基于EGT曲線的活塞式航空發(fā)動機性能分析

周躍飛 郭湘川 任 可 楊 暢

（中國民用航空飛行學院，廣漢 618307）

排氣溫度 （Exhaust Gas Temperature，EGT）是指發(fā)動機排氣管處所探測的廢氣溫度，它是活塞式航空發(fā)動機的一個重要參數(shù)。大多數(shù)活塞式航空發(fā)動機都有一個EGT傳感器和一個EGT指示器。EGT傳感器實質(zhì)上是一個熱電偶，它的工作原理是通過兩種不同材料的導體兩端連接成回路的賽貝克效應，如果兩端溫度不同，在回路內(nèi)將產(chǎn)生熱電動勢的物理現(xiàn)象，熱電偶產(chǎn)生的微小電壓與探頭溫度成正比。本文將結(jié)合塞斯納C172R飛機萊康明IO-360-L2A發(fā)動機的發(fā)動機功率、燃油經(jīng)濟性與EGT的關(guān)系曲線對發(fā)動機的性能參數(shù)進行分析。

1 EGT與油氣混合比的關(guān)系

1.1 峰值EGT

EGT是反映發(fā)動機各氣缸內(nèi)燃氣混合氣燃燒狀況的一個參數(shù)，通過觀測EGT值，即可知道進入該氣缸的燃油和空氣混合比狀況。通常，業(yè)內(nèi)將燃油過多的油氣混合氣定義為富油，把空氣過量的油氣混合氣稱為貧油。航空發(fā)動機的油氣混合比是通過一根特設(shè)的“混合比桿”來操作的，混合比桿前推到底為全富油狀態(tài)。

當將混合比往富油方向調(diào)整時，發(fā)動機內(nèi)會有由于空氣不足而未完全燃燒的燃油，未燃燒的燃油將攜帶缸內(nèi)的部分熱量隨廢氣排出，導致EGT下降。當將混合比往貧油方向調(diào)整時，會出現(xiàn)沒有足夠的燃油與進入的空氣匹配，這將減弱發(fā)動機的做工能量，EGT也將隨之降低。當燃油和空氣的比值為某一特定值時，進入氣缸的燃油和空氣剛好分別燃燒完全，此時所測得的EGT最高，稱為峰值EGT。而該特定的油氣混合比比值稱為油氣混合比的理想配比。

1.2 油氣混合理想配比的計算

航空汽油的主要化學成分為脂肪烴和環(huán)烷烴類及一定量的芳香烴，分子結(jié)構(gòu)式為C8H18，汽油燃燒化學反應公式如下：

依質(zhì)量計，其燃燒前后的相對分子質(zhì)量為：(12×8+1×18)+(12.5×16×2)→ 8×(12+16×2)+9×(1×2+16)即：

可以看出，按相對分子質(zhì)量計算，在汽油和氧化劑比例為114：400時，可完全燃燒生成二氧化碳和水。依據(jù)該比值，燃燒1kg汽油(C8H18)，需3.5kg氧氣。

根據(jù)氧氣在空氣中的含量，設(shè)所需空氣質(zhì)量為G ：

式中，W為空氣中氧氣的質(zhì)量分數(shù)，且已知W=0.23。

將W=0.23代入式（2）中，計算得出：G=15.2。

這意味著，每1kg的航空汽油完全燃燒需消耗約15kg的空氣。1：15.2為理想配比，在油氣混合氣的理想配比下，燃油質(zhì)量與使其完全燃燒的氧化劑（氧氣）質(zhì)量剛好匹配。

1.3 飛行中貧富油的調(diào)整

上述分析的油氣混合理想配比的前提是飛機靜止停放在地面上，但在實際飛行中飛機高度、大氣溫度、空氣密度等條件都會隨時改變，而這些都恰恰與密度高度緊密相關(guān)。

密度高度是將氣壓高度進行了溫度修正后的高度，其最主要的目的是讓飛行員和飛機設(shè)計制造單位計算并了解正確的飛機性能。一個密度高度對應一個空氣密度，如果溫度升高，密度高度增加。密度高度增加意味著空氣密度下降，以及飛機飛行性能的降低。密度高度增加后，發(fā)動機也易富油，此時應適當對發(fā)動機微調(diào)貧油以便增加發(fā)動機功率，使發(fā)動機工作更穩(wěn)定。對于選裝了G1000電子設(shè)備的C172R飛機，還可以通過MFD輔助頁面查看其密度高度。

