陳淑仙 ，楊秀鋒 ，張曉龍

（中國民用航空飛行學院航空工程學院1，機務處2：四川廣漢 618307）

0 引言

航空發(fā)動機燃油系統(tǒng)的功用是給燃油增壓，調節(jié)發(fā)動機所需的燃油流量，調節(jié)油氣比，霧化燃油以供燃燒，滿足發(fā)動機在各種工況下的燃油需要[1]。燃油調節(jié)裝置是發(fā)動機燃油系統(tǒng)的核心組成部件，目前使用的航空活塞式動力裝置燃油系統(tǒng)中的燃油調節(jié)裝置多為直接噴射式或汽化器式燃油調節(jié)器[2]。

與汽化器式燃油系統(tǒng)相比，直接噴射式燃油系統(tǒng)[3]具有較精確的油氣比控制，燃油燃燒效率較高，且因為燃油汽化而結冰的可能性小，易于在寒冷天氣起動[2]，因此在航空活塞發(fā)動機上得到了廣泛應用，并吸引了眾多科研人員的研究興趣。Takagi[4]回顧了直噴式燃油系統(tǒng)的發(fā)展歷程，詳細分析了該系統(tǒng)在低燃油消耗率、高功率輸出、低污染排放等方面的優(yōu)勢，展望了其未來的應用和發(fā)展趨勢；Xie 等[5]研究了直噴式航空活塞發(fā)動機燃油中的鉛成分對發(fā)動機持續(xù)適航的影響，并提出燃油系統(tǒng)維護的解決措施；Har?shavardhan 等[6]采用CFD 方法分析了直噴式活塞發(fā)動機起動注油時活塞形狀對汽缸內空氣流動以及空氣與燃油相互混合的影響；Chan 等[7]試驗研究了噴油壓力對直噴式活塞發(fā)動機汽油閃蒸噴霧結構改變的影響；Colin 等[8]建立了直噴式活塞發(fā)動機的點火模型；魏武國[9]分析了IO-240A&B 航空活塞發(fā)動機燃油系統(tǒng)的基本結構，研究了燃油調節(jié)過程，提出了校驗燃油調節(jié)系統(tǒng)的步驟；李自俊[10]分析了活塞式發(fā)動機機械泵失效時的自動應急供油方法；孟現(xiàn)召等[11]分析了發(fā)動機驅動燃油泵的結構設計對發(fā)動機慢車穩(wěn)定性能的影響，并提出了在Cirrus SR20 飛機上進行雙泵油壓協(xié)調的必要性；王凱等[12]總結分析了航空活塞發(fā)動機直噴式燃油系統(tǒng)常見故障，探討了其診斷技術；黃強等[13]在AMEsim仿真平臺上建立了發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)模型，采取支持向量機法對特征數(shù)據(jù)進行訓練，驗證了支持向量機法用于發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)故障診斷的優(yōu)越性和可靠性。

中國通用航空領域廣泛應用的Cirrus SR20 和Cessna 172R 飛機[14]分別配裝特內達因·大陸公司生產(chǎn)的IO-360-ES與萊康明公司生產(chǎn)的IO-360-L2A發(fā)動機，均采用直接噴射式燃油調節(jié)器。飛行員輪換駕駛這2 型飛機，需要同時掌握其使用性能。目前還未見對這2 型發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)原理及對發(fā)動機使用性能影響的專門研究。本文比較了IO-360-ES 和IO-360-L2A 發(fā)動機的2 種直噴式燃油系統(tǒng)的燃油調節(jié)原理，在此基礎上比較分析了2 種航空活塞發(fā)動機的使用性能。

