓力與爆燃之間的關系。飛行員通過調節進氣壓力和混合比控制，確定發動機是在“安全工作”區還是在爆燃區。可以使用混合比貧油和低進氣壓力，而不會遇到爆燃，如該圖左下角所示。進氣壓力增加時，混合比需要較為富油，以避開爆燃區。陰影分開的兩個大區域表明在汽化器空氣溫度上升時，爆燃限制也向上移動。最大的爆燃趨勢在最大經濟區和最佳功率區之間的混合比范圍內。

機械因素也決定抑制爆燃。這些因素是點火定時、容積效率、壓縮比、中間冷卻、渦輪增壓、燃油辛烷值、汽缸頭溫度、滑油消耗和燃燒室結構。有時各種變化因素與愿望相反，因此就會發生爆燃。例如，在這天由于上次打開整流罩時導流板向后彎曲導致汽缸頭溫度高。一個汽缸開始燒滑油，燃燒室積碳增加，進而使該汽缸壓力增大。滑油與油/氣混合后降低了燃油辛烷值，正值夏天高溫，點火定時又因疏忽稍微提前，在這些因素的共同作用下就會發生爆燃。

抑制爆燃不僅取決于燃油的辛烷值而且取決于燃燒室結構。一臺發動機可能比另外一臺發動機需要更高的辛烷值，盡管兩臺發動機都具有同樣的壓縮比。如果尾氣（混合氣的一部分，是將要點火的最后部分）被壓縮到燃燒室最熱的部位（通常是排氣門），溫度進一步上升，爆燃的條件不久就會形成。燃燒室結構的兩種原理是：

（1）火花塞朝向排氣門，以便在燃燒過程中盡早點燃火花塞附近的部分混合氣，如圖3所示大陸發動機角形汽缸就是這樣的布局。

（2）采用鈉冷卻的氣門使排氣門溫度較低，如圖4萊康明發動機排氣門。

2 提前點火

提前點火（火花塞跳火之前）是油/氣混合氣的過早點火。提前點火是油/氣混合氣在壓縮沖程時的點燃，但比預期時間要早得多。正常的油/氣混合氣點火發生在壓縮沖程期間活塞到達上死點中心之前大約20°曲柄轉角。提前點火期間，當燃燒的油/氣混合氣膨脹時，壓縮沖程持續進行。大功率下的提前點火在非常短的時間內產生極高溫度。冠軍火花塞公司測量了提前點火時火花塞陶瓷端的溫升率，大約為每秒300°F。在這些狀態下，火花塞陶瓷受到驚人的熱沖擊負載，經常出現斷裂。提前點火直接導致EGT溫度全面上升。萊康明公司的試驗已經顯示出，提前點火在不到一分鐘的時間內就將活塞燒出一個洞。鋁的熔點大約為1，200°F，提前點火使汽缸頭上靠近火花塞座的鋁被熔化。引起提前點火的主要原因如下：

（1）交叉點火功能的磁電機：火花轉移到磁電機分電盤的頂部，可能錯誤地點燃了其它汽缸（即：沒有按照點火次序）的油氣混合氣。

（2）熱點點火：燃燒室內的熱點先于火花塞火花點燃油氣混合氣。

（3）不真確的火花塞：火花塞絕緣子頂端溫度達到1，600°F會引起提前點火。火花塞正常工作的熱范圍是1，000°F-1，300°F。如萊康明STC-改進后的O-235-L2C發動機具有高壓活塞，如果使用冠軍牌火花塞，也會提前點火[2]。正確的火花塞是低熱范圍的奧伯恩牌火花塞。如果機械師沒有認識到高壓活塞的發動機需要較冷的火花塞，也許會使用萊康明發動機手冊中的火花塞。在高溫天氣海平面的全功率下，如果這些高壓活塞被燒出穿洞，就會成為低壓活塞。提前點火使火花定時提前，在燃燒膨脹期間導致爆燃，增加汽缸內溫度。

提前點火會使發動機出現輕微的不穩定。當其發生時，活塞上就已經有燒穿的孔洞。在同一時刻，極高的壓力和溫度將進氣門壓入氣門座。首先會發生什么情況，似乎有一種“競賽”，或者是進氣門拉伸到不能關閉的程度，或者是活塞燒出孔洞。如果是活塞燒穿孔洞在前，飛行員也許會注意到發動機的不穩定已經停止；飛行員很難認識到貫穿活塞的孔洞已經中止了提前點火。直到飛行員意識到滑油已經泵出到發動機通氣孔外，一切才會停止。希望進氣門首先被拉伸后不能關閉，這樣就可以在活塞被燒穿之前中止提前點火。磁電機交叉點火也能引起提前點火，因此在拆下汽缸進行修理時應檢查磁電機分電盤的碳跡。

綜上所述，航空活塞發動機的爆燃不一定是提前點火引起，提前點火不一定就必須導致爆燃，二者既有區別、也有聯系，即使所有發動機儀表都在“綠區”，提前點火和爆燃都可能會導致發動機受到極大損傷，讀者一定要具體問題具體分析。

3 結語

本文對爆燃及提前點火的定義、可能產生的原因及破壞現象做了簡單的分析，希望能幫助讀者正確認識航空活塞發動機這兩種常見現象。

參考文獻

[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.