DA42NG飛機發動機燃油系統典型故障研究

楊淳 王銀坤

摘要：本文以DA42NG飛機發動機燃油系統為研究對象，分析該系列發動機燃油系統的結構及控制理論，結合相似機型經驗，對發動機在運行期間燃油系統可能發生的典型故障進行分析并提供相應的解決方案，為該機型的維護提供參考借鑒。

關鍵詞：DA42NG飛機發動機;燃油系統;典型故障

0? 引言

DA42NG飛機憑借其各方面優良的特性，逐漸成為國內飛行中教機訓練的主力機型。該型飛機的發動機（AE300發動機）為作為現代高速柴油飛機發動機的代表之一，采用的是 ECU（Electronic Control Unit）控制的壓燃式柴油發動機。該發動機的工作模式、控制模式與常用的Lycoming 發動機截然不同，尤其是發動機燃油系統，高壓共軌燃油技術是新一代的發動機技術，故對該機型發動機燃油系統的研究日趨緊迫。

1? DA42NG飛機發動機簡介

該發動機本體為直列四缸，雙頂置凸輪軸（DOHC），四行程液冷，渦輪增壓，高速柴油發動機。發動機總排氣量1.991L，壓縮比17.5：1，發動機最大輸出功率（123.5KW@2300 PropRPM，最大扭矩513 Nm@2300 PropRPM。發動機本體為Mercedes-Benz公司 OM640系列。燃油噴射系統采用Bosch公司 CRS2高壓燃油共軌系統（包括EDC16C雙通道升級后的ECU、CP3S3系列高壓燃油泵、高壓油軌、二位二通電磁式5孔噴油嘴、油管、各傳感器和執行機構）。渦輪增壓系統選配BorgWarner公司 K16系列渦輪增壓器。

2? 發動機燃油系統結構及原理

發動機燃油系統以高壓燃油泵進口處為界，上游為飛機燃油系統部分，下游為發動機燃油系統部分。發動機燃油系統匹配的是博世公司CRS2基于“時間-壓力調節方式”控制算法的高壓燃油共軌系統。高壓燃油共軌系統的最大優勢是可實現噴油量、噴油定時的精確控制和調節、高壓油軌壓力和噴油規律的精確調節和靈活控制、優異的性價比、輕量化、低功耗、高可靠性和低維護要求。ECU核心部件滿足DO-254規范。ECU軟件符合DO-178B/ED12B DAL C and DO-254/ED80 DAL C適航規范要求。增加了雙裕度設計、備用供電系統以及電磁兼容性測試（RTCA/DO-160G）。該發動機燃油系統主要組成如下：

2.1 高壓燃油泵? Bosch公司CP3S3系列放射布局三缸柱塞式高壓燃油泵，冷卻方式為內部燃油回流。最高輸出壓力160MPa，ECU向高壓燃油泵內FMU電磁閥發送PWM控制指令實現高壓泵變排量輸出，輸出壓力20～160MPa可調。

2.2 高壓油軌? 高壓燃油儲壓器，將高壓燃油分配到各缸噴 嘴、降低高壓泵供油和噴嘴工作引起的壓力波動。高壓油軌上安裝有軌壓傳感器、軌壓調壓器、高壓釋壓閥和流量緩沖器。內部容積和流量緩沖器以及噴嘴噴油脈沖之間有固定的匹配關系，不可輕易更改。由于油軌承受極高的內部壓力，對材質、加工工藝和密封性有非常高的要求。

2.3 燃油噴嘴? Bosch公司二位二通電磁式5孔噴油嘴，是執行ECU噴油規律PWM指令終端部件。

2.4 ECU? 發動機控制單元是整個發動機電控系統的“計算機與控制中心”。[2]它利用內部存儲的軟件（各種函數、算法程序、數據、表格等）與硬件（各種信號采集和處理電路、微控制器系統、功率輸出電路、通信電路、電源電路等）處理從傳感器輸入的諸多信號，并以這些信號為基礎，結合內部軟件的其他信息，制定出各種控制命令發送到各執行器，從而實現對發動機的自動控制。[3]E4發動機的ECU是Bosch公司專門針對Austro Engine公司E4系列發動機開發的雙裕度、備用電源支持的電控單元。從當前面向控制應用的單片機技術水平推測該ECU應是基于MPC56x系列微控制器芯片級別的發動機電子控制單元產品。該ECU采用金屬盒封裝，外部插座執行MIL-W-22759設計規范。