1 燃油調節(jié)原理

1.1 IO-360-ES發(fā)動機燃油調節(jié)原理

IO-360-ES 發(fā)動機燃油調節(jié)流通通路如圖1 所示。從圖中可見，從飛機油箱來的燃油首先進入油氣分離腔。分離出來的氣體從油氣分離腔頂端的回路回流到燃油箱；燃油則流入發(fā)動機驅動燃油增壓泵入口的通路。經(jīng)過發(fā)動機驅動燃油泵增壓的燃油，通過高空自動調貧膜盒組件和慢車燃油壓力調節(jié)活門，分別調節(jié)大車和慢車的燃油壓力；經(jīng)壓力調節(jié)后的燃油流到人工混合比調節(jié)軸裝置進行油氣混合比調節(jié)；再流至油門計量體進行燃油壓力調節(jié)；最后經(jīng)燃油分配器被分配到每個燃油噴嘴。其中，油氣分離、燃油增壓、大車燃油壓力調節(jié)、慢車燃油壓力調節(jié)和油氣混合比調節(jié)在發(fā)動機驅動燃油泵組件內完成；油門計量體燃油壓力調節(jié)在油門計量體內完成。發(fā)動機驅動燃油泵組件由油氣分離腔、旁通活門、發(fā)動機驅動燃油泵、高空自動調貧膜盒組件、慢車燃油壓力調節(jié)活門和油氣混合比控制軸組成，如圖2所示[15-16]。

圖1 IO-360-ES發(fā)動機燃油調節(jié)油路

1.1.1 高空燃油壓力調節(jié)

從圖2 中可見，大車燃油壓力調節(jié)活門是1 個圓柱形的腔室，里面有1 個真空膜盒元件，膜盒由富有彈性的特殊材料制成。膜盒外部通外界大氣，膜盒內側連接1 個發(fā)動機驅動燃油泵組件回油路流量調節(jié)的活門。IO-360-ES發(fā)動機為吸氣式進氣系統(tǒng)，對于相同的進氣截面面積，當飛行高度增加時，外界大氣壓力降低，導致進入發(fā)動機的空氣量減少。在這種情況下，隨著膜盒外界的大氣壓力相應降低，膜盒內外壓差變大，致使膜盒膨脹，推動活門向內側移動，使活門開度加大，進而使回油量增多，供向油門計量體的燃油量減少，保證了油氣比的穩(wěn)定性，從而保證了發(fā)動機穩(wěn)定有效地燃燒。同時，該膜盒組件起到大車燃油壓力調節(jié)的作用，故又稱為大車壓力調節(jié)活門。

圖2 發(fā)動機驅動燃油泵組件構造

1.1.2 慢車燃油壓力調節(jié)

從圖1、2 中還可見，慢車燃油壓力調節(jié)活門與高空自動調貧膜盒組件串聯(lián)，位于發(fā)動機驅動燃油泵組件內部，燃油流過高空自動調貧膜盒組件調節(jié)活門后等量地流到慢車燃油壓力調節(jié)活門進口（如圖3 所示）。該活門的腔體分為左右2 部分，彈簧作用在活門的右邊，用橡膠隔膜隔開，彈簧右邊頂桿的右端有1 顆螺釘，可以通過調節(jié)螺釘旋入腔體內的長度，即調節(jié)彈簧的預形變量來改變作用在活門上的預壓力。活門的左上端通向大車燃油壓力調節(jié)活門出口，左下一端通向混合比調節(jié)軸，另一端通向發(fā)動機驅動燃油泵的入口，燃油回流。在慢車工作狀態(tài)下，發(fā)動機轉速較低，泵的出口壓力也相應較低，為了使燃油壓力和流量滿足發(fā)動機的正常工作需求，只有當泵出口的燃油壓力大于彈簧的預壓力時，即大于最小允許燃油供應壓力時，才允許燃油回流。

圖3 慢車燃油壓力調節(jié)活門

1.1.3 油氣混合比調節(jié)

大部分經(jīng)過發(fā)動機驅動燃油泵增壓的燃油流到人工混合比調節(jié)軸裝置，其外部通過鋼索與駕駛艙中央操縱臺的油氣混合比操縱桿連接（圖1）。通過操縱油氣混合比桿改變燃油出口截面面積，以調節(jié)到油門計量體的燃油流量和壓力，從而改變油氣比[17]。

1.1.4 油門計量體燃油壓力調節(jié)

