一起DA42NG飛機(jī)發(fā)動機(jī)地面停車的故障分析

摘要：燃油系統(tǒng)是活塞發(fā)動機(jī)極其關(guān)鍵的系統(tǒng)，本文以DA42NG飛機(jī)E4-C型發(fā)動機(jī)為研究對象，從一起DA42NG飛機(jī)低壓燃油泵跳開關(guān)彈出導(dǎo)致發(fā)動機(jī)地面停車的故障入手進(jìn)行分析。借助WIZARD發(fā)動機(jī)監(jiān)控軟件對故障進(jìn)行試驗驗證，探究該型發(fā)動機(jī)ECU對于燃油系統(tǒng)的控制邏輯，并對日常維護(hù)及使用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：E4-C型發(fā)動機(jī);燃油泵;ECU控制

0? 引言

DA42NG飛機(jī)搭載了兩臺Austro發(fā)動機(jī)公司生產(chǎn)的E4-C型航空煤油發(fā)動機(jī)。采用液體冷卻、直列四沖程四氣缸、配有雙頂置凸輪（DOHC）并利用共軌技術(shù)實現(xiàn)燃油直噴。所有發(fā)動機(jī)部件都由EECU系統(tǒng)控制。該型發(fā)動機(jī)的燃油系統(tǒng)由油箱、兩個并聯(lián)的低壓燃油泵、燃油壓力傳感器、高壓燃油泵、燃油計量組件、高壓燃油共軌、共軌壓力傳感器、共軌控制活門、燃油噴嘴等部件構(gòu)成，各部件協(xié)同配合工作以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的功能。近期，某公司待出廠的一架DA42NG飛機(jī)在進(jìn)行地面試車時，右發(fā)正常啟動后置于慢車位（約710RPM）暖機(jī)過程中，低壓燃油泵B跳開關(guān)彈出，發(fā)動機(jī)停車，讀取ECU數(shù)據(jù)出現(xiàn)“2047 common rail， metering unit failure”故障代碼。依據(jù)飛機(jī)維護(hù)手冊描述：當(dāng)ECU監(jiān)測到燃油壓力低時，會進(jìn)行ECU通道切換。如果該故障發(fā)生時ECU進(jìn)行了通道切換，互為備份的另一ECU通道控制的低壓燃油泵應(yīng)接管工作，持續(xù)保障發(fā)動機(jī)的供油，發(fā)動機(jī)應(yīng)在供油短暫波動后恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故障是否觸發(fā)ECU通道切換，如果ECU通道切換后發(fā)動機(jī)停車的原因有待證實。

發(fā)動機(jī)停車屬嚴(yán)重威脅航空器運(yùn)行安全的事件。針對該起發(fā)動機(jī)地面意外停車故障，為探究其故障機(jī)理、找到預(yù)防措施并且為日常維護(hù)和操作提出建議，展開了理論和實際相結(jié)合的研究。

1? 低壓燃油泵相關(guān)部件工作原理

每臺發(fā)動機(jī)的燃油供油管路上有兩個獨(dú)立的低壓燃油泵為發(fā)動機(jī)高壓燃油泵供油，低壓燃油泵組件由預(yù)濾網(wǎng)、泵體以及單向活門組成（如圖1）。正常工作情況，ECU會自動選擇一通道控制該通道低壓燃油泵工作，ECU A控制A泵，ECU B控制B泵。而在起飛、著陸或發(fā)生燃油系統(tǒng)緊急狀況時，可手動選擇超控雙泵同時工作以保證系統(tǒng)足夠的供油量。

低壓燃油泵控制電路由跳開關(guān)、繼電器和低壓燃油泵構(gòu)成，且A、B泵電路為并聯(lián)關(guān)系，相互獨(dú)立。當(dāng)正在工作的低壓燃油泵跳開關(guān)斷開連接，低壓燃油泵通電中斷，泵停止工作。依據(jù)Austro發(fā)動機(jī)公司E4系列發(fā)動機(jī)操作手冊描述，ECU故障碼“2047 common rail， metering unit failure”屬于觸發(fā)ECU通道自動切換的非鎖定警戒信息。

為進(jìn)一步分析該事件機(jī)理及ECU控制邏輯，進(jìn)行以下試驗。

2? 地面試驗

試驗選取了2架某單位DA42NG飛機(jī)作為樣本，考慮到高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行該試驗可能造成高壓燃油泵的損傷，綜合研判后擬定的驗證方案為：①接通外接電源后在發(fā)動機(jī)主開關(guān)接通的情況下，模擬低壓燃油泵彈出情況，判斷ECU控制通道的切換情況;②慢車狀態(tài)（710RPM左右）下，判斷ACTIVE ECU工作通道，拔出該通道低壓燃油泵跳開關(guān)驗證發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況及ECU通道切換情況;③提升螺旋槳轉(zhuǎn)速至900RPM左右，重復(fù)2操作;④正常慢車啟動發(fā)動機(jī)后判斷初始ACTIVE ECU工作通道，手動將ECU選擇在另一通道位，拔出初始控制通道低壓燃油泵跳開關(guān)，隨后將ECU控制開關(guān)撥回AUTO位，觀察發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況及ECU通道切換情況;⑤模擬發(fā)動機(jī)一低壓燃油泵跳開關(guān)拔出時，多種情況下發(fā)動機(jī)能否啟動。

