AE300 發(fā)動機(jī)ECU FAIL 警戒指示分析

■ 陳霄陽/中國民用航空飛行學(xué)院

1 AE300 發(fā)動機(jī)概況

奧地利AustroEngine 公司生產(chǎn)的E4 型（商用名稱AE300）航空煤油活塞發(fā)動機(jī)基于EASA（歐洲航空安全局）CS-E 標(biāo)準(zhǔn)，在奔馳OM640 型汽車發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成，用于DA40NG（E4A）和DA42NG（E4C）飛機(jī)。

AE300 發(fā)動機(jī)采用液冷、四沖程四氣缸，氣缸總?cè)莘e1991cm3，搭配雙頂置凸輪軸（DOHC），通過凸輪從動組件驅(qū)動四氣缸共16 個氣門。發(fā)動機(jī)采用燃油共軌技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃油直噴，通過渦輪增壓器與中冷器實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣增壓。發(fā)動機(jī)作動部件均由電子發(fā)動機(jī)控制組件（EECU）系統(tǒng)控制，峰值輸出功率為123.5kW（168hp）。

2 AE300 發(fā)動機(jī)ECU 系統(tǒng)介紹

AE300 發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)航空活塞發(fā)動機(jī)最大的不同是采用了EECU 系統(tǒng)，這是實(shí)現(xiàn)飛行員單桿控制發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵。發(fā)動機(jī)配備的ECU 硬件和軟件均由博世公司提供，是基于博世汽車柴油發(fā)動機(jī)編寫的源控制代碼，在保留適用于航空煤油發(fā)動機(jī)的模塊和功能后應(yīng)用于通用航空領(lǐng)域。

每臺發(fā)動機(jī)都配有一個ECU組件，包含ECU A、ECU B、選擇器（Voter）和繼電器矩陣，該組件為發(fā)動機(jī)核心控制元件。組件中的ECU A 和ECU B 互為備份，接收三類傳感器信號，分別為功率桿傳感器、專供傳感器和共享傳感器，對信號內(nèi)容進(jìn)行分析計(jì)算，通過選擇器挑選其中一個ECU 的指令發(fā)送給繼電器矩陣，從而操作各作動器工作，控制邏輯如圖1 所示。選擇器實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個ECU 的運(yùn)行情況，任一ECU 出現(xiàn)故障，另一ECU 會立刻接管發(fā)動機(jī)的控制，且選擇器會盡量平衡兩個ECU的使用總時(shí)間。對于重要等級較高的參數(shù)，發(fā)動機(jī)將配備兩個相同且獨(dú)立的專供傳感器，分別供給ECU A 和ECU B分析計(jì)算。這是根據(jù)航空安全冗余的需要，在普通民用汽車發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上對某些重要傳感器進(jìn)行備份處理。例如，在OM640 發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，AE300 發(fā)動機(jī)在噴嘴附近機(jī)匣殼體處另開一孔，加裝了一個表征發(fā)動機(jī)氣門位置信號的凸輪軸傳感器。

圖1 EECU組件控制邏輯

總地來說，ECU 的控制邏輯是從發(fā)動機(jī)端或飛機(jī)端采集傳感器信號，經(jīng)過ECU 分析計(jì)算后，通過選擇器輸出至對應(yīng)繼電器，從而完成作動器的工作。其中，ECU 專供傳感器（有備份）包括凸輪軸傳感器、曲軸傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、功率桿傳感器；ECU 共享傳感器包括齒輪箱溫度傳感器、滑油溫度傳感器、燃油溫度傳感器、共軌壓力傳感器、滑油壓力傳感器、冷卻液溫度傳感器、燃油溫度傳感器；作動器包括燃油噴嘴、進(jìn)氣壓力控制器、共軌壓力控制閥、調(diào)速器電機(jī)作動器、燃油計(jì)量組件、電動燃油泵、警戒燈。這些傳感器和作動器在EECU 系統(tǒng)這個“大腦”的計(jì)算和指揮下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速、螺旋槳調(diào)速等關(guān)鍵系統(tǒng)的正常工作，保證發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 ECU FAIL 警戒指示

