基于EGT曲线的活塞式航空发动机性能分析

周跃飞 郭湘川 任 可 杨 畅

（中国民用航空飞行学院，广汉 618307）

排气温度 （Exhaust Gas Temperature，EGT）是指发动机排气管处所探测的废气温度，它是活塞式航空发动机的一个重要参数。大多数活塞式航空发动机都有一个EGT传感器和一个EGT指示器。EGT传感器实质上是一个热电偶，它的工作原理是通过两种不同材料的导体两端连接成回路的赛贝克效应，如果两端温度不同，在回路内将产生热电动势的物理现象，热电偶产生的微小电压与探头温度成正比。本文将结合塞斯纳C172R飞机莱康明IO-360-L2A发动机的发动机功率、燃油经济性与EGT的关系曲线对发动机的性能参数进行分析。

1 EGT与油气混合比的关系

1.1 峰值EGT

EGT是反映发动机各气缸内燃气混合气燃烧状况的一个参数，通过观测EGT值，即可知道进入该气缸的燃油和空气混合比状况。通常，业内将燃油过多的油气混合气定义为富油，把空气过量的油气混合气称为贫油。航空发动机的油气混合比是通过一根特设的“混合比杆”来操作的，混合比杆前推到底为全富油状态。

当将混合比往富油方向调整时，发动机内会有由于空气不足而未完全燃烧的燃油，未燃烧的燃油将携带缸内的部分热量随废气排出，导致EGT下降。当将混合比往贫油方向调整时，会出现没有足够的燃油与进入的空气匹配，这将减弱发动机的做工能量，EGT也将随之降低。当燃油和空气的比值为某一特定值时，进入气缸的燃油和空气刚好分别燃烧完全，此时所测得的EGT最高，称为峰值EGT。而该特定的油气混合比比值称为油气混合比的理想配比。

1.2 油气混合理想配比的计算

航空汽油的主要化学成分为脂肪烃和环烷烃类及一定量的芳香烃，分子结构式为C8H18，汽油燃烧化学反应公式如下：

依质量计，其燃烧前后的相对分子质量为：(12×8+1×18)+(12.5×16×2)→ 8×(12+16×2)+9×(1×2+16)即：

可以看出，按相对分子质量计算，在汽油和氧化剂比例为114：400时，可完全燃烧生成二氧化碳和水。依据该比值，燃烧1kg汽油(C8H18)，需3.5kg氧气。

根据氧气在空气中的含量，设所需空气质量为G ：

式中，W为空气中氧气的质量分数，且已知W=0.23。

将W=0.23代入式（2）中，计算得出：G=15.2。

这意味着，每1kg的航空汽油完全燃烧需消耗约15kg的空气。1：15.2为理想配比，在油气混合气的理想配比下，燃油质量与使其完全燃烧的氧化剂（氧气）质量刚好匹配。

1.3 飞行中贫富油的调整

上述分析的油气混合理想配比的前提是飞机静止停放在地面上，但在实际飞行中飞机高度、大气温度、空气密度等条件都会随时改变，而这些都恰恰与密度高度紧密相关。

密度高度是将气压高度进行了温度修正后的高度，其最主要的目的是让飞行员和飞机设计制造单位计算并了解正确的飞机性能。一个密度高度对应一个空气密度，如果温度升高，密度高度增加。密度高度增加意味着空气密度下降，以及飞机飞行性能的降低。密度高度增加后，发动机也易富油，此时应适当对发动机微调贫油以便增加发动机功率，使发动机工作更稳定。对于选装了G1000电子设备的C172R飞机，还可以通过MFD辅助页面查看其密度高度。

按照塞斯纳C172R飞机飞行手册要求，若飞机起飞时密度高度超过3000m，就必须调整贫富油。起飞时贫富油的设置：由于在贫油状态下发动机推大功率可能发生早燃，使发动机工作不稳定，而发动机在富油状态时工作相对稳定，且富油时多余的燃油还可降低气缸头温度，冷却发动机，并减小发动机爆震的概率，因此，在起飞时发动机贫富油需设在富油状态。飞行中贫富油的设置：整个空中飞行过程包括爬升、巡航和下降共3个阶段，每个阶段都有自己的贫富油调节规律。根据莱康明发动机公司提供的资料和C172R飞机飞行手册要求，在爬升阶段应注意不要调节到全富油状态，否则可能导致发动机工作不稳定，在巡航阶段不论高度如何变化，为节约航油，提高燃油经济性，都可以调节贫富油在贫油状态，下降阶段则应随着飞行高度的降低逐渐向富油状态调整混合比。

2 EGT曲线的研究意义

2.1 设置油气混合比

图1为莱康明IO-360-L2A活塞式航空发动机EGT及相关参数曲线示意图，其上半部分显示了EGT随燃油空气混合比比值变化，飞行员操作油气混合比杆可以控制这一比值，前推油气混合比杆增加燃油供给，油气比比值增大，前推至底为全富油状态，反之后拉至底为全贫油状态。

