AE300 發(fā)動機調(diào)速器原理及常見故障探究*

■ 李光耀/中國民用航空飛行學(xué)院洛陽分院

DA42NG飛機搭載Austro Engine公司設(shè)計的渦輪增壓式4 缸電控高壓共軌AE300 航空發(fā)動機，其使用了Mt-Propeller 公司的MTV-6-R-C-F 三葉木質(zhì)螺旋槳和P-877-16 型電子式調(diào)速器。

1 AE300 發(fā)動機調(diào)速器調(diào)速原理

P-877-16 型調(diào)速器與傳統(tǒng)純機械式調(diào)速器相比，二者在機械原理上基本相同，區(qū)別在于將原來的人工變距桿改為由EECU 控制下的“電機作動變距桿”。

如圖1 所示，40 是離心飛重，48是飛重彈簧，52 是控制活塞，54 是作動桿，56 是作動桿軸，58 是作動電機，B 是帶螺紋的轉(zhuǎn)動軸，A 是旋擰在轉(zhuǎn)動軸B 上的螺帽。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，B 在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，螺帽A 在軸上發(fā)生相對運動，帶動作動軸54 壓縮或拉出控制活塞52，從而改變飛重控制彈簧48的預(yù)緊力，從而改變調(diào)速器的設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖1 P-877-16型調(diào)速器原理示意圖

DA42NG 飛機的螺旋槳調(diào)速受功率桿和EECU 的控制，每個功率桿上連接兩個功率桿位置傳感器（角度傳感器），分別為對應(yīng)發(fā)動機的ECU A 與ECU B使用，而每個功率桿位置傳感器有兩路輸出，一路輸出范圍為0.1 ～0.9Vcc（設(shè)為X 信號），一路輸出范圍為0.05 ～0.45Vcc（設(shè)為Y 信號），Vcc 是功率桿位置傳感器的供電電壓。ECU 實時監(jiān)控功率桿位置傳感器的兩路輸出，并在完成傳感器的輸出范圍檢測及可信性檢測（X≈2Y）后，將信號線性化（電壓信號轉(zhuǎn)換為功率桿位置百分比）并濾波后得出當(dāng)前功率桿的實時位置。ECU會在已設(shè)定好的“功率桿位置-目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)表（見圖2）”中查找當(dāng)前功率桿位置所對應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過比對螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速，得出轉(zhuǎn)速差值，并根據(jù)調(diào)速器電機當(dāng)前所在位置（最大可調(diào)轉(zhuǎn)速限動位、最小可調(diào)轉(zhuǎn)速限動位、中間位），來決定是否發(fā)出依據(jù)ECU 電壓修正后的PWM 調(diào)速信號，使電機轉(zhuǎn)動以改變飛重彈簧的預(yù)緊力，從而改變調(diào)速器的設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖2 AE300發(fā)動機功率桿-螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線

與此同時，ECU 會根據(jù)功率桿位置、當(dāng)前發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并經(jīng)過一系列修正、限制后得出發(fā)動機目標(biāo)扭矩值，根據(jù)扭矩得出噴油量及目標(biāo)進氣壓力，通過改變進氣壓力和噴油量輸出目標(biāo)扭矩，使螺旋槳加速或者減速，并最終在螺旋槳上得到當(dāng)前空速下的扭矩平衡狀態(tài)槳葉角（見圖3）。

圖3 AE300螺旋槳調(diào)速原理圖

地面試車時，靜止無風(fēng)狀態(tài)下，在螺旋槳轉(zhuǎn)速大約小于等于1960 轉(zhuǎn)之前，因為螺旋槳的轉(zhuǎn)速總是小于功率桿對應(yīng)位置的設(shè)定轉(zhuǎn)速，調(diào)速器始終為“小距”油路，靠發(fā)動機功率的增加與螺旋槳最小槳葉角的配合來增加轉(zhuǎn)速，大約從1960 轉(zhuǎn)、60%功率桿位置起，最小槳葉角狀態(tài)下的螺旋槳轉(zhuǎn)速才開始大于等于功率桿位置對應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，調(diào)速器電機開始動作，調(diào)速器開始真正起到調(diào)速作用，也就是俗稱的“調(diào)速器介入”。緩慢推功率桿至螺旋槳轉(zhuǎn)速為2050 ～2150 轉(zhuǎn)之間時，應(yīng)能聽到螺旋槳變距的聲音，此時功率桿位置約為60%，螺旋槳掉轉(zhuǎn)至1960 轉(zhuǎn)左右。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速大于螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速時，ECU輸出令調(diào)速器電機向“小設(shè)定轉(zhuǎn)速”方向轉(zhuǎn)動的PWM 波，數(shù)據(jù)圖形上表現(xiàn)為PWM 的占空比大于零；當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速小于螺旋槳當(dāng)前轉(zhuǎn)速時，ECU 輸出令調(diào)速器電機向“大設(shè)定轉(zhuǎn)速”方向轉(zhuǎn)動的PWM 波，數(shù)據(jù)圖形上表現(xiàn)為PWM 的占空比小于零（PWM 波的占空比不可能小于零，此處的大于小于零主要是指電機運轉(zhuǎn)方向）。