ECU FAIL 是顯示在主飛行顯示器（PFD）上的一種琥珀色警戒信息，用于提示飛行和機(jī)務(wù)人員發(fā)動機(jī)的某種異常狀態(tài)，是對超過100 種發(fā)動機(jī)異常狀態(tài)的統(tǒng)一的警戒提示信息，警戒燈（Caution lamp）可以理解為作動器的一種。

根據(jù)觸發(fā)ECU FAIL 的具體故障原因，ECU FAIL 警戒指示分為“非鎖存”和“鎖存”兩類。非鎖存ECU FAIL 警戒指示可以在故障信號恢復(fù)正常后消失，鎖存警戒指示要在完成相應(yīng)維修工作后才能消失。

根據(jù)已知的文獻(xiàn)和故障信息，觸發(fā)ECU FAIL警戒指示的原因有以下三類。

2.1.1 傳感器/作動器故障

1）ECU 通電自測試不通過。每次ECU 通電后，ECU 將根據(jù)預(yù)設(shè)檢查清單自動發(fā)起自測試，如發(fā)現(xiàn)傳感器或作動器連接存在問題，觸發(fā)ECU FAIL。

舉例：在地面發(fā)動機(jī)燃油共軌壓力控制閥（PCV）未安裝到位的情況下打開發(fā)動機(jī)主電門，ECU 自動發(fā)起通電自檢不通過，將直接觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示，且發(fā)動機(jī)無法起動，故障代碼可能為“2500”壓力控制閥供電失效（Pressure control valve power stage failure）。

2）發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)傳感器參數(shù)不匹配。發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，需要多個傳感器向ECU 同時(shí)提供實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以輸出控制信號，當(dāng)協(xié)同信號源明顯不匹配或相互合理性缺失時(shí)，將觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示。

舉例：ECU 實(shí)時(shí)感受到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信號時(shí)，每一個ECU 各有一套專供的位置傳感器，曲軸傳感器獲取增量信號，凸輪軸傳感器獲取相位信號，ECU 獲取這兩個信號后將執(zhí)行合理性檢測，檢測增量和相位信號的相互合理性。在該例中，兩個周期的增量信號必須對應(yīng)一個周期的相位信號，增量信號和相位信號之間的時(shí)間差必須保持在給定容差范圍內(nèi)（容差取決于發(fā)動機(jī)機(jī)械布局和凸輪軸傳動的扭轉(zhuǎn)振動），如果超出容差，將觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示，故障代碼可能為“2606”凸輪軸及曲軸同步故障。

2.1.2 傳感器反饋信號值與ECU 設(shè)置值（set point）對比異常

運(yùn)行過程中傳感器實(shí)時(shí)與ECU 進(jìn)行信息溝通，傳感器反饋信號值異常可定義為4 種情況：MIN、MAX、SIG、NPL。根據(jù)信號值異常的嚴(yán)重程度，其中一些情況可能觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示。信號異常類型如表1 所示 。

表1 信號異常類型

2.1.3 ECU 本體硬件、軟件失效

如果ECU 本體硬件組裝或軟件安裝出現(xiàn)異常，根據(jù)問題的嚴(yán)重程度，可能觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示。

舉例：如出現(xiàn)ECU 硬件封裝導(dǎo)致的工作異常，將觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示，故障代碼為“2386”ECU 硬件封裝失效（ECU hardware encapsulation failure）。如ECU 軟件安裝出現(xiàn)異常，將觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示，故障代碼為“1D11”ECU 身份識別失效（ECU identity failure）。

綜上所述，ECU FAIL 警戒指示觸發(fā)的原因存在多種類型故障可能。這些問題包括傳感器故障，空氣、燃油、滑油系統(tǒng)性能衰退，電氣供給不足等，也包含ECU 內(nèi)部的問題。

2.2 ECU 失效安全設(shè)計(jì)

如前所述，觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示的原因和情況眾多，而ECU 本身也具備一些失效安全和冗余設(shè)計(jì)。

2.2.1 雙ECU 備份系統(tǒng)

每臺AE300 發(fā)動機(jī)配裝的ECU 組件包含兩個相互備份的ECU A 和ECU B，通過選擇器（Voter）和繼電器矩陣實(shí)現(xiàn)信號輸出控制。當(dāng)任一ECU 檢測到發(fā)動機(jī)故障時(shí)，通常選擇器自動切換至另一ECU 接管發(fā)動機(jī)控制，從而提高安全裕度。