图1 莱康明IO-360-L2A活塞式航空发动机EGT及相关参数曲线示意图

当燃油与空气比值为理想配比0.066（1：15.2）时，EGT达到峰值，如图1中虚线所示。飞行员可以根据需要将油气混合比设置在峰值的左侧，即稍贫油状态；或者将油气混合比设置在峰值的右侧，即稍富油状态。其中，离峰值左侧越远的区域为过贫油状态。此时，发动机将因为供给的燃料不足而不能工作；相反，离峰值右侧越远的区域为过富油状态，此时发动机又将因为缺乏空气而不能工作。活塞式航空发动机要在一个起降过程中的各种飞行高度稳定工作，必须在地面起飞前，通过观察EGT峰值，来设置油气混合比。飞机制造商通常给出的油气混合比设置点是EGT峰值温度的-100℉（-73.3℃）。

由图1可知，峰值 EGT 随发动机输出功率的增加而升高，大多数活塞式航空发动机的最高峰值EGT大约是1570℉（854℃）。

2.2显示最大可用功率

图1下半部分显示了莱康明IO-360-L2A活塞式航空发动机功率随燃油空气混合比比值变化，把发动机油气混合比设置在EGT峰值温度的富油侧-100℉（-73.3℃）将产生最大功率值，此时油气混合比是0.083，该混合比临近区域称为最大巡航功率区域，如图1中右面阴影部分所示。此时，发动机产生最大可用功率，但发动机将比峰值EGT时多消耗26%的燃油。

活塞式发动机飞机通常通过调整螺旋桨转速和螺旋桨桨叶角度来改变发动机输出功率，因此飞机仪表板没有专用于指示发动机输出功率的仪表。但依据上述EGT与最大功率的关系，飞行员可以通过观察EGT的数值变化来控制功率，先将油门杆前推至最大，通过改变油气混合比使EGT调整到最大值，然后往富油方向调整油气混合比，将EGT值减小100℉（37.8℃）即为最大功率值。

2.3 掌握各气缸工作状态

当飞行员从富油往贫油方向调整混合比设置时，通常会发现每个气缸的EGT峰值有轻微不同。图2是Cessna 172R飞机Garmin G1000系统中贫油页面的图片，显示了发动机4个气缸的EGT值。但部分发动机只有单一EGT传感器，其他气缸的EGT由于不可见而不受监控，此时飞行员可调整油气混合比，通过拉混合比杆设贫油，使EGT到达峰值，然后回推混合比杆让发动机富油，使EGT值降低-100℉（37.8℃），以确保所有剩余的气缸都在EGT峰值富油侧工作。

2.4 控制燃油经济性

关于活塞式航空发动机在EGT峰值贫油侧工作可以节约燃油的论断，行业内一直持有争论，以前的观点认为这将烧毁发动机；但分析图1发现，发动机可以工作在EGT峰值相同温度的富油侧，也一定可以工作在贫油侧。

由图1可知，当油气混合比为0.059，即1kg的燃油配比17kg的空气时，发动机运行在峰值EGT贫油侧-100℉（-73.3℃），相对于最大功率时节约燃油41%。查看功率曲线发现，此时功率仅比最大功率减少约6%。通过Cessna 172R飞机进行验证其飞行速度相应地从240km/h降低为226km/h，仅减少 14km/h，但燃油经济性却得到大幅度提升。

2.5 监控发动机的损伤

如果持续较长时间的高EGT值，将会对发动机活塞造成损伤，包括活塞变形、融化、烧灼、穿洞、裂缝等，而且这种损伤还是不断累积的。如果活塞顶面有轻微蚀烧，发动机可以暂时继续运行，但如果EGT再次过高，将会造成更大的伤害，如此反复，直至发动机活塞失效。活塞失效对航空器是灾难性的，当活塞遭受损坏时，由于铝比钢或铸铁具有较低的硬度和熔化温度，损坏的活塞及连杆将摧毁发动机内部由铝及铝合金制成的部件。过高的EGT也会导致排气歧管和缸盖裂纹，排气阀也会在高EGT时失效卡阻。这些部件的损坏、卡阻将导致发动机失效，造成发动机在空中停止运行，严重影响飞行安全。为避免出现严重后果，当发生EGT过高事件后，最低限度的维护措施是对发动机进行修理，这也就意味着需要昂贵的维修费用。

为此，必须明确EGT的上限峰值。活塞式航空发动机 EGT 在 1350ºF（732℃）~1400ºF（760℃）是安全的工作温度，在这区间可以持续正常工作。超过 1400ºF （760℃）时虽然允许运行，但不宜长时间工作，否则将影响发动机的性能。超过1500ºF（815℃）时，发动机受损是必然后果，而且EGT越高，发动机受损失效的时间就越短。如果超过1500ºF（815℃），必须对发动机进行大修检查，必要时需更换受损部件或报废整台发动机。

3 结束语

EGT是反映发动机工作性能的一个重要参数，可以通过测量EGT实时掌握航空发动机的性能，确保发动机正常稳定可靠运行。飞行员可以参照EGT性能曲线设定发动机的最大功率、最佳经济性能等工作状态；维修人员可以通过监视EGT值对发动机进行健康测评，酌情予以维修和更换，从而避免经济损失的扩大，以及危及飞行安全的发动机故障事故的发生。另外，了解EGT与油耗和发动机功率的关系，对燃油管理、飞行范围、续航能力和发动机操作还将起到决策和指引作用，从而确保飞机安全可靠的运行。