按照塞斯納C172R飛機飛行手冊要求，若飛機起飛時密度高度超過3000m，就必須調(diào)整貧富油。起飛時貧富油的設(shè)置：由于在貧油狀態(tài)下發(fā)動機推大功率可能發(fā)生早燃，使發(fā)動機工作不穩(wěn)定，而發(fā)動機在富油狀態(tài)時工作相對穩(wěn)定，且富油時多余的燃油還可降低氣缸頭溫度，冷卻發(fā)動機，并減小發(fā)動機爆震的概率，因此，在起飛時發(fā)動機貧富油需設(shè)在富油狀態(tài)。飛行中貧富油的設(shè)置：整個空中飛行過程包括爬升、巡航和下降共3個階段，每個階段都有自己的貧富油調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)萊康明發(fā)動機公司提供的資料和C172R飛機飛行手冊要求，在爬升階段應注意不要調(diào)節(jié)到全富油狀態(tài)，否則可能導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定，在巡航階段不論高度如何變化，為節(jié)約航油，提高燃油經(jīng)濟性，都可以調(diào)節(jié)貧富油在貧油狀態(tài)，下降階段則應隨著飛行高度的降低逐漸向富油狀態(tài)調(diào)整混合比。

2 EGT曲線的研究意義

2.1 設(shè)置油氣混合比

圖1為萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機EGT及相關(guān)參數(shù)曲線示意圖，其上半部分顯示了EGT隨燃油空氣混合比比值變化，飛行員操作油氣混合比桿可以控制這一比值，前推油氣混合比桿增加燃油供給，油氣比比值增大，前推至底為全富油狀態(tài)，反之后拉至底為全貧油狀態(tài)。

圖1 萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機EGT及相關(guān)參數(shù)曲線示意圖

當燃油與空氣比值為理想配比0.066（1：15.2）時，EGT達到峰值，如圖1中虛線所示。飛行員可以根據(jù)需要將油氣混合比設(shè)置在峰值的左側(cè)，即稍貧油狀態(tài)；或者將油氣混合比設(shè)置在峰值的右側(cè)，即稍富油狀態(tài)。其中，離峰值左側(cè)越遠的區(qū)域為過貧油狀態(tài)。此時，發(fā)動機將因為供給的燃料不足而不能工作；相反，離峰值右側(cè)越遠的區(qū)域為過富油狀態(tài)，此時發(fā)動機又將因為缺乏空氣而不能工作。活塞式航空發(fā)動機要在一個起降過程中的各種飛行高度穩(wěn)定工作，必須在地面起飛前，通過觀察EGT峰值，來設(shè)置油氣混合比。飛機制造商通常給出的油氣混合比設(shè)置點是EGT峰值溫度的-100℉（-73.3℃）。

由圖1可知，峰值 EGT 隨發(fā)動機輸出功率的增加而升高，大多數(shù)活塞式航空發(fā)動機的最高峰值EGT大約是1570℉（854℃）。

2.2顯示最大可用功率

圖1下半部分顯示了萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機功率隨燃油空氣混合比比值變化，把發(fā)動機油氣混合比設(shè)置在EGT峰值溫度的富油側(cè)-100℉（-73.3℃）將產(chǎn)生最大功率值，此時油氣混合比是0.083，該混合比臨近區(qū)域稱為最大巡航功率區(qū)域，如圖1中右面陰影部分所示。此時，發(fā)動機產(chǎn)生最大可用功率，但發(fā)動機將比峰值EGT時多消耗26%的燃油。

活塞式發(fā)動機飛機通常通過調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速和螺旋槳槳葉角度來改變發(fā)動機輸出功率，因此飛機儀表板沒有專用于指示發(fā)動機輸出功率的儀表。但依據(jù)上述EGT與最大功率的關(guān)系，飛行員可以通過觀察EGT的數(shù)值變化來控制功率，先將油門桿前推至最大，通過改變油氣混合比使EGT調(diào)整到最大值，然后往富油方向調(diào)整油氣混合比，將EGT值減小100℉（37.8℃）即為最大功率值。

2.3 掌握各氣缸工作狀態(tài)

