連續(xù)性方程和伯努利方程在某活塞發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

張洪浦

摘 要：文章運(yùn)用連續(xù)性方程和伯努利方程分析了某PA-44-180飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)故障，找到發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的理論根源，為該機(jī)型燃油系統(tǒng)的日常維護(hù)提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：連續(xù)性方程；伯努利方程；汽化器；燃油系統(tǒng)

引言

某通用航空一架PA-44-180飛機(jī)在起飛過程中飛行員反映左發(fā)抖動(dòng)，全風(fēng)門發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足。飛機(jī)降落后，在地面試車發(fā)現(xiàn)左發(fā)在低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣管冒黑煙，前推油門發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)劇烈。

1 原因查找

打開左發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩，拆下進(jìn)氣盒和汽化器，檢查發(fā)現(xiàn)汽化器進(jìn)氣盒后擋板氈墊脫落，卡在文氏管處。PA-44-180飛機(jī)上進(jìn)氣盒安裝在汽化器的后部，為防止進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)冰或出現(xiàn)結(jié)冰時(shí)將冰除去，進(jìn)氣盒上安裝有加溫風(fēng)門，通過選擇風(fēng)門的位置來選擇進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣是加熱過的還是未加熱的。風(fēng)門上的氈墊起密封作用，保證進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣效率；風(fēng)門在開關(guān)過程中和進(jìn)氣盒后擋板相碰，后擋板上氈墊起到防磨和密封作用。

2 故障分析

汽化器是汽化器式燃油系統(tǒng)的主要附件。它的作用是：將燃油噴入進(jìn)氣道中，并促使燃油在氣流中霧化和汽化，以便和空氣組成均勻的余氣系數(shù)適當(dāng)?shù)幕旌蠚狻Ｆ鞯墓ぷ髡Ｅc否，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種狀態(tài)下的工作有決定意義。汽化器有三種形式：浮子式汽化器、薄膜式汽化器和噴射式汽化器。PA-44-180飛機(jī)上采用的是浮子式汽化器，是在簡(jiǎn)單浮子式汽化器的基礎(chǔ)上增加了慢車裝置、主定量裝置、經(jīng)濟(jì)裝置、加速裝置、高空調(diào)節(jié)裝置和停車裝置等，從而保證飛機(jī)在任何轉(zhuǎn)速和高度都能正常工作，具有良好的加速和經(jīng)濟(jì)性能。

理論空氣量是1kg燃料完全燃燒所需要的最少空氣量，用L理表示。但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃燒時(shí)，混合氣中燃油量和空氣量都有可能變化。那么，實(shí)際同1kg燃料進(jìn)行混合燃燒的空氣量叫做實(shí)際空氣量，用L實(shí)表示。實(shí)際空氣量不一定等于理論空氣量，為了反映混合氣的貧、富油程度，引進(jìn)一個(gè)概念：余氣系數(shù)。余氣系數(shù)是混合氣中的實(shí)際空氣量與混合氣中燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值，用α表示，即：

α=■ （1）

根據(jù)余氣系數(shù)的定義可以看出，當(dāng)α<1時(shí)，混合氣中實(shí)際空氣量小于理論空氣量。那么，混合氣燃燒時(shí)，燃料富足而氧氣不足，燃料不能完全燃燒。反之，當(dāng)α>1時(shí)，燃料能夠完全燃燒。稱α<1的混合氣為富油混合氣，α>1的混合氣為貧油混合氣。α偏離1越多代表混合氣富/貧的越厲害。

實(shí)驗(yàn)表明：任何碳?xì)淙剂吓c空氣組成的混合氣，無論是在靜止或是在流動(dòng)狀態(tài)下燃燒，一般都是混合氣的余氣系數(shù)α為0.8～0.9時(shí)，火焰?zhèn)鞑サ乃俣茸畲?。而?dāng)α過大或過小超過某一極限時(shí)，火焰則不能傳播，即發(fā)動(dòng)機(jī)不工作?；鹧婺軌騻鞑サ淖钚∮鄽庀禂?shù)叫做富油極限，最大余氣系數(shù)叫做貧油極限。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗率和汽缸頭溫度都與余氣系數(shù)密切相關(guān)，所以在飛行中，應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際狀態(tài)，調(diào)整余氣系數(shù)來滿足飛行性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)大轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)，一般用于起飛、復(fù)飛和爬升，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大功率。當(dāng)α為0.8～0.9時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率也最大。這樣，即可保證發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大功率，同時(shí)富油混合氣也可防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。

中轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間最長(zhǎng)的一種狀態(tài)，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定、安全，同時(shí)有較好的經(jīng)濟(jì)性。α一般設(shè)置為0.9～1.0。

發(fā)動(dòng)機(jī)小轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)一般用于下降、著陸和滑行。由于此時(shí)進(jìn)氣量較少，而殘余廢氣量變化不大，廢氣沖淡嚴(yán)重。所以為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，需要發(fā)動(dòng)機(jī)富油工作，α一般設(shè)置為0.7～0.8。

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程中活塞向下死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓力降低，大氣經(jīng)過汽化器、進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸。為研究此時(shí)油氣混合情況，先熟悉兩個(gè)方程：連續(xù)性方程和伯努利方程。