地面試車時，當(dāng)發(fā)動機電門打開時，回槳儲壓器電磁閥打開，順槳電磁閥關(guān)閉，回槳儲壓器中存儲的壓力通過調(diào)速器的小距油路釋放至螺旋槳槳缸，令螺旋槳回到最小槳葉角。地面靜止無風(fēng)狀態(tài)下，螺旋槳轉(zhuǎn)速約小于1960 轉(zhuǎn)之前，因地面螺旋槳實際轉(zhuǎn)速始終小于ECU的設(shè)定轉(zhuǎn)速，調(diào)速器始終處于“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速”位置，不斷向螺旋槳內(nèi)注入變小距的高壓油，令螺旋槳始終處于“最小槳葉角”。在2050 ～2150 轉(zhuǎn)之間，螺旋槳最小槳葉角和當(dāng)前發(fā)動機輸出扭矩的組合所產(chǎn)生的結(jié)果會使螺旋槳的實際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時螺旋槳開始變大距，調(diào)速器電機從最大可調(diào)轉(zhuǎn)速位到達(dá)中間位，轉(zhuǎn)速降至1960 轉(zhuǎn)左右；繼續(xù)推功率桿，發(fā)動機扭矩增加，調(diào)速器電機根據(jù)當(dāng)前螺旋槳轉(zhuǎn)速與目標(biāo)螺旋槳轉(zhuǎn)速的差值調(diào)整向“大設(shè)定轉(zhuǎn)速”方向運動的速度，差值越大，電機運動速度越快，直至功率桿到達(dá)100%位，且調(diào)速器電機運動到調(diào)速器內(nèi)部的“最大位限動”開關(guān)閉合為止。

2 AE300 發(fā)動機調(diào)速器的“調(diào)速間隙”

經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，AE300 發(fā)動機的調(diào)速器存在“調(diào)速間隙”，即調(diào)速器同樣處于“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速位置開關(guān)”接通狀態(tài)，發(fā)動機達(dá)到的最終轉(zhuǎn)速卻不同。主要原因在于調(diào)速器電機向“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速”方向運動至馬上要接通“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速開關(guān)”的最末時刻的運動速度不同。最末時刻的電機運動速度越大，其將“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速開關(guān)”壓得越緊，相應(yīng)的飛重彈簧的預(yù)緊力也越大，調(diào)速器的當(dāng)前可調(diào)轉(zhuǎn)速也越大，表現(xiàn)為大車轉(zhuǎn)速越大；最末時刻的電機運動速度越小，其電機雖然將“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速開關(guān)”壓通，但卻沒有速度大時壓得緊，相應(yīng)的飛重彈簧的預(yù)緊力也越小，調(diào)速器的當(dāng)前可調(diào)轉(zhuǎn)速也越小，表現(xiàn)為大車轉(zhuǎn)速越小。

一般情況下，推功率桿至最前位，而后收功率桿至2000 轉(zhuǎn)，然后快速收功率桿至慢車位，這時在收功率桿的過程中，螺旋槳的實際平均轉(zhuǎn)速小于螺旋槳的目標(biāo)轉(zhuǎn)速較多，調(diào)速器電機向“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速”方向運動速度快，“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速開關(guān)”壓得緊。此時，以較快的速度推功率桿至最前位，全程均無調(diào)速信號，即調(diào)速器電機停留在上次收油門時所處的“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速”位上未動，因其壓得緊，螺旋槳最終達(dá)到的大車轉(zhuǎn)速較高（螺旋槳因轉(zhuǎn)動慣性和調(diào)速器飛重感知螺旋槳超速較晚而導(dǎo)致螺旋槳超過2300 轉(zhuǎn)以上，而后調(diào)速器受調(diào)速信號回調(diào)電機來降轉(zhuǎn)速的除外，若不想出現(xiàn)螺旋槳地面瞬間超2300 轉(zhuǎn)，可以適當(dāng)降低調(diào)速器的最大機械可調(diào)轉(zhuǎn)速，使調(diào)速器的飛重機構(gòu)更早感知螺旋槳已超速，以降低螺旋槳的瞬間慣性轉(zhuǎn)速）。若以緩慢的速度推功率桿至最前位，尤其是2000 轉(zhuǎn)以后放慢推功率桿速度，因調(diào)速器電機會以較小的行進速度向“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速”方向運動，直至壓通“最大可調(diào)轉(zhuǎn)速開關(guān)”，則螺旋槳此時達(dá)到的大車轉(zhuǎn)速會較低。

