燃油系统气塞对活塞式发动机稳定工作的影响(航空科学技术).doc

燃油系统气塞对活塞式发动机稳定工作的影响Influence of Fuel Vapor Lock to Aero-Piston Engine Operating Smoothly罗雄儒 （中国民航飞行学院广汉分院 四川广汉 618307） 摘 要：燃油系统气塞现象发生在燃油系统管路和附件内部，具有相当的隐蔽性，很容易被人们忽视。本文通过对气塞的机理和对发动机稳定工作的影响分析，提出了应对燃油系统气塞的措施，以期提高小双发(PA-44-180)和塞斯纳172R等活塞式飞机的飞行安全。关 键 词：燃油系统 气塞 活塞式发动机 稳定小双发（PA-44-180）和塞斯纳172R飞机均使用LYCOMING活塞发动机作为飞机动力装置，在小双发飞机刚刚引进的初期，多次出现空中燃油压力突然波动，甚至燃油压力指示降低至零的不正常现象；塞斯纳172R飞机自去年4月引进以后，几次出现夏季地面自动停车，给飞行安全带来了严重的威胁。笔者多年来一直跟踪并详细研究了活塞发动机燃油系统的特点和国内外相应机型的运行情况，认为飞机燃油系统气塞是飞机燃油压力或流量突然波动，并引起发动机空地工作不稳定，甚至是停车的重要原因之一。1 活塞式发动机燃油系统主要特点学院活塞式飞机小双发和塞斯纳172R的燃油系统燃油供应的动力来源于串联在燃油系统中的一个电动泵和发动机驱动的薄膜式机械泵，电动泵主要用于地面发动机启动注油和空中发动机工作出现不稳定时短时工作，其它时间均由发动机驱动的机械泵工作，不断抽吸油箱中燃油，并适当增压后将燃油供向汽化器或者燃油调节器，调节后送入发动机汽缸，保证在各种飞行状态下发动机所需燃油的供应，所以发动机驱动泵工作状况的好坏直接关系到发动机的稳定工作。发动机驱动泵工作状况的好坏除了与泵本身的性能有关外，主要取决于飞机燃油箱能否在发动机各种工作状态下向泵输送足够的燃油，并经过燃油调节器恰当调节后输送给每个汽缸。多年学院TB-20，TB-200，PA-44-180和塞斯纳172R等LYCOMING活塞发动机的使用实践证明：发动机驱动泵具有很高的可靠性，无一例发动机工作不正常故障或事故牵涉到发动机驱动泵，而发动机工作不稳定的故障却时有发生，多起发动机工作不稳定故障或事故几乎无一例外涉及发动机的燃油系统。2 燃油系统气塞现象及其对发动机稳定工作的影响发动机驱动泵在工作的过程中，由于泵的抽吸作用，泵进口工作腔的燃油压力下降，低于外界环境压力，当泵进口或管路中的油压降低至等于或小于该温度下燃油的饱和蒸汽压力时，溶解在燃油中的空气游离出来形成空气泡。为了保证活塞式发动机易于起动，正常工作过程中燃油能够快速汽化，使油气混合均匀，充分燃烧，通常使用的是挥发性较高的汽油。汽油在低压或高温下不断汽化，生成燃油蒸汽，形成燃油蒸汽泡。燃油中游离出来的空气和燃油汽化生成的燃油蒸汽在燃油管路中聚集成油气泡，占据部分工作空间，在燃油系统管路和附件内部形成气塞现象，使泵吸油不畅，减少了泵的供油，泵进口的燃油充填量下降，泵的供油能力降低。在油压很低和油温较高的情况下，甚至造成燃油在管路中发生堵塞，发动机驱动泵不能抽吸燃油，造成供油中断，发动机停车。由于气塞现象都发生在燃油系统管路和附件内部，而且在外界条件（温度和压力）和发动机工作状态改变后，气塞现象很快消失，发动机工作自动恢复正常，所以气塞现象很难人为地面再现和准确地观察到，具有相当的隐蔽性，很容易被维修工程技术人员忽视。一般只能通过对发动机出现不稳定工作时的发动机参数的变化和大气环境（如飞行高度、大气压力、环境温度）以及飞机的运行状态（如巡航、起飞、下降、地面运行），等进行分析，定性进行推断。3 影响燃油系统气塞的主要因素在发动机所使用的燃油种类确定后，燃油的挥发性能就已经确定，影响气塞的主要外在因素是燃油泵进口压力和管路中燃油的温度。泵进口压力越小，燃油汽化速度增大，生成燃油蒸汽泡，同时融解在燃料中的气体从燃料中逸出越多，更加容易产生气塞现象。飞行高度越高，由于大气压力下降，同时发动机驱动泵在工作的过程中，油泵的抽吸作用使燃油压力大为下降，融解在燃油中的气体从燃油中大量逸出，容易在发动机驱动泵进口产生气塞现象。往往表现为飞行期间，发动机燃油压力或流量波动，当情况较严重时，发动机可能有不稳定趋势。燃油温度越高，燃油管路中燃油汽化速度增大，汽化趋势严重。一般认为油温30摄氏度以上时，燃油汽化将就会较明显。4 小双发飞机高空飞行时，燃油系统容易出现气塞小双发飞机属于下单机翼飞机，燃油箱与发动机的燃油驱动泵之间的落差小。