燃油流出發(fā)動機驅動燃油泵組件后馬上流向油門計量體。油門計量體左端為油門連接桿，該油門連接桿與節(jié)氣門軸相連接，同時通過鋼索與飛機駕駛艙中央操縱臺的油門桿相連，如圖4所示。

圖4 油門計量體

操縱油門控制桿使節(jié)氣門開度增大或減小，節(jié)氣門軸右邊的燃油計量凸輪相應地旋轉，而燃油計量插頭位置保持不變，凸輪上的開口與計量插頭上的小孔的位置發(fā)生改變，使得允許燃油通過的截面積相應地增大或減?。煌ㄟ^燃油計量凸輪的燃油壓力也相應地升高或降低。同時通過油門計量體還可設定慢車工作時發(fā)動機的最小轉速和油氣混合比[18]。經(jīng)過計量的燃油從油門計量體的出口流向燃油分配器，從而被分配到每個燃油噴嘴。

1.2 IO-360-L2A發(fā)動機燃油調節(jié)原理

IO-360-L2A發(fā)動機燃油調節(jié)系統(tǒng)由燃油計量部件、燃油流量調節(jié)部件組成[19]。來自發(fā)動機驅動泵的燃油經(jīng)過人工混合比、慢車燃油流量和混合比、主燃油的調節(jié)后，經(jīng)過燃油分配器均勻分配到燃油噴嘴，供氣缸內燃燒。燃油調節(jié)流通通路如圖5所示。

圖5 IO-360-L2A發(fā)動機燃油調節(jié)油路

1.2.1 主燃油調節(jié)計量燃油

主燃油調節(jié)器包括文氏管、2 個空氣室及空氣薄膜、2 個燃油室及燃油薄膜、與空氣薄膜和燃油薄膜相連的球形活門，如圖6 所示。A 室內的空氣壓力為文氏管喉部的壓力；B室內的空氣壓力為大氣壓力；C室直接通油泵來的燃油；D 室通經(jīng)過混合比調節(jié)器調節(jié)和定油孔后的燃油。C 室油壓大于D 室油壓。當空氣流經(jīng)文氏管時，在喉部的流速增大，壓力降低，則A 室壓力小于B 室壓力，這一壓力差使得球形活門開度增大，供油量相應增加。節(jié)氣門開度越大，壓力差也就越大，球形活門開度也就隨之越大，供油量也相應越大；反之，節(jié)氣門開度減小，供油量也隨之減小。由于節(jié)氣門與油門桿相連，當前推或后收油門時，進氣量發(fā)生變化，供油量也隨之發(fā)生變化。調整慢車轉速調節(jié)螺釘，也就是調整油門桿收到最后時節(jié)氣門開度的大小，可調整發(fā)動機慢車轉速的大小。

圖6 主燃油調節(jié)器

1.2.2 人工混合比調節(jié)

慢車燃油量和混合比調節(jié)裝置如圖7 所示。操縱混合比桿時，混合比調節(jié)活門的開度改變。前推混合比桿時，活門開度增大，流到主燃油調節(jié)器D 室的燃油流量增大，混合氣變富油；后收混合比桿時，活門開度減小，流到主燃油調節(jié)器D 室的燃油流量減小，混合氣變貧油。當混合比桿收到最后慢車關斷位時，燃油流量很小，致使油壓降低，不能打開燃油流量分配器上的分油活門，從而使發(fā)動機停車。

圖7 慢車燃油量和混合比調節(jié)裝置

1.2.3 慢車燃油量和混合比調節(jié)

慢車活門桿與節(jié)氣門調節(jié)桿聯(lián)動，從而使慢車定油活門與節(jié)氣門聯(lián)動，控制主定油孔的開度，以調節(jié)噴油量（圖7）。推油門時，慢車定油活門隨節(jié)氣門開大而使定油孔截面開大，使流過定油孔的流量增加，噴油量隨之增加。調整慢車混合比調節(jié)螺帽，調整節(jié)氣門調節(jié)桿與慢車活門桿連接處的聯(lián)動桿的長度，可改變慢車活門的開度，使流量改變，從而使慢車混合比改變。