若要獲得調(diào)速器的“調(diào)速間隙”，可以先推功率桿至最前位，收功率桿至2000 轉(zhuǎn)左右，然后快速收功率桿至慢車位，而后快推功率桿至最前位并等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄此時的螺旋槳大車轉(zhuǎn)速為A（若出現(xiàn)螺旋槳瞬間轉(zhuǎn)速超過2300 轉(zhuǎn)、ECU 回調(diào)螺旋槳轉(zhuǎn)速至小于2300 轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則A 值會偏低），觀察LiveView 中Propeller gov. actuator，endstop status 應(yīng)為2（電機在最大可調(diào)轉(zhuǎn)速位置，觸發(fā)了最大可調(diào)轉(zhuǎn)速位置開關(guān)），而后以較慢的速度收功率桿，Propeller gov. actuator，endstop status 應(yīng)變?yōu)?（調(diào)速器電機在中間位），收至螺旋槳1960 轉(zhuǎn)時，以最慢的速度收功率桿，觀察Propeller speed 與Propeller speed，set point， 令Propeller speed 略微 小 于Propeller speed，set point， 同時 在Propeller gov. actuator，duty cycle出現(xiàn)較為穩(wěn)定的-10%以內(nèi)（越小越好）的調(diào)速信號，停止收功率桿，等待Propeller gov. actuator，endstop status 變?yōu)?，快速推功率桿至最前位，記錄此時的螺旋槳大車轉(zhuǎn)速為B，則A 與B 的差值即為該調(diào)速器的調(diào)速間隙。

因調(diào)速器調(diào)速間隙的存在，在DA42NG 飛機定檢試車的大車轉(zhuǎn)速檢查中，建議應(yīng)確保在快推功率桿至最前位和緩慢推功率桿至最前位兩種情況下，均可令螺旋槳轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2250 ～2300轉(zhuǎn)之間，這樣可以盡量保證飛行人員在任意位置上以任意速度推功率桿至最前位時，螺旋槳最終轉(zhuǎn)速均可達(dá)到2250 ～2300 轉(zhuǎn)。

3 AE300 發(fā)動機調(diào)速器卡阻

AE300 發(fā)動機的調(diào)速器出現(xiàn)過多次卡阻，主要表現(xiàn)為調(diào)速器電機卡在最大可調(diào)轉(zhuǎn)速位置上不動，空中收功率桿，轉(zhuǎn)速幾乎不降（典型表現(xiàn)為空速合適的情況下，空中功率桿30%多及以上位置，螺旋槳依然處于大車轉(zhuǎn)速狀態(tài)）。地面上表現(xiàn)為進入大車早（大約75%功率已進入大車），且螺旋槳1960 轉(zhuǎn)左右“無變距聲音和現(xiàn)象”，大車位收功率桿至75%功率前，轉(zhuǎn)速幾乎不下降。查看發(fā)動機數(shù)據(jù)，可看到“長時間、平臺型、占空比100%的調(diào)速信號”（正常情況下調(diào)速信號不會出現(xiàn)長時間占空比為100%的平臺型調(diào)速信號），如圖4 所示。目前分析認(rèn)為，令調(diào)速器卡阻最可能的主要原因有兩個，一是ECU 軟件的功率桿與螺旋槳目標(biāo)轉(zhuǎn)速曲線，令調(diào)速器電機在收功率桿時（與推功率桿至最前位原理相同，相比推功率桿至最前位，收功率桿動作更為頻繁）以較大速度接近、“壓緊”最大可調(diào)轉(zhuǎn)速的螺釘，久而久之，快速碰撞越多，其電機與旋轉(zhuǎn)軸、最大可調(diào)轉(zhuǎn)速螺釘之間會越緊，最終導(dǎo)致電機在反向調(diào)速器信號驅(qū)動下難以反向轉(zhuǎn)動離開最大可調(diào)轉(zhuǎn)速螺釘，出現(xiàn)卡阻。二是外場在調(diào)整調(diào)速器的最大可調(diào)轉(zhuǎn)速螺釘時，未使用工具將調(diào)速器電機驅(qū)動調(diào)到中間位，而是直接向里旋緊最大可調(diào)轉(zhuǎn)速螺釘，令其間接性地用力擠壓、壓緊電機，也可能導(dǎo)致后續(xù)卡阻。