3? 發動機燃油系統典型故障預防策略

3.1 相較于柴油，航空煤油的潤滑性較差，而燃油系統的高壓燃油泵、燃油噴嘴為精密耦件結構，需要燃油本身作為潤滑劑來防止耦件磨損。鑒于這個原因，以航空煤油作為燃料的E4系列發動機高壓燃油泵和燃油噴嘴故障率會高于同級別車用柴油機。近幾年Austro Engine已收到多份用戶反饋報告，該公司采取了縮短以上兩個部件更換周期的方法來應對可靠性下降問題。由于精密耦件對燃油污染物非常敏感，在實施勤務工作和飛行前檢查時務必排盡燃油系統中的水分和雜質。長期停放的飛機，燃油中會產生微生物，酸性微生物分解物將腐蝕燃油系統金屬耦件表面，并導致部件失效。同時微生物絮狀產物也將堵塞油濾。如果預計飛機將長期停放，建議在燃油系統中添加燃油殺菌劑。飛機廠家添加允許的殺菌劑為：KATHON FP 1.5和BIOBOR JF兩種（注意：兩種殺菌劑不能同時混用），其配比參考產品使用說明。

3.2 作為一般要求，在實施燃油系統供油管路開放作業時必須封堵管路開口，防止外物進入系統。在完成供油管路開放作業和油箱排空，并重新加油后。必須嚴格執行燃油系統排氣程序，以避免因氣塞造成高壓燃油泵柱塞潤滑和散熱不良導致的故障。如果空氣進入高壓油軌還會導致軌壓波動、噴油計量不準、發動機運轉不穩，進而觸發ECU故障報警。

3.3 在完成燃油噴嘴更換后使用AE300-Wizard軟件輸入正確的對應氣缸的IQA碼。為保證IQA碼正確輸入，建議使用掃描儀來完成本項工作。理想的狀態是發動機的4個噴嘴在給定的激磁時間和軌壓下獲得相同的噴油量，但是在噴嘴生產過程中不可避免地會由于電磁特性、加工誤差等導致各噴嘴噴油量差別。這種噴油量偏差在低軌壓和更短的激磁時間狀態下表現得更為明顯，導致發動機慢車工況下振動和運行粗暴。工廠在完成噴嘴組裝后，要對每個噴嘴進行噴油量檢測，將噴嘴噴油量偏差值調整量信息以IQA碼形式打印在噴嘴殼體上。維修人員更換噴嘴后在AE300-Wizard軟件中填入對應缸號的IQA碼，并將該噴油量偏差值調整量編入ECU數據程序中，ECU將自動執行各噴嘴噴油量糾偏。

3.4 進入高于燃油泵的燃油大部分被增壓后送入高壓油軌，另一少部分作為柱塞、偏心軸和擺環的潤滑劑和冷卻液將高壓泵工作時產生的熱能帶走。高壓泵潤滑回油、高壓油軌調壓溢流以及噴嘴伺服回油匯聚后，經回油散熱器冷卻回到本側燃油箱。對于DA42飛機，當出現一側燃油箱的回油溫度明顯高于另一側油箱時，預示著本側發動機高壓燃油泵正在經歷過高的載荷，泵體發熱量增加，回油溫度也相應升高。此時，有理由懷疑高壓泵已發生了機械故障或FMU電磁閥工作不正常，維修人員應使用AE300-Wizard軟件檢查故障記錄和數據記錄，確定故障來源。

4? 總結

文章通過對DA42NG飛機發動機燃油系統結構組成及功能的分析，參照相似機型維護經驗及飛機發動機維護手冊要求，提出了該型發動機使用期間可能出現的典型故障及預防策略，為該型飛機的正常維護提供了參考借鑒。

參考文獻：

[1]林學東.發動機原理[M].二版.北京：機械工業出版社，2014.

[2]呂彩琴.汽車發動機電控技術[M].北京：國防工業出版社，2016.

[3]王尚勇，楊青.柴油機電子控制技術[M].北京：機械工業出版社.