2 直噴式航空活塞發(fā)動機性能

2.1 加速性能

航空活塞發(fā)動機的加速性是指快推油門桿時，發(fā)動機轉速升高的快慢程度。發(fā)動機的加速性能越好，機動性能就越好，飛機的可操縱性就越強，飛機的安全性也就越高。因此加速性能是衡量發(fā)動機整體性能的1 個關鍵指標。通常以快推油門時發(fā)動機從慢車轉速加速到最大轉速所需的時間t作為衡量加速性的標準，所需的時間越短，發(fā)動機的加速性越好[2]

式中：△N為發(fā)動機剩余功率；J為發(fā)動機轉子轉動慣量；nmax為發(fā)動機最大轉速；nidle為發(fā)動機慢車轉速；C為常數(shù)。

在發(fā)動機轉子轉動慣量J等因素相同時，影響t的主要因素為剩余功率△N，而影響△N的主要因素為燃油量增加得快慢。

IO-360-ES 發(fā)動機在加速過程中，油門桿前推，與操縱系統(tǒng)機械連接的節(jié)氣門開度增大，空氣流量會迅速增大。在節(jié)氣門開度增大的同時，燃油計量孔的截面積也相應地增大到所需面積。但是，發(fā)動機驅動燃油泵輸出的燃油壓力與轉速線性相關，不能立即增大。慢車燃油壓力調節(jié)活門內的彈簧與大車燃油壓力調節(jié)活門中的膜盒位置都不能突變，因此通過計量孔的燃油壓力升高幅度較小，燃油增大速度稍滯后于空氣增大速度，不能立即滿足加速要求，導致加速瞬間進入發(fā)動機的燃油稍小于需求量，混合氣比規(guī)定的要求稍貧油。隨著發(fā)動機轉速的升高，燃油壓力逐漸升高，燃油供給量達到所需燃油量，加速過程完成。

IO-360-L2A發(fā)動機在加速瞬間，空氣流量增大，A 腔和B 腔的壓差迅速增大，球形活門在加速瞬間的流通截面面積大于所需值，燃油流量增速加快。隨著燃油流量迅速增加，C 腔與D 腔壓差增大，活門開度減小到加速后穩(wěn)態(tài)時的開度。該燃油系統(tǒng)利用加速瞬間燃油流通截面面積大于所需值的方法來提高燃油流量，加速性能優(yōu)越。

綜上，IO-360-L2A發(fā)動機的燃油量增大較快，加速性能優(yōu)于IO-360-ES發(fā)動機的加速性能。

2.2 高空調貧性能

在相同的節(jié)氣門開度時，進入發(fā)動機氣缸內空氣量的多少是外界空氣的密度和壓力的函數(shù)。外界空氣壓力越高，密度越大，進入氣缸的空氣量就越大，需要的燃油量也就越多。隨著飛機飛行高度的增加，外界大氣壓力降低，空氣也相應地變得稀薄，通過相同的節(jié)氣門截面面積，進入氣缸的空氣量將會變小，氧氣量也會相應地變少。為了保證氣缸內混合氣穩(wěn)定有效地燃燒，需要減少燃油供應[20]。IO-360-ES 發(fā)動機燃油系統(tǒng)的高空調貧通過1 個額外的高空自動調貧膜盒組件來實現(xiàn)，即通過感受外部壓力的變化來改變膜盒的膨脹量，從而改變回油活門的開度，達到調節(jié)供油量的目的，自動實現(xiàn)精確的高空調貧功能。

IO-360-L2A 發(fā)動機燃油系統(tǒng)的燃油調節(jié)通過A、B 2個空氣腔的壓力差來實現(xiàn)。A腔對應的是文氏管喉部的壓力；B 腔對應的是外界的大氣壓力。飛機飛行高度增加時，文氏管喉部和外界大氣壓力都會相應降低，其壓差保持不變。隨著高度增加，空氣的密度減小，進入發(fā)動機氣缸的空氣量會相應地減少，而燃油系統(tǒng)供油量不會自動減少，需要飛行員根據(jù)手冊通過操縱混合比操縱桿進行人工調貧來獲得合適的混合氣，調貧精度難以精確控制。