圖4 筆者開發(fā)的AE300發(fā)動機數(shù)據(jù)分析軟件中導(dǎo)出的典型的調(diào)速器空中卡阻圖

筆者也曾遇到調(diào)速器電機卡在最小轉(zhuǎn)速設(shè)定位的情況，即螺旋槳轉(zhuǎn)速最高約達(dá)到1740 ～1820 轉(zhuǎn)，無法繼續(xù)上升。如圖5 所示，當(dāng)前功率桿位置為100%，螺旋槳轉(zhuǎn)速為1752rpm，調(diào)速器電機的當(dāng)前位置指示（endstop status）為0x2 最大轉(zhuǎn)速設(shè)定位（0x0 為中間位、0x1 為最小轉(zhuǎn)速設(shè)定位、0x2 為最大轉(zhuǎn)速設(shè)定位），但調(diào)速器電機的調(diào)速信號為0.0%。按照AE300 發(fā)動機的功率感螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線，此時螺旋槳轉(zhuǎn)速應(yīng)為2300rpm，當(dāng)前的1752rpm 小于2300rpm，調(diào)速器電機應(yīng)繼續(xù)向最大轉(zhuǎn)速設(shè)定位轉(zhuǎn)動，而此時調(diào)速器實際已卡阻在最小轉(zhuǎn)速設(shè)定位，因最小轉(zhuǎn)速設(shè)定位開關(guān)的接觸電阻較大，EECU 判斷調(diào)速器電機正處于最大設(shè)定位的電壓范圍，即調(diào)速器電機已經(jīng)處于最大轉(zhuǎn)速設(shè)定位0x2，因此EECU 不再給出占空比小于0 的調(diào)速器信號，螺旋槳轉(zhuǎn)速會穩(wěn)定在1752 轉(zhuǎn)左右，無法上升。此類故障前期表現(xiàn)為連續(xù)性的ECU 測試失效。

圖5 調(diào)速器卡阻在最小轉(zhuǎn)速設(shè)定位置圖

4 AE300 發(fā)動機ECU 測試

AE300 發(fā)動機的ECU 測試是ECU、螺旋槳、調(diào)速器、齒輪箱、低壓燃油泵、發(fā)動機本體運轉(zhuǎn)性能的綜合性、交聯(lián)性測試。測試開始時，螺旋槳在最小槳葉角位置上，EECU 選擇當(dāng)前狀態(tài)為Active 的ECU 來自行控制噴油量并匹配調(diào)節(jié)進氣壓力，令螺旋槳轉(zhuǎn)速增至1850 轉(zhuǎn)（此過程為階段2，因螺旋槳的加速度和轉(zhuǎn)動慣性，螺旋槳的最高轉(zhuǎn)速往往超過1850 轉(zhuǎn)，達(dá)到1900 轉(zhuǎn)以上），此時保持噴油量不變（此時噴油量約40.3m3/每循環(huán)），ECU 向調(diào)速器電機發(fā)出正向的占空比為100%的調(diào)速信號，讓電機向“小設(shè)定轉(zhuǎn)速”方向轉(zhuǎn)動，同時ECU 監(jiān)控螺旋槳轉(zhuǎn)速是否在最多8s內(nèi)下降70 轉(zhuǎn)以上（階段3，此階段螺旋槳總體上在變大距）；當(dāng)螺旋槳下降至大約70 轉(zhuǎn)時，ECU 立刻向調(diào)速器電機發(fā)出反向的占空比為100%的調(diào)速信號，使電機向“大設(shè)定轉(zhuǎn)速”方向轉(zhuǎn)動，ECU 監(jiān)控螺旋槳轉(zhuǎn)速是否在最多3s 內(nèi)達(dá)到約1820 轉(zhuǎn)（階段4，此階段螺旋槳在變小距），隨后降至慢車轉(zhuǎn)速（實踐證明，ECU 回到慢車轉(zhuǎn)速之前就會發(fā)生ECU 切換，而非在慢車轉(zhuǎn)速時才切換ECU）；然后將當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整為passive狀態(tài)，再次進行ECU 測試。