通常情況下，可以將空氣看成是理想氣體。為簡(jiǎn)化問題，可將汽化器中空氣的流動(dòng)看作是穩(wěn)定流動(dòng)，即：空氣中任一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間變化?？諝庠谄髦辛鲃?dòng)時(shí)，將垂直于空氣流動(dòng)方向的截面積稱為流通截面。單位時(shí)間內(nèi)通過某流通斷面的空氣的體積稱為流量，用q表示。實(shí)際上，由于流體在管道中的流動(dòng)時(shí)的速度分布規(guī)律是拋物面，計(jì)算較為困難。為便于計(jì)算，現(xiàn)假設(shè)經(jīng)過流通截面上的流速是均勻分布的，且以平均流速Va流過，流過斷面 的流量等于流體實(shí)際流過該斷面的流量，如圖1。即：

q=？自aA （2）

圖1

由于空氣密度？籽為常數(shù)，由質(zhì)量守恒定律可知理想氣體在通道中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，液體的質(zhì)量既不會(huì)增多，也不會(huì)減少，因此單位時(shí)間內(nèi)流過通道中任一流通截面的質(zhì)量是相等的如圖2。即：

？籽？自1A1=？籽？自2A2 （3）

？自1A1=？自2A2 （4）

公式（4）稱為流體的連續(xù)性方程，它說明理想流體在通道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流過各截面的流量相等，而流速和流通截面的面積成反比。因此，當(dāng)流量一定時(shí)，管道細(xì)的地方流速大，管道粗的地方流速小。

圖2

理想流體在通道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)沒有能量損失，在流動(dòng)過程中，由于它具有一定的速度，所以除了具有勢(shì)能和壓力能外，還具有動(dòng)能。即：動(dòng)能+重力勢(shì)能+壓力勢(shì)能=常數(shù)，如圖3。

即： （5）

或者： （6）

式（6）稱為理想流體的伯努利方程。

其中：？籽是流體的密度，？自是流體的速度，g是重力加速度，h是流體的高度，p是流體的壓強(qiáng)，C是常數(shù)。

對(duì)于空氣來說，勢(shì)能可以忽略不計(jì)，伯努利方程可以表示為：

■？籽？自2+p=C （7）

所以，根據(jù)流體的連續(xù)性方程（4）和伯努利方程（7）可知，當(dāng)空氣流經(jīng)文氏管喉部時(shí)（文氏管的最窄處），由于通道變窄，空氣的流速增大，壓力減小。那么文氏管喉部和浮子室內(nèi)的空氣便產(chǎn)生了壓差。浮子室內(nèi)的燃油則在這個(gè)壓差的作用下，從噴油嘴處噴出。然后，噴出的燃油在空氣動(dòng)力的作用下霧化為微小的油珠，并吸取空氣中的熱量，逐步汽化和空氣均勻混合組成混合氣。

噴油嘴噴出燃油的多少，取決于文氏管喉部與浮子室的壓差和定油孔的直徑。壓差和直徑越大，噴出的燃油越多，反之則越少。

對(duì)于型號(hào)確定的汽化器，定油孔的直徑是固定的，那么影響其噴出的燃油多少則主要取決于文氏管喉部和浮子室的壓力差大小。正常情況下，二者的壓差隨節(jié)氣門開度的變化而變化。開大節(jié)氣門，文氏管喉部的空氣流速增大，壓力減小，二者的壓差增大，從噴油嘴噴的燃油增多。反之，文氏管喉部的空氣流速減小，壓力增大，二者的壓差減小，噴出的燃油減小?？傊瑥膰娪妥靽姵龅娜加投嗌偃Q于進(jìn)氣量的多少，燃油和空氣根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作狀態(tài)混合成不同余氣系數(shù)的油氣混合氣，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下正常工作。

氈墊脫落后，由于氈墊尺寸比較大，在氣流的作用下進(jìn)入并卡在文氏管喉部，阻塞了部分進(jìn)氣通道導(dǎo)致進(jìn)氣減少。另外，根據(jù)流體的連續(xù)性方程和伯努利方程可知，由于文氏管喉部進(jìn)一步變窄，空氣流速增大，壓力進(jìn)一步減小，導(dǎo)致文氏管喉部和浮子室內(nèi)的壓力差進(jìn)一步增大，從而使噴出的燃油增多。這樣，一方面進(jìn)氣減少，另一方面噴出的燃油增多，這一減一增就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)富油。所以，就出現(xiàn)排氣管冒黑煙，發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)故障，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過富油停車，有很大的安全隱患。

3 維護(hù)中應(yīng)注意事項(xiàng)

燃油系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要系統(tǒng)，它的工作正常與否對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作至關(guān)重要。氈墊由三個(gè)鋼質(zhì)訂書針固定在后擋板上，由于鋼絲直徑較小，氈墊在氣流和加溫活門摩擦力長(zhǎng)時(shí)間的作用下，逐漸被鋼絲磨穿而脫落。維護(hù)中嚴(yán)格執(zhí)行工作單中的檢查程序，檢查氈墊的固定情況。發(fā)現(xiàn)鋼絲有松動(dòng)或脫落，氈墊有磨損或被鋼絲磨穿，及時(shí)對(duì)鋼絲和氈墊進(jìn)行處理，預(yù)防氈墊脫落，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常。