驗證方案通過Wizard發(fā)動機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行實時輔助監(jiān)控并采集試驗數(shù)據(jù)。主要參考的數(shù)據(jù)有螺旋槳轉(zhuǎn)速（Propeller speed）、發(fā)動機(jī)狀態(tài)（Engine status）和燃油壓力（Fuel pressure）。其中發(fā)動機(jī)狀態(tài) 8位二進(jìn)制第56位為00表示ECU A通道控制，為11表示ECU B通道控制。燃油壓力代表低壓燃油泵出口至高壓燃油泵之前的燃油壓力。具體的試驗步驟及結(jié)果如下：

試驗1.1：接通地面電源，接通左發(fā)主電門，此時為ECU A控制，拔出左發(fā)A泵跳開關(guān)，ECU仍為ECU A控制，ECU通道未切換，無ECU故障代碼觸發(fā)。

試驗1.2：接通右發(fā)主電門，此時為ECU B控制，拔出左發(fā)B泵跳開關(guān)，ECU仍為ECU B控制，ECU通道未切換，無ECU故障代碼觸發(fā)。

試驗2.1：慢車位710RPM，ECU自動位，此時為ECU A控制，拔B泵跳開關(guān)，發(fā)動機(jī)無任何影響;恢復(fù)B泵跳開關(guān)，拔A泵跳開關(guān)，PFD出現(xiàn)“L ECU A FAIL”警戒信息，發(fā)動機(jī)停車。分析ECU數(shù)據(jù)，當(dāng)拔出A泵跳開關(guān)時，A泵停止工作，燃油壓力2秒內(nèi)從4285hpa驟降至109hpa后ECU切換至ECU B，B泵開始工作，當(dāng)燃油壓力重新恢復(fù)時發(fā)動機(jī)已停車。拔A泵跳開關(guān)后螺旋槳轉(zhuǎn)速、燃油壓力、ECU工作通道詳情見圖2。

試驗3.1：將左發(fā)螺旋槳轉(zhuǎn)速提升至936RPM，ECU自動位，此時為ECU B控制，拔出B泵跳開關(guān)，燃油壓力在1秒內(nèi)由4529hPa降為109hPa，ECU切換至ECUA控制，轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)降到566RPM后迅速上升，發(fā)動機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行，此時PFD出現(xiàn)“L ECU B FAIL警戒”;恢復(fù)B泵跳開關(guān)，拔出A泵跳開關(guān)，PFD出現(xiàn)“L ECU A FAIL” 警戒信息 ，燃油壓力降低后重建不及時，發(fā)動機(jī)停車;讀取ECU數(shù)據(jù)，ECU A、B通道均出現(xiàn)“common rail， metering unit failure”故障代碼;兩次拔出低壓燃油泵后螺旋槳轉(zhuǎn)速、燃油壓力、ECU工作通道詳情見圖3。

試驗4.1：螺旋槳轉(zhuǎn)速900RPM，ECU AUTO位，此時為ECU A控制，人工選擇ECU B，拔出A泵跳開關(guān)，操作恢復(fù)ECU至AUTO位。此時，ECU通道首先切換回ECU A控制，當(dāng)油壓下降后，立即再次切換回ECU B控制，螺旋槳轉(zhuǎn)速在短暫下降后再次升高，發(fā)動機(jī)運(yùn)行恢復(fù)正常;

試驗5.1：ECU自動位，此時為ECU A控制，拔出泵A跳開關(guān)，ECU未切換通道，發(fā)動機(jī)不能啟動。

試驗5.2：ECU自動位，此時為ECU A控制，拔出泵A跳開關(guān)，打開雙泵超控開關(guān)，正常啟動。

試驗5.3：ECU手動選擇至B位，拔出泵A跳開關(guān)，發(fā)動機(jī)能正常啟動。

3? 討論與分析

因考慮到頻繁進(jìn)行相關(guān)試驗可能對發(fā)動機(jī)高壓燃油泵產(chǎn)生損傷，試驗樣本量有限?；诋?dāng)前收集的試驗樣本，并結(jié)合廠家適航性資料研讀，作以下分析：

①該起故障原因。直接原因為低壓燃油泵跳開關(guān)損壞，在使用過程中失效彈開。深層原因為ECU通道切換需要一定的時間，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于慢車狀態(tài)時轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)燃油壓力重新恢復(fù)時發(fā)動機(jī)已停車。重復(fù)多次試驗均得出，當(dāng)發(fā)生單個正在工作的低壓燃油泵跳開關(guān)彈出故障時，ECU均能切換至另一通道的低壓燃油泵工作，與飛機(jī)維護(hù)手冊描述一致。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于慢車轉(zhuǎn)速且無ECU故障代碼觸發(fā)的情況下，發(fā)動機(jī)在經(jīng)歷短暫掉轉(zhuǎn)后能恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