若出現(xiàn)ECU 測試失敗，尤其是同一臺發(fā)動機短期內(nèi)兩次出現(xiàn)測試失敗，不能簡單地認(rèn)為是“假故障”習(xí)慣性地清除故障碼，然后再次測試正常就放飛，不追究測試失敗原因，這樣可能使飛機帶隱患上天。

排除試車者操作原因后，目前發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致ECU 測試失敗的故障碼主要是0x1C01， 描 述 為Propeller self test failure， 類 型 為Max：Timeout during propeller self test。出現(xiàn)此故障后，需要重點關(guān)注其Propeller self test state machine，actual state 是階段幾，若為03，代表變大距階段，就是期望轉(zhuǎn)速下降至70 轉(zhuǎn)左右的階段；若為04，則代表變小距階段，就是期望轉(zhuǎn)速增至1820 轉(zhuǎn)的階段。應(yīng)綜合發(fā)動機DataLog 數(shù)據(jù)來判定故障原因的可能所在。

總結(jié)可以導(dǎo)致0x1C01 Propeller self test failure 故障的主要原因：

1）齒輪箱齒輪泵、調(diào)速器及變距系統(tǒng)的管路中有氣或者氣塞，最容易出現(xiàn)在發(fā)動機定檢后或是更換調(diào)速器、連續(xù)反向扳動螺旋槳后的首次試車中，可以嘗試推功率桿至1900 轉(zhuǎn)并保持30s，然后緩慢推動功率桿至大車并保持30s，以盡量排空變距系統(tǒng)中小距油路和大距油路的空氣；清除故障碼后，再次嘗試ECU 測試。

2）調(diào)速器使用一段時間后，可能有外部液體進入調(diào)速器內(nèi)部或調(diào)速器內(nèi)部的“綜合間隙變化”導(dǎo)致ECU 測試階段3 中調(diào)速器電機向小設(shè)定轉(zhuǎn)速方向轉(zhuǎn)動時觸發(fā)了“最小轉(zhuǎn)速設(shè)定開關(guān)”，同時未觸碰徹底，其接觸電阻導(dǎo)致調(diào)速器的位置監(jiān)測電壓落入“最大轉(zhuǎn)速位置電壓”區(qū)間，使EECU 誤認(rèn)為調(diào)速器電機碰到了最大轉(zhuǎn)速設(shè)定螺釘，從而導(dǎo)致階段4 直接消失，ECU 測試失敗。此故障出現(xiàn)時，將調(diào)速器的最小轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)速螺釘后退1 圈左右，即可避免該故障再次出現(xiàn)，且實踐檢驗效果良好。

3）調(diào)速器電機卡阻，若電機一直卡在某個位置上無法轉(zhuǎn)動，則螺旋槳轉(zhuǎn)速可能在ECU 測試的階段3 和階段4中無法變化，導(dǎo)致ECU 測試失敗，此種情況應(yīng)盡快更換調(diào)速器。

4）調(diào)速器的最小可調(diào)轉(zhuǎn)速過大，最小可調(diào)轉(zhuǎn)速若為1900 轉(zhuǎn)，則其在階段3 中調(diào)速器電機即使運動至調(diào)速器的最小可調(diào)轉(zhuǎn)速位置開關(guān)閉合，其最終轉(zhuǎn)速只降至1900 轉(zhuǎn)左右，可能會使ECU認(rèn)為下降不足70 轉(zhuǎn)而導(dǎo)致ECU 測試失敗，此種情況可以嘗試將調(diào)速器的最小可調(diào)轉(zhuǎn)速調(diào)大。此原因僅為理論推測，尚未在實踐中遇到。

5）螺旋槳的變距機構(gòu)可能存在故障，如啟動鎖卡滯無法打開、螺旋槳內(nèi)部的變距系統(tǒng)卡阻或失效等。

6）可能在階段3 螺旋槳變大距、轉(zhuǎn)速下降過程中偶遇正面大風(fēng)，令槳葉攻角偏小，螺旋槳載荷偏輕，轉(zhuǎn)速下降不足70 轉(zhuǎn)，ECU 測試失敗。此種情況僅為理論分析得出，尚未在實踐中遇到。

5 總結(jié)

基于筆者長期對P-877-16 調(diào)速器的研究和實踐，本文從該調(diào)速器的原理出發(fā)，結(jié)合常見故障現(xiàn)象，對調(diào)速器工作原理進行深入分析，本文的總結(jié)可為一線維修人員及相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。