一起DA42NG飞机发动机地面停车的故障分析

摘要：燃油系统是活塞发动机极其关键的系统，本文以DA42NG飞机E4-C型发动机为研究对象，从一起DA42NG飞机低压燃油泵跳开关弹出导致发动机地面停车的故障入手进行分析。借助WIZARD发动机监控软件对故障进行试验验证，探究该型发动机ECU对于燃油系统的控制逻辑，并对日常维护及使用提供一定参考。

关键词：E4-C型发动机;燃油泵;ECU控制

0  引言

DA42NG飞机搭载了两台Austro发动机公司生产的E4-C型航空煤油发动机。采用液体冷却、直列四冲程四气缸、配有双顶置凸轮（DOHC）并利用共轨技术实现燃油直喷。所有发动机部件都由EECU系统控制。该型发动机的燃油系统由油箱、两个并联的低压燃油泵、燃油压力传感器、高压燃油泵、燃油计量组件、高压燃油共轨、共轨压力传感器、共轨控制活门、燃油喷嘴等部件构成，各部件协同配合工作以实现发动机燃油系统的功能。近期，某公司待出厂的一架DA42NG飞机在进行地面试车时，右发正常启动后置于慢车位（约710RPM）暖机过程中，低压燃油泵B跳开关弹出，发动机停车，读取ECU数据出现“2047 common rail， metering unit failure”故障代码。依据飞机维护手册描述：当ECU监测到燃油压力低时，会进行ECU通道切换。如果该故障发生时ECU进行了通道切换，互为备份的另一ECU通道控制的低压燃油泵应接管工作，持续保障发动机的供油，发动机应在供油短暂波动后恢复正常运转。故障是否触发ECU通道切换，如果ECU通道切换后发动机停车的原因有待证实。

发动机停车属严重威胁航空器运行安全的事件。针对该起发动机地面意外停车故障，为探究其故障机理、找到预防措施并且为日常维护和操作提出建议，展开了理论和实际相结合的研究。

1  低壓燃油泵相关部件工作原理

每台发动机的燃油供油管路上有两个独立的低压燃油泵为发动机高压燃油泵供油，低压燃油泵组件由预滤网、泵体以及单向活门组成（如图1）。正常工作情况，ECU会自动选择一通道控制该通道低压燃油泵工作，ECU A控制A泵，ECU B控制B泵。而在起飞、着陆或发生燃油系统紧急状况时，可手动选择超控双泵同时工作以保证系统足够的供油量。

低压燃油泵控制电路由跳开关、继电器和低压燃油泵构成，且A、B泵电路为并联关系，相互独立。当正在工作的低压燃油泵跳开关断开连接，低压燃油泵通电中断，泵停止工作。依据Austro发动机公司E4系列发动机操作手册描述，ECU故障码“2047 common rail， metering unit failure”属于触发ECU通道自动切换的非锁定警戒信息。

为进一步分析该事件机理及ECU控制逻辑，进行以下试验。

2  地面试验

试验选取了2架某单位DA42NG飞机作为样本，考虑到高转速下进行该试验可能造成高压燃油泵的损伤，综合研判后拟定的验证方案为：①接通外接电源后在发动机主开关接通的情况下，模拟低压燃油泵弹出情况，判断ECU控制通道的切换情况;②慢车状态（710RPM左右）下，判断ACTIVE ECU工作通道，拔出该通道低压燃油泵跳开关验证发动机运行情况及ECU通道切换情况;③提升螺旋桨转速至900RPM左右，重复2操作;④正常慢车启动发动机后判断初始ACTIVE ECU工作通道，手动将ECU选择在另一通道位，拔出初始控制通道低压燃油泵跳开关，随后将ECU控制开关拨回AUTO位，观察发动机运行情况及ECU通道切换情况;⑤模拟发动机一低压燃油泵跳开关拔出时，多种情况下发动机能否启动。

验证方案通过Wizard发动机监控软件进行实时辅助监控并采集试验数据。主要参考的数据有螺旋桨转速（Propeller speed）、发动机状态（Engine status）和燃油压力（Fuel pressure）。其中发动机状态 8位二进制第56位为00表示ECU A通道控制，为11表示ECU B通道控制。燃油压力代表低压燃油泵出口至高压燃油泵之前的燃油压力。具体的试验步骤及结果如下：

试验1.1：接通地面电源，接通左发主电门，此时为ECU A控制，拔出左发A泵跳开关，ECU仍为ECU A控制，ECU通道未切换，无ECU故障代码触发。

试验1.2：接通右发主电门，此时为ECU B控制，拔出左发B泵跳开关，ECU仍为ECU B控制，ECU通道未切换，无ECU故障代码触发。

试验2.1：慢车位710RPM，ECU自动位，此时为ECU A控制，拔B泵跳开关，发动机无任何影响;恢复B泵跳开关，拔A泵跳开关，PFD出现“L ECU A FAIL”警戒信息，发动机停车。分析ECU数据，当拔出A泵跳开关时，A泵停止工作，燃油压力2秒内从4285hpa骤降至109hpa后ECU切换至ECU B，B泵开始工作，当燃油压力重新恢复时发动机已停车。拔A泵跳开关后螺旋桨转速、燃油压力、ECU工作通道详情见图2。

试验3.1：将左发螺旋桨转速提升至936RPM，ECU自动位，此时为ECU B控制，拔出B泵跳开关，燃油压力在1秒内由4529hPa降为109hPa，ECU切换至ECUA控制，转速在短时间内降到566RPM后迅速上升，发动机恢复正常运行，此时PFD出现“L ECU B FAIL警戒”;恢复B泵跳开关，拔出A泵跳开关，PFD出现“L ECU A FAIL” 警戒信息 ，燃油压力降低后重建不及时，发动机停车;读取ECU数据，ECU A、B通道均出现“common rail， metering unit failure”故障代码;两次拔出低压燃油泵后螺旋桨转速、燃油压力、ECU工作通道详情见图3。