當飛行員從富油往貧油方向調(diào)整混合比設(shè)置時，通常會發(fā)現(xiàn)每個氣缸的EGT峰值有輕微不同。圖2是Cessna 172R飛機Garmin G1000系統(tǒng)中貧油頁面的圖片，顯示了發(fā)動機4個氣缸的EGT值。但部分發(fā)動機只有單一EGT傳感器，其他氣缸的EGT由于不可見而不受監(jiān)控，此時飛行員可調(diào)整油氣混合比，通過拉混合比桿設(shè)貧油，使EGT到達峰值，然后回推混合比桿讓發(fā)動機富油，使EGT值降低-100℉（37.8℃），以確保所有剩余的氣缸都在EGT峰值富油側(cè)工作。

2.4 控制燃油經(jīng)濟性

關(guān)于活塞式航空發(fā)動機在EGT峰值貧油側(cè)工作可以節(jié)約燃油的論斷，行業(yè)內(nèi)一直持有爭論，以前的觀點認為這將燒毀發(fā)動機；但分析圖1發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機可以工作在EGT峰值相同溫度的富油側(cè)，也一定可以工作在貧油側(cè)。

由圖1可知，當油氣混合比為0.059，即1kg的燃油配比17kg的空氣時，發(fā)動機運行在峰值EGT貧油側(cè)-100℉（-73.3℃），相對于最大功率時節(jié)約燃油41%。查看功率曲線發(fā)現(xiàn)，此時功率僅比最大功率減少約6%。通過Cessna 172R飛機進行驗證其飛行速度相應地從240km/h降低為226km/h，僅減少 14km/h，但燃油經(jīng)濟性卻得到大幅度提升。

2.5 監(jiān)控發(fā)動機的損傷

如果持續(xù)較長時間的高EGT值，將會對發(fā)動機活塞造成損傷，包括活塞變形、融化、燒灼、穿洞、裂縫等，而且這種損傷還是不斷累積的。如果活塞頂面有輕微蝕燒，發(fā)動機可以暫時繼續(xù)運行，但如果EGT再次過高，將會造成更大的傷害，如此反復，直至發(fā)動機活塞失效?；钊娇掌魇菫碾y性的，當活塞遭受損壞時，由于鋁比鋼或鑄鐵具有較低的硬度和熔化溫度，損壞的活塞及連桿將摧毀發(fā)動機內(nèi)部由鋁及鋁合金制成的部件。過高的EGT也會導致排氣歧管和缸蓋裂紋，排氣閥也會在高EGT時失效卡阻。這些部件的損壞、卡阻將導致發(fā)動機失效，造成發(fā)動機在空中停止運行，嚴重影響飛行安全。為避免出現(xiàn)嚴重后果，當發(fā)生EGT過高事件后，最低限度的維護措施是對發(fā)動機進行修理，這也就意味著需要昂貴的維修費用。

為此，必須明確EGT的上限峰值。活塞式航空發(fā)動機 EGT 在 1350oF（732℃）~1400oF（760℃）是安全的工作溫度，在這區(qū)間可以持續(xù)正常工作。超過 1400oF （760℃）時雖然允許運行，但不宜長時間工作，否則將影響發(fā)動機的性能。超過1500oF（815℃）時，發(fā)動機受損是必然后果，而且EGT越高，發(fā)動機受損失效的時間就越短。如果超過1500oF（815℃），必須對發(fā)動機進行大修檢查，必要時需更換受損部件或報廢整臺發(fā)動機。

3 結(jié)束語

EGT是反映發(fā)動機工作性能的一個重要參數(shù)，可以通過測量EGT實時掌握航空發(fā)動機的性能，確保發(fā)動機正常穩(wěn)定可靠運行。飛行員可以參照EGT性能曲線設(shè)定發(fā)動機的最大功率、最佳經(jīng)濟性能等工作狀態(tài)；維修人員可以通過監(jiān)視EGT值對發(fā)動機進行健康測評，酌情予以維修和更換，從而避免經(jīng)濟損失的擴大，以及危及飛行安全的發(fā)動機故障事故的發(fā)生。另外，了解EGT與油耗和發(fā)動機功率的關(guān)系，對燃油管理、飛行范圍、續(xù)航能力和發(fā)動機操作還將起到?jīng)Q策和指引作用，從而確保飛機安全可靠的運行。