在电动泵关闭的情况下，燃油驱动泵进口的燃油压力很低，燃油容易汽化，所以小双发飞机要求在飞机姿态变化较大的起飞、着陆阶段必须接通燃油电动泵，保证燃油安全供应。高空飞行时，外界大气压力较低，更加降低了燃油驱动泵进口的燃油压力，燃油汽化加剧，使燃油驱动泵的充填损失大大增加，油泵供油不畅，油泵的增压效果降低，泵出口压力大为降低，甚至降低到零，供油中断。自2001年小双发飞机引进以来，飞行人员多次反映在飞行中出现驾驶舱燃油压力指示从2-4PSI突然降低到0的现象，经过机务技术人员的分析、研究，认为是由于特定环境，如飞行高度、外界环境压力、温度、飞机飞行状态、发动机工作状态等因素，导致燃油在燃油管路中产生气塞现象，在燃油驱动泵进口出现气塞的概率最大，使燃油供油不畅，油压降低。幸运的是该型飞机安装的是汽化器式燃油调节系统，仅汽化器浮子室内的储存燃油可以供应发动机在中等偏上功率下工作70秒左右（2002年笔者在分析一起小双发飞机地面自动停车事件时地面反复试验测量所得），在飞行员及时（70秒中内）接通燃油电动泵，提高燃油驱动泵进口压力，消除气塞后，燃油供油恢复正常，燃油压力指示正常，所以，尽管飞行中多次出现燃油压力突然没有指示的不正常现象，却没有出现一次空中停车事件。基于此，建议飞行人员在飞行中要连续监视燃油压力指示情况，一旦发现燃油压力指示波动或降低到零，在发动机出现不稳定现象之前，及时接通燃油电动泵，保证发动机的正常工作，在燃油压力指示恢复正常一段时间（如10分钟）后，再关闭燃油电动泵。5 高温环境下，塞斯纳172R飞机地面运行时，容易出现燃油系统气塞，导致发动机工作不稳定高空飞行时，尽管外界大气压力较低，但由于塞斯纳172R属于上单翼飞机，燃油箱与发动机燃油驱动泵之间的落差大，在电动泵关闭的情况下，燃油驱动泵进口的燃油压力仍然相对较高，燃油汽化趋势较小，所以塞斯纳172R飞机的上单翼设计能够有效地减少燃油系统气塞发生的概率，提高发动机稳定工作范围。在不接通燃油电动泵的情况下，就能够保证在飞机姿态变化较大的起飞、着陆阶段燃油的安全供应，不需接通燃油电动泵。如果飞行高度较高时，塞斯纳172R仍然可能存在气塞的可能，由于属于注射式燃油调节系统，气塞出现与发动机工作不稳定现象之间的时间差很短，一般认为严重的气塞与发动机工作不稳定现象几乎同时出现。当在飞行中出现气塞现象时，燃油流量指示波动较大，一般认为当其波动超过1GPH时，就表明燃油气塞可能存在，此时应立即接通燃油电动泵，增大发动机驱动泵进口的供油压力，有助于使汽化的燃油液化，防止出现燃油中断，并视情调节混合比，直到发动机工作稳定，期间要严密监控燃油流量表指示，发动机稳定工作一段时间后，方可关闭燃油电动泵。在炎热的夏季，气温高，气压低，飞机地面长时间小功率运行时，由于飞机运行速度小，发动机冷却空气不足导致发动机散热不好，发动机舱内空气温度升高，而此时由于发动机功率小，燃油管路中燃油流量小，燃油从空气中吸收的热量多，较多的热量使很小流量的燃油温度大大上升，再在低气压和发动机燃油驱动泵进口的低压力作用下，燃油汽化加剧，很快在燃油管路中形成气塞，尤其在燃油泵进口和进口管路中非常容易出现气塞现象，发动机工作不稳定，甚至在小功率下直接停车。塞斯纳172R飞机去年夏季几次出现地面小功率自动停车。燃油系统气塞也是夏季发动机热发启动困难的主要原因。高温天气下，发动机停车后，因没有冷却空气流过发动机，发动机舱内温度很快升高，燃油管路中燃油温度高，很容易出现气塞，可能导致紧接着的下一次热发启动困难和启动后初期出现在小转速下发动机工作不稳定的不正常现象。为了提高发动机在高温天气下的地面稳定性，发动机和飞机厂家对发动机燃油系统作了三次改进，提高了中、小功率时发动机的稳定性：A 在燃油泵出口、燃调进口增加了一根通辅助燃油箱的燃油管，以提高燃油泵上游供油管的流量，降低供油管内燃油温度，减小燃油汽化趋势，提高发动机地面运行稳定性。B 改进、提高了燃油分配器内部活门开启弹簧的弹力和将燃油分配器倒置安装，以提高燃调到燃油分配器之间供油管内燃油压力，降低了在低功率、小燃油压力时燃油汽化趋势，提高高温环境下发动机慢车及中、小功率时发动机的稳定性。塞斯纳172R飞机作为初级教练机，本场起落训练是其主要特点，地面小功率运行时间长，为了减小地面小功率运行时燃油系统气塞趋势，防止出现发动机地面不稳定，更防止地面出现的气塞影响到飞机起飞后初期发动机的稳定工作，建议在高温天气下，小功率长时间滑行或等待，如果发动机有工作不