航空活塞发动机转速波动故障分析

■ 史俊 楼幸 杨建良/ 中航贵州飞机有限责任公司 泰丰航空航天科技有限公司

1 概述

某型无人机装备航空活塞发动机，飞行过程中出现辅燃油泵自动接通、发动机转速波动及掉转故障。具体现象为：发动机节风门开度由46%增大至56%，70s 后发动机转速开始不稳定，在4600 ～5100mps 之 间 循 环 波动，每次循环约8 ～10s。节风门开度降至47%，所有故障现象消失。之后多次增大节风门开度，故障现象依然出现，且发动机转速波动幅度增大，在3500 ～5100mps 之间循环波动，每次循环约8 ～10s。此后，辅燃油泵自动接通，故障现象消失。

后查看飞参数据，发现随着发动机转速的波动，发动机涡轮增压器的废气活门也在85%～95%开度位置之间波动，空气盒压力在950 ～1070hp 之间波动。

2 故障原因分析

燃油系统供油工作原理如图1所示。主、辅燃油泵串联连接，中间串联一个压力信号器。给燃油泵加电时，主、辅燃油泵同时工作，压力信号器检测到主燃油泵的出口燃油压力值，当该值大于压力信号器阈值时，压力信号器断开，辅燃油泵停止工作；若主燃油泵出口压力值小于压力信号器阈值，则压力信号器接通，辅燃油泵开始工作，保证发动机的供油。

图1 燃油系统供油工作原理

从故障现象来看，根据燃油系统工作原理，辅燃油泵自动接通，说明主燃油泵出口压力值低于压力信号器控制阈值，控制辅燃油泵接通以提高供油压力，保证发动机所需油量。由于此次发动机故障均出现在辅燃油泵开启前，所以只考虑主燃油泵故障的可能。以下几种情况均可导致主燃油泵出口压力降低：

1）主燃油泵运转故障。主、辅燃油泵均采用12V 直流电源供电，且由于主燃油泵内部硬件故障、供电不足等原因，造成供油压力不足，低于发动机的需求，造成发动机转速不稳。

2）供油系统堵塞。供油系统中由于输油管路或油滤堵塞，造成供油量不足，无法满足发动机需求，造成发动机转速不稳。

3）单向阀故障。图1 中单向阀A双通、燃油部分回流，导致供油压力不足，从而导致发动机转速不稳。

4）燃油压力调节器故障。燃油压力调节器是发动机上的部件，其作用是根据空气盒压力值调整进油量，保证发动机气缸内适当的空燃比。燃油压力调节器如果出现故障，使回油口开启过大，油压不足，导致发动机转速不稳。

3 地面试验

通过上述分析，列出4 种可能的故障源，为了准确定位故障点进行了地面试验，具体试验过程如下。

3.1 发动机停车状态下主辅燃油泵供油压力测试试验

在未开车状态下进行燃油泵供油压力测试试验。在燃油压力调节器前后各安装一块燃油压力表，检查结果如下。

1）在未开启发动机、进油管堵死状态下，单独开启主辅燃油泵，测量进油管出口压力值均为2bar，该压力值满足图2 中燃油泵流量与燃油泵进出口压差曲线中零流量的出口压力值。

图2 不同压力下电子燃油泵送油率

2）在未开启发动机、进油管接通状态下，单独开启主辅燃油泵，测量进油管出口压力值分别为0.28bar、0.285bar，发动机燃油压力调节器后的压力均为0.25bar，主辅燃油泵出口压力均属于发动机未开车状态下的正常值。

3.2 发动机开车状态下主燃油泵供油压力测试试验

试验前需计算燃油压力理论值，用于与实测值对比。理论值是通过《发动机使用维护手册》中的油门位置和气室目标压力关系曲线图（见图3）计算得出的，计算公式为：燃油压力=空气盒压力+250hPa－大气压力。其中，大气压力为当地环境压力，约为860hPa，即0.86bar。当节风门位置在15%以下时，虽然空气盒目标压力高，但发动机排气能量不足，不足以影响空气盒压力，此时空气盒压力可视为大气压力；当节风门位置在15%～45%时，空气盒压力逐步接近目标压力；当节风门位置在45%以上时，空气盒压力与目标压力一致。