2.2.2 防止ECU 斷電

穩(wěn)定的ECU 供電系統(tǒng)對于ECU 工作以及發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有決定性作用。正常情況下，每臺發(fā)動機(jī)帶動一臺交流發(fā)電機(jī)向各自發(fā)動機(jī)的ECU 匯流條供電，當(dāng)發(fā)電機(jī)失效時(shí)，飛機(jī)主電瓶和ECU 備用電瓶接管供電。左ECU備用電瓶位于乘客座椅下部，由兩個12V、7.2Ah 的密封鉛酸電瓶（P/N：LC-R127R2PG）串聯(lián)組成；右ECU 備用電瓶位于飛機(jī)尾鰭（tail fin）中，由兩個12V、12Ah 的密封鉛酸電瓶（P/N：LC-RA1212P1）串聯(lián)組成。當(dāng)飛機(jī)主電源全部失效時(shí)，每側(cè)的ECU 備用電瓶可經(jīng)同側(cè)的ECU 匯流條為同側(cè)ECU 及其控制的電動燃油泵繼續(xù)供電，也能經(jīng)異側(cè)ECU B 匯流條為異側(cè)ECU B 通道和燃油泵B 供電。備用電瓶可支持供電約30min。

ECU 供電系統(tǒng)包含三級冗余，即發(fā)電機(jī)、主電瓶和備用電瓶，備用電瓶可交叉供電。

2.2.3 防止發(fā)動機(jī)傳感器信號丟失、異常

當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)傳感器信號丟失或異常時(shí)，ECU 系統(tǒng)會自動給出該失效傳感器對應(yīng)信號的默認(rèn)值，供系統(tǒng)計(jì)算后繼續(xù)輸出控制信號。具體參數(shù)如表2 所示。

表2 出現(xiàn)故障時(shí)的發(fā)動機(jī)狀態(tài)

從表2 可以看出，即使這些與發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的重要傳感器失效故障，ECU 系統(tǒng)也會分配一個默認(rèn)參數(shù)來確保發(fā)動機(jī)處于至少80%可用功率的性能狀態(tài)，可靠性較高。

綜上三點(diǎn)失效安全設(shè)計(jì)，在AE300發(fā)動機(jī)EECU 系統(tǒng)供電正常且發(fā)動機(jī)無嚴(yán)重機(jī)械損傷的前提下，因ECU FAIL警戒指示燃亮導(dǎo)致運(yùn)行過程中發(fā)動機(jī)停車的可能性較低。

3 典型ECU FAIL 故障介紹

本文采集了與ECU FAIL 警戒指示有關(guān)的故障事件135 起，具體分布為：地面試車/起飛前ECU 自檢測試故障73 起，調(diào)速器本體故障12 起，廢氣活門控制器故障33 起，滑油壓力傳感器故障11 起，燃油壓力傳感器故障5 起，燃油共軌壓力控制閥故障1 起。故障分布如圖2 所示 。

圖2 ECU FAIL故障分布

3.1 試車/起飛前ECU 自檢測試故障

故障描述：手冊規(guī)定，起飛前和定檢后需執(zhí)行ECU 自檢測試程序。ECU自檢測試用于模擬由傳統(tǒng)螺旋槳控制手柄（機(jī)械式變距機(jī)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)的人工加速減速功能，并通過不同ECU 通道的切換控制來檢測ECU 通道控制功能。ECU自檢測試對于確保發(fā)動機(jī)性能至關(guān)重要。

在整個ECU 自檢測試過程中，若任一ECU 系統(tǒng)給定的檢測標(biāo)準(zhǔn)不滿足（超時(shí)、執(zhí)行某任務(wù)時(shí)間過長等），ECU 將終止自檢，給出ECU FAIL 警戒指示。地面讀取ECU 數(shù)據(jù)，顯示非鎖存ECU 故障代碼“1D07”ECU 自檢超時(shí)故障和非鎖存ECU 故障代碼“1C01”螺旋槳自檢故障。

故障原因：

1）調(diào)速器硬件和ECU 軟件給出錯誤信號，機(jī)械部件宏觀表現(xiàn)為螺旋槳變距較為遲滯，導(dǎo)致螺旋槳自測試超時(shí)。地面清除ECU 故障代碼后重新試車，通?？苫謴?fù)正常。