试验4.1：螺旋桨转速900RPM，ECU AUTO位，此时为ECU A控制，人工选择ECU B，拔出A泵跳开关，操作恢复ECU至AUTO位。此时，ECU通道首先切换回ECU A控制，当油压下降后，立即再次切换回ECU B控制，螺旋桨转速在短暂下降后再次升高，发动机运行恢复正常;

试验5.1：ECU自动位，此时为ECU A控制，拔出泵A跳开关，ECU未切换通道，发动机不能启动。

试验5.2：ECU自动位，此时为ECU A控制，拔出泵A跳开关，打开双泵超控开关，正常启动。

试验5.3：ECU手动选择至B位，拔出泵A跳开关，发动机能正常启动。

3  讨论与分析

因考虑到频繁进行相关试验可能对发动机高压燃油泵产生损伤，试验样本量有限。基于当前收集的试验样本，并结合厂家适航性资料研读，作以下分析：

①该起故障原因。直接原因为低压燃油泵跳开关损坏，在使用过程中失效弹开。深层原因为ECU通道切换需要一定的时间，当发动机处于慢车状态时转速较低，当燃油压力重新恢复时发动机已停车。重复多次试验均得出，当发生单个正在工作的低压燃油泵跳开关弹出故障时，ECU均能切换至另一通道的低压燃油泵工作，与飞机维护手册描述一致。当发动机转速高于慢车转速且无ECU故障代码触发的情况下，发动机在经历短暂掉转后能恢复正常运转。

②ECU选择及切换通道的逻辑。参考试验1.1和1.2，当发动机未运转时，单个正在工作的低压燃油泵跳开关弹出，ECU 不会切换通道，无ECU故障代码触发。说明仅有燃油压力传感（经查看GARMIN G1000NXI SD卡数据，发动机主电门接通、未启动发动机时，已有燃油压力传感指示）不足以触发ECU产生警戒信息，从而未执行切换ECU通道的操作。参考试验2.1、3.1等多次试验，被切换的ECU通道会出现“2047 common rail，metering unit failuer”故障代码，依据Austro发动机公司E4系列发动机操作手册描述，该ECU故障码属于触发ECU通道自动切换的非锁定警戒信息。该故障码直接触发ECU通道自动切换（SWITCH OVER），进一步证明发动机运行过程中低压燃油泵跳开关弹出时，ECU通道会切换。参考试验4.1 ECU VOTER的初始选择逻辑很大程度取决于当时ECUA和ECUB分别的控制时间，优先选择使用时间较少的ECU通道进行控制，但只要监测到当前ECU存在可以导致ECU切换的触发条件时，会立即进行切换。这也就是为什么4.1的试验中，ECU会短时间内迅速进行两次切换操作的原因。

③风险分析。参考试验2.1、3.1等多次试验，当发动机运转时，单个正在工作的低压燃油泵跳开关弹出，ECU会自动切换到另一通道从而控制该通道低压燃油泵工作，继续为发动机燃油系统供油。但是，因慢车转速较低，存在因燃油压力建立不及时导致发动机停车的风险，试验样本中螺旋桨转速达到820RPM以上时，没有出现停车现象，飞行过程中转速会更高，理论上因低压燃油泵跳开关弹出而导致停车的可能性很低。如在飞行过程中出现低压燃油泵跳开关弹出的情况，飞行员在发现PFD出现“L/R FUEL PRESS”以及“L/R ECU A/B FAIL”信息时，应严格按照AFM手册相关章节“将发动机低压燃油泵开关置于开位”的操作要求进行操作，可以进一步保障飞行安全。与此同时，如故障信息仍保留，应尽快在合适的机场着陆并及时通知机务人员进行故障排除，并清除故障信息。对于机务人员，执行飞机定检时应加强对跳开关的功能检查。

④值得进一步研究的问题。在测试3.1中，当发动机恢复正常运转且PFD出现“L ECU B FAIL”警戒信息后恢复B泵跳开关，拔出A泵跳开关，ECU切换回B通道控制，PFD出现“L ECU A FAIL” 警戒信息，燃油压力降低后重建时，发动机已停车。在不同的转速情况下重复了几次类似操作，结果一致。换言之当系统已有ECU警戒信息时，当ECU监测到燃油压力低时，仍然会进行ECU通道切换，燃油压力在短暂下降后也会重新恢复，但此状态下发动机停车原因还需厂家及各用户进一步探讨。

4  结语

飞机燃油系统的持续稳定工作对于飞机的安全运行有着至关重要的作用。本文以一起DA42NG飞机低压燃油泵跳开关弹出导致地面停车的故障事件入手，对该型飞机的燃油系统ECU控制进行了理论和实践的研究。当出现单个正在工作的低壓燃油泵跳开关弹出时，ECU监测到燃油压力低后均会切换至另一个通道进行控制，从而继续保障燃油系统中低压燃油泵的供油，并且在发动机运转转速高于慢车转速时，出现发动机停车的可能性很小。该型飞机低压燃油泵跳开关故障对于飞行安全的影响较小，但仍需在日常维护及操作中加强对其功能的检查。

参考文献：

[1]Austro Engine Maintenance ManualE4 Series.Doc.No.：E4. 08.04 R28.

[2]DA42NG Airplane Maintenance Manual Doc#7.02.15 Rev.4.

[3]Austro Engine Operation Manual Doc.No.：E4.01.01 R20.

[4]陈霄阳.基于Wizard软件的AE300发动机EECU诊断浅析[J].内燃机与配件，2019（16）：186-187.