图3 油门位置和空气盒目标压力关系曲线图

在开车状态下进行主燃油泵供油压力测试试验。在燃油压力调节器前后各安装一块燃油压力表，采集节风门不同开度下的燃油压力，由于飞行过程中故障出现时辅燃油泵并未工作，因此未采集辅燃油泵数据。试验结果如表1 所示。

表1 各节风门开度下调整前后的压力值

由表1 可以看出，试验采集数值与理论值相当，说明主燃油泵工作正常，且发动机转速一直稳定，故障未复现。

3.3 模拟供油不畅的地面测试试验

在开车状态下进行控制进油量观察转速试验。在发动机燃油压力调节器前端，通过一个三通管加装一段燃油管，燃油管出口处安装一个燃油开关。在发动机燃油压力调节器后端，加装一个燃油压力传感器。

按规定进行发动机开车，油门值回到0%后，逐步增加油门至60%，此时观察到燃油压力表示值为0.57bar。然后缓慢打开并调节燃油开关，保证燃油压力表示值缓慢下降；当发动机转速突然下降时，停止调节燃油压力开关，观察到发动机掉转前燃油压力表示值为0.3bar。

试验发现，发动机转速在2600 ～4500mps 之间循环波动，每次循环约6s 左右。查看飞参数据，发现随着发动机转速的变化，废气活门开度在90%～100%之间波动，空气盒压力在900 ～1200hPa 之间波动，该故障模式与飞行时出现的故障表现极为类似。

4 故障定位

通过地面试验，结合之前的故障模式分析，对故障进行定位。

1）如果主燃油泵运转故障导致其出口压力低于压力信号器工作压力值，将引起双泵工作故障。由于地面试验中各油门状态下均未开启辅燃油泵，故障未复现。而单独开启主燃油泵工作，在各油门状态下检查油泵的输出压力，均能满足发动机的压力需求，排除主燃油泵故障的可能。

2）如果供油系统堵塞，或输油管路发生弯折，或滤网网眼被杂质阻塞，导致燃油无法正常输送至主燃油泵，主燃油泵出口压力低，将出现上述故障表象。检查后发现输油管路并未弯折，排除因燃油管弯折导致故障的可能。如果杂质进入燃油滤、供油管路、单向阀、主辅燃油泵及连接管嘴，可能影响正常输油，导致供油量降低，最终影响主燃油泵出口压力值，出现故障表象。待拆卸燃油滤、主辅燃油泵细滤后验证。

3）如果单向阀故障，会出现双通现象，则主燃油泵出口燃油将从单向阀A 处发生回流，从而降低主燃油泵出口压力，引起双泵工作故障。地面试验表明，在未开启发动机、进油管堵死状态下，单独开启主辅燃油泵时能够正常建压，因此能排除单向阀故障的可能。

4）如果燃油压力调节器故障，使回油口开启过大，油压不足，将导致发动机转速不稳。此种故障模式在地面开车试验中应能复现，但在记录地面试验结果的表1 中，通过燃油压力调节器调整后的燃油压力一直正常，故排除燃油压力调节器故障的可能。

通过地面试验，排除可能的故障点，最后确定有可能引起转速波动的是供油系统堵塞，且为非燃油管路弯折引起的堵塞，更有可能是油滤滤网堵塞引起的燃油供给不足，导致发动机转速波动。

燃油系统中装备一个粗油滤，燃油泵内自带细油滤。拆下油滤，发现粗油滤、燃油泵细油滤均有大量杂质（见图4），印证了故障是由油路堵塞引起的。

图4 油滤情况

5 总结

故障定位后，对整个燃油系统进行检查，包括燃油管路、单向阀、燃油泵、燃油滤是否还存在污物卡塞，并更换粗、细油滤，彻底分解化油器，用化油器清洗剂清洗化油器内各零件、各量孔。将油箱内余油放干，再次加注燃油时用800 目以上的滤网过滤燃油，防止大颗粒杂质进入燃油系统。