②ECU選擇及切換通道的邏輯。參考試驗1.1和1.2，當(dāng)發(fā)動機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)時，單個正在工作的低壓燃油泵跳開關(guān)彈出，ECU 不會切換通道，無ECU故障代碼觸發(fā)。說明僅有燃油壓力傳感（經(jīng)查看GARMIN G1000NXI SD卡數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)主電門接通、未啟動發(fā)動機(jī)時，已有燃油壓力傳感指示）不足以觸發(fā)ECU產(chǎn)生警戒信息，從而未執(zhí)行切換ECU通道的操作。參考試驗2.1、3.1等多次試驗，被切換的ECU通道會出現(xiàn)“2047 common rail，metering unit failuer”故障代碼，依據(jù)Austro發(fā)動機(jī)公司E4系列發(fā)動機(jī)操作手冊描述，該ECU故障碼屬于觸發(fā)ECU通道自動切換的非鎖定警戒信息。該故障碼直接觸發(fā)ECU通道自動切換（SWITCH OVER），進(jìn)一步證明發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中低壓燃油泵跳開關(guān)彈出時，ECU通道會切換。參考試驗4.1 ECU VOTER的初始選擇邏輯很大程度取決于當(dāng)時ECUA和ECUB分別的控制時間，優(yōu)先選擇使用時間較少的ECU通道進(jìn)行控制，但只要監(jiān)測到當(dāng)前ECU存在可以導(dǎo)致ECU切換的觸發(fā)條件時，會立即進(jìn)行切換。這也就是為什么4.1的試驗中，ECU會短時間內(nèi)迅速進(jìn)行兩次切換操作的原因。

③風(fēng)險分析。參考試驗2.1、3.1等多次試驗，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，單個正在工作的低壓燃油泵跳開關(guān)彈出，ECU會自動切換到另一通道從而控制該通道低壓燃油泵工作，繼續(xù)為發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)供油。但是，因慢車轉(zhuǎn)速較低，存在因燃油壓力建立不及時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車的風(fēng)險，試驗樣本中螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到820RPM以上時，沒有出現(xiàn)停車現(xiàn)象，飛行過程中轉(zhuǎn)速會更高，理論上因低壓燃油泵跳開關(guān)彈出而導(dǎo)致停車的可能性很低。如在飛行過程中出現(xiàn)低壓燃油泵跳開關(guān)彈出的情況，飛行員在發(fā)現(xiàn)PFD出現(xiàn)“L/R FUEL PRESS”以及“L/R ECU A/B FAIL”信息時，應(yīng)嚴(yán)格按照AFM手冊相關(guān)章節(jié)“將發(fā)動機(jī)低壓燃油泵開關(guān)置于開位”的操作要求進(jìn)行操作，可以進(jìn)一步保障飛行安全。與此同時，如故障信息仍保留，應(yīng)盡快在合適的機(jī)場著陸并及時通知機(jī)務(wù)人員進(jìn)行故障排除，并清除故障信息。對于機(jī)務(wù)人員，執(zhí)行飛機(jī)定檢時應(yīng)加強(qiáng)對跳開關(guān)的功能檢查。

④值得進(jìn)一步研究的問題。在測試3.1中，當(dāng)發(fā)動機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)且PFD出現(xiàn)“L ECU B FAIL”警戒信息后恢復(fù)B泵跳開關(guān)，拔出A泵跳開關(guān)，ECU切換回B通道控制，PFD出現(xiàn)“L ECU A FAIL” 警戒信息，燃油壓力降低后重建時，發(fā)動機(jī)已停車。在不同的轉(zhuǎn)速情況下重復(fù)了幾次類似操作，結(jié)果一致。換言之當(dāng)系統(tǒng)已有ECU警戒信息時，當(dāng)ECU監(jiān)測到燃油壓力低時，仍然會進(jìn)行ECU通道切換，燃油壓力在短暫下降后也會重新恢復(fù)，但此狀態(tài)下發(fā)動機(jī)停車原因還需廠家及各用戶進(jìn)一步探討。

4? 結(jié)語

飛機(jī)燃油系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定工作對于飛機(jī)的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文以一起DA42NG飛機(jī)低壓燃油泵跳開關(guān)彈出導(dǎo)致地面停車的故障事件入手，對該型飛機(jī)的燃油系統(tǒng)ECU控制進(jìn)行了理論和實踐的研究。當(dāng)出現(xiàn)單個正在工作的低壓燃油泵跳開關(guān)彈出時，ECU監(jiān)測到燃油壓力低后均會切換至另一個通道進(jìn)行控制，從而繼續(xù)保障燃油系統(tǒng)中低壓燃油泵的供油，并且在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高于慢車轉(zhuǎn)速時，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)停車的可能性很小。該型飛機(jī)低壓燃油泵跳開關(guān)故障對于飛行安全的影響較小，但仍需在日常維護(hù)及操作中加強(qiáng)對其功能的檢查。

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