2）螺旋槳變距機(jī)構(gòu)卡阻，離心鎖機(jī)構(gòu)卡阻，轉(zhuǎn)速增加后離心鎖不能分離，活塞桿體鎖死，齒輪箱油壓和螺旋槳彈簧不能使螺旋槳槳缸活塞作動，螺旋槳轉(zhuǎn)速控制不靈敏。

小結(jié)：地面ECU 自測試故障大多數(shù)為自檢軟件參數(shù)與測試情況不匹配所致，消除故障代碼重新試車通?？梢曰謴?fù)正常。如存在部件真實(shí)機(jī)械故障，可通過地面調(diào)節(jié)或換件的方式排除。AustroEngine 公司已更新ECU 軟件，從軟件控制角度減少了該類故障的發(fā)生。

另外，試車人員應(yīng)了解引起ECU自檢中斷的幾種情況：測試按鈕被松開；空地電門釋放超過1s；功率桿移動超過5%功率的位置；EECU 檢測到系統(tǒng)錯誤。

3.2 調(diào)速器本體故障

故障描述：

1）地面試車后執(zhí)行滲漏檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器殼體有齒輪箱油滲漏。

2）螺旋槳轉(zhuǎn)速到達(dá)2300rpm 后不隨功率降低而下降。ECU 故障代碼為“1c04”螺旋槳調(diào)速器止動開關(guān)失效或“1c03”螺旋槳調(diào)速器作動器故障。

故障原因：

1）調(diào)速器密封狀況不好，質(zhì)量不佳。

2）調(diào)速器電機(jī)卡在最大轉(zhuǎn)速位，杠桿壓在飛重彈簧上的壓力始終很大，調(diào)速器處于欠速（underspeed）狀態(tài)，齒輪箱油持續(xù)輸送給變距機(jī)構(gòu)變小距，致使收油門時(shí)變大距功能失效，螺旋槳轉(zhuǎn)速保持在2300rpm，最終收至接近慢車位時(shí)，發(fā)動機(jī)功率不足以維持2300rpm，轉(zhuǎn)速下降。分析認(rèn)為，調(diào)速器內(nèi)部存在大轉(zhuǎn)速位置卡阻現(xiàn)象，可按照調(diào)速器調(diào)節(jié)程序進(jìn)行排故。拆開調(diào)速器后蓋發(fā)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)速止動螺釘壓緊螺帽松動，未在壓緊位置，最大轉(zhuǎn)速止動螺釘疑似退出。

小結(jié)：除本體漏油等質(zhì)量問題外，調(diào)速器電機(jī)作動器的工作可靠性以及ECU 軟件控制與調(diào)速器機(jī)構(gòu)匹配問題仍在改進(jìn)優(yōu)化中。調(diào)速器本體為無定期維護(hù)項(xiàng)目，目前用戶只能通過地面試車對調(diào)速器性能加強(qiáng)監(jiān)控，在地面大車和ECU 自檢測試時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對螺旋槳調(diào)速系統(tǒng)的監(jiān)控，出現(xiàn)相關(guān)故障后及時(shí)采取對應(yīng)排故措施。

3.3 廢氣活門控制器故障

故障描述：飛機(jī)起飛抬輪時(shí)，發(fā)動機(jī)ECU 的A、B 通道出現(xiàn)ECU FAIL 警戒指示，其余發(fā)動機(jī)參數(shù)及飛機(jī)操控均正常。讀取發(fā)動機(jī)ECU 代碼為“2359”進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)失效，對應(yīng)進(jìn)氣壓力超限故障，地面測試廢氣活門控制器組件不能作動，膜盒漏氣，渦輪增壓器廢氣活門不能打開，進(jìn)氣壓力超高限。

故障原因：發(fā)動機(jī)通過進(jìn)氣壓力傳感器反饋信號至ECU，使進(jìn)氣壓力作動器（BPA）組件作動，BPA 組件通過引氣控制廢氣活門控制器組件改變渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速來控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量。在滑跑起飛時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)速都是最大狀態(tài)，隨著飛機(jī)速度的增加，進(jìn)氣壓力進(jìn)一步增加，BPA 組件根據(jù)ECU 作動信號降低渦輪轉(zhuǎn)速以減小進(jìn)氣壓力，但由于廢氣活門控制器組件失效，渦輪增壓器廢氣活門不能打開，渦輪不能降低轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致在滑跑起飛時(shí)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力過高，出現(xiàn)ECU 警戒指示。