2.3 慢車工作穩(wěn)定性能

慢車工作狀態(tài)是發(fā)動機穩(wěn)定、連續(xù)工作的最小轉速工作狀態(tài)，用于飛機著陸、快速下降、地面滑行等。在不同的發(fā)動機轉速下，需有不同的油氣混合比M[21]，用余氣系數(shù)α來表征

式中：Lth為1 kg 燃料完全燃燒所需要的最少空氣質量，即理論空氣量，航空汽油的理論空氣量為15.1。

發(fā)動機的余氣系數(shù)值隨發(fā)動機轉速的變化曲線如圖8 所示[2]。在發(fā)動機小轉速工作時，由于廢氣沖淡嚴重，需要增加供油比例，余氣系數(shù)應設置為0.7左右，混合氣較為富油，發(fā)動機工作的穩(wěn)定性較差。因此，精確控制慢車混合比尤為重要。

圖8 發(fā)動機的余氣系數(shù)值隨轉速的變化曲線

IO-360-ES 發(fā)動機維護手冊規(guī)定，在無風的條件下，應通過調節(jié)油門計量體上止動釘?shù)闹箘游恢脕碚{節(jié)發(fā)動機的慢車轉速為600～750 r/min；在外界環(huán)境變化較大（如換季）時，需通過調節(jié)油門計量體上的慢車混合比調節(jié)螺釘，調整發(fā)動機的慢車混合比，使其工作在最佳狀態(tài)。另外，慢車燃油壓力調節(jié)活門保證了燃油的壓力和流量滿足發(fā)動機的慢車狀態(tài)時的正常工作需求。調節(jié)慢車燃油壓力調節(jié)活門右邊彈簧右邊頂桿一端的螺釘旋入腔體內的長度，可調節(jié)彈簧的預形變量，來改變作用在活門上的預壓力，從而調整在慢車轉速時的最大回油壓力。

通過調整IO-360-L2A 發(fā)動機慢車轉速調節(jié)螺釘，也就是油門桿收到最后時，調整節(jié)氣門開度的大小，可調整發(fā)動機慢車轉速的大小。該發(fā)動機通過調整慢車混合比調節(jié)螺帽來改變慢車活門的開度，使流量改變，從而使慢車混合比改變。

因此，相對來說，IO-360-ES 發(fā)動機從多角度保證了慢車轉速時的供油量、供油壓力和慢車混合比，其慢車穩(wěn)定特性優(yōu)于IO-360-L2A發(fā)動機的。

3 總結

（1）大陸IO-360-ES 和萊康明IO-360-L2A 這2種發(fā)動機雖然都采用直噴式燃油調節(jié)系統(tǒng)，但其組成結構和工作原理差異較大。前者的油氣分離、燃油增壓、大車燃油壓力調節(jié)、慢車燃油壓力調節(jié)和油氣混合比調節(jié)，均在發(fā)動機驅動燃油泵組件內完成；而主燃油壓力調節(jié)在油門計量體內完成。后者在混合比調節(jié)裝置進行人工混合比調節(jié)、慢車燃油流量和混合比調節(jié)后，進入主燃油調節(jié)器完成主燃油調節(jié)。

（2）IO-360-ES 發(fā)動機燃油系統(tǒng)的高空調貧通過1 個額外的高空自動調貧膜盒組件來實現(xiàn)；IO-360-L2A 型發(fā)動機燃油系統(tǒng)由飛行員根據(jù)手冊通過操縱混合比操縱桿進行人工高空調貧。

（3）燃油調節(jié)系統(tǒng)組成結構和工作原理的不同，使得IO-360-L2A 型發(fā)動機的加速性能優(yōu)于IO-360-ES 發(fā)動機的；而IO-360-ES 發(fā)動機燃油系統(tǒng)的高空調貧性能和慢車穩(wěn)定性能優(yōu)于IO-360-L2A 型發(fā)動機的。