該廢氣活門控制器組件來源于汽車工業(yè)，由于設(shè)計(jì)安裝原因，控制桿運(yùn)動軌跡與膜盒平面無法達(dá)到完全垂直，存在一定偏磨。高頻變換氣壓長時(shí)間作用在膜盒上，膜盒一側(cè)與金屬殼體相磨，導(dǎo)致橡膠膜片破損漏氣，膜盒失效。

小結(jié)：AustroEngine 公司已改裝BPA 組件限流器，對進(jìn)氣壓力作動器至廢氣活門控制器段的引氣管進(jìn)行了改裝，以緩沖進(jìn)氣壓力的振蕩。改裝后故障率有一定下降，但廢氣活門控制器膜盒橡膠件與金屬相磨的結(jié)構(gòu)未改變，改裝僅能延長膜盒使用壽命，不能杜絕故障的發(fā)生。應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對100h 廢氣活門控制器組件測試工作的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)控制組件缺陷，同時(shí)做好地面試車數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3.4 燃油共軌壓力控制閥故障

故障描述：一架飛機(jī)起飛爬升至500ft（152m）左右，在設(shè)置爬升功率時(shí)左發(fā)螺旋槳轉(zhuǎn)速下降至2000rpm，功率下降至63%，出現(xiàn)ECU FAIL 警戒指示。機(jī)組報(bào)告塔臺后沿起落航線著陸。飛機(jī)正常著陸后，在滑行過程中左發(fā)停車。地面讀取ECU 數(shù)據(jù)，發(fā)動機(jī)有兩條故障代碼：“2017”共軌計(jì)量組件失效3（最小共軌壓力超限）以及“2500”壓力控制閥供電故障（壓力控制閥PCV供電開路）。

故障原因：共軌壓力控制閥是發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)的一部分，是調(diào)節(jié)共軌壓力的組合閥，ECU 通過控制閥門的開閉調(diào)節(jié)回油量從而調(diào)節(jié)共軌壓力。當(dāng)共軌壓力控制閥無電信號時(shí)，該閥處于常開狀態(tài)，共軌回油量最大，共軌壓力下降。當(dāng)發(fā)動機(jī)在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)供油充足，并在轉(zhuǎn)動慣量的作用下能夠保持發(fā)動機(jī)較正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速功率受影響較小。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油供給絕對量不足，共軌的燃油量小于發(fā)動機(jī)需求，且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不能保持在維持發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車。

該故障的直接原因是共軌壓力控制閥插頭未安裝到位，發(fā)動機(jī)工作過程中，由于振動導(dǎo)致插頭松動斷開，共軌壓力控制閥失效，觸發(fā)ECU FAIL 警戒指示，最終收油門至慢車狀態(tài)時(shí)發(fā)動機(jī)停車。

小結(jié)：這是一起由機(jī)務(wù)人員維護(hù)過程中未將共軌壓力控制閥插頭安裝到位引發(fā)的故障。機(jī)務(wù)人員在定期檢查中應(yīng)加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)各作動器、傳感器插頭固定可靠、鎖定到位情況的檢查。

4 總結(jié)

AE300 發(fā)動機(jī)ECU FAIL 警戒指示用于提示飛行和機(jī)務(wù)人員發(fā)動機(jī)的異常狀態(tài)，是對超過100 種發(fā)動機(jī)異常狀態(tài)的統(tǒng)一的警戒提示信息，不代表ECU本體失效或故障。針對ECU FAIL 警戒故障，AustroEngine 公司開發(fā)了Wizard發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)讀取軟件，但仍缺乏對應(yīng)不同ECU 故障代碼的排故程序。AE300發(fā)動機(jī)的用戶應(yīng)向發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠家反饋運(yùn)行中的典型故障，積極督促廠家指導(dǎo)、支持和設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)收集整理ECU FAIL 故障數(shù)據(jù)及排故信息，為AE300發(fā)動機(jī)可靠性分析、重點(diǎn)故障研究建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。