TAE125發(fā)動機培訓資料綜述

1、目錄1 柴油發(fā)動機21.1功能21.2共軌噴嘴32 TAE 125系列航發(fā)32.1關于引擎32.2燃油系統(tǒng)52.3潤滑72.4冷卻系統(tǒng)72.5(感應)系統(tǒng)和渦輪增壓82.6螺旋槳控制系統(tǒng)92.7電子系統(tǒng)102.8性能103.FADEC系統(tǒng)113.1功能113.2FADEC的冗余設計和故障診斷134.結論18總覽TMG 是大陸發(fā)動機集團的分支機構，中航國際旗下的公司。自2001年TMG為通用航空生產(chǎn)柴油活塞航空發(fā)動機以來，現(xiàn)在被推廣為大陸柴油發(fā)動機。由TMG公司生產(chǎn)的大陸柴油發(fā)動機包含，液冷、渦輪增壓、直列式4缸和帶有雙凸輪軸4缸V6共軌柴油發(fā)動機以及FADEC 系統(tǒng)。這些發(fā)動機由但油門控制，并

2、裝備有減速齒輪、離合器/雙質量飛輪和可變槳距螺旋槳。所有以上發(fā)動機都可以使用標準JET航煤驅動。發(fā)動機包含135馬力-310馬力。功率型號市場名稱現(xiàn)狀99kWTAE 125-01TAE 125-02-99Centurion 1.7CD-135（以前叫Centurion 2.0）2005年停產(chǎn)在售114kWTAE 125-02-114CD-155（以前叫Centurion 2.0s）在售221kWN/ACD-300 （V6 engine）在開發(fā)228kWCenturion 4.0-BE 228 seriesCenturion 4.0（V8 engine）放棄開發(fā)TAE125 發(fā)動機適用于任意比例

3、的JET航煤和automotive 柴油混合而無需采取其他操作。本文檔旨在提供發(fā)動機及相關系統(tǒng)的簡介，各主題的更詳細內(nèi)容參照后續(xù)文檔，本文檔默認讀者了解常規(guī)活塞汽油航空發(fā)動機的控制和特點。1 柴油發(fā)動機1.1功能本節(jié)旨在給讀者一個關于柴油發(fā)動機操作的簡要印象，由于使用中不同于汽油發(fā)動機，汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機有兩點主要不同：柴油發(fā)動機是質量控制，而汽油發(fā)動機是數(shù)量控制。柴油發(fā)動機沒有點火系統(tǒng)。在汽油發(fā)動機中，空氣進入發(fā)動機進氣系統(tǒng)，燃料通過噴嘴或經(jīng)過汽化后，燃料和空氣混合進入氣缸壓縮?；旌衔镉牲c火系統(tǒng)引燃。汽油機由節(jié)流閥控制油氣混合比從而實現(xiàn)功率控制。所有時間內(nèi)，該比例仍然接近不變。柴油發(fā)動機

4、進氣不包含燃料，空氣在氣缸內(nèi)單獨壓縮，壓縮導致燃料燃燒。由于所需燃料直接進入燃燒室，同高溫空氣混合自發(fā)燃燒。所以柴油發(fā)動機點火而不需要火花。由于不需要火花塞，所以點火時機由噴油時間決定。進入燃燒室的空氣量接近恒定，所以，功率控制由進油量決定，沒有節(jié)流閥。不同的燃燒進程決定了柴油機的一些特性 由于壓縮空氣需要特定的時間，所以柴油發(fā)動機一般比汽油發(fā)動機轉速低。一定程度上限制了柴油發(fā)動機的應用。 壓燃需要更高的壓縮率，通常是2倍汽油發(fā)動機的壓縮率。由于給油在周期的后半部分，所以引爆(detonation)不是問題。 這意味著，增壓系統(tǒng)是柴油發(fā)動機必備的結構。 柴油發(fā)動機不在特定油氣混合比下引燃，這意

5、味著柴油發(fā)動機常常處在貧油狀態(tài)，低功率下總管壓力的控制不及汽油機那樣危急。 在給定量下，柴油比汽油包含更多能量，制造柴油更經(jīng)濟。柴油具有較高的燃點，沸點，較差的揮發(fā)性。柴油的劣勢是，凝點高。常規(guī)柴油在-5-10攝氏度會凝結。因此要確保航油溫度處于安全值。1.2共軌噴嘴噴油系統(tǒng)是柴油發(fā)動機最復雜的部分。因為噴油量，噴霧形狀，噴射時間極大影響著燃燒進程的質量。（制造商）花費了極大的努力去設計噴油系統(tǒng)。共軌噴射是噴油系統(tǒng)最先進的技術，簡單地說是高壓油池給噴嘴供油。油池最大壓力大約1350bar或者19500psi，可由閥門控制。極高壓確保燃油的充分汽化，保證燃燒。由于燃油在任何所需壓力下都能提供，噴

6、射周期也可以由噴油量控制。甚至，單個循環(huán)內(nèi)多個噴射脈沖也是可以的。噴油系統(tǒng)提高了調解發(fā)動機的能力，從而更高效、清潔燃燒、更經(jīng)濟。2 TAE 125系列航發(fā)2.1關于引擎圖1展示了無配件的發(fā)動機，TAE 125-02-99是一個2.0升渦輪增壓、雙凸輪4缸直列式帶有FADEC的發(fā)動機。它由單油門桿控制并配有減速齒輪箱，離合器和可變槳距螺旋槳。TAE 125-02-114發(fā)動機提供114kW (155馬力)功率輸出。該發(fā)動機基于automobile引擎設計，允許通航市場受益于automobile工業(yè)龐大的開發(fā)和工裝預算?？煽啃詥栴}、壽命問題和其他開發(fā)中新設計的潛在問題都已被解決。時間和精力可以用來

7、解決引擎適航性的問題，例如提供冗余系統(tǒng)，或調節(jié)引擎在更高海拔更低溫度下的使用。 TMG重新設計了進氣、排氣和渦輪增壓系統(tǒng)以提高適航性。指示系統(tǒng)和渦輪增壓系統(tǒng)詳細在第二節(jié)詳述 TAE 125-02-*系列發(fā)動機的曲軸箱被沙洗低壓鋁制殼體代替 每個氣缸包含4個液壓驅動的閥門 (兩個進氣兩個排氣)。發(fā)動機終身不需要調節(jié)。升降機由兩個凸輪軸和終身免維護的正時鏈條驅動。四個閥門提高進出燃燒室的流量，同時提高發(fā)動機效率。 曲軸箱連接油氣分離器，在這里滑油回流曲軸箱。 發(fā)動機在3900rpm時提供135-310馬力的輸出，所以TMG設計了1.69：1的減速齒輪箱以調節(jié)峰值螺旋槳速度到2300rpm。由于柴油

8、發(fā)動機的高壓縮率，其運行不像汽油機一樣平滑，因此在關車時引擎會突然停止。過載離合器會在關車時吸收螺旋槳負載以保護發(fā)動機。另外TMG還安裝全權發(fā)動機電控系統(tǒng)，這些在后續(xù)章節(jié)討論。Jet A1或者柴油驅動的發(fā)動機不同于常規(guī)的活塞式航空發(fā)動機： TAE 125系列是直列式發(fā)動機，不是水平對置發(fā)動機。 本發(fā)動機是液冷，冷卻液流量可控，飛行中高空速和低功率下的驟冷不構成威脅。 發(fā)動機有中置冷卻，進氣在渦輪增壓以后將被冷卻以提高效率。增壓系統(tǒng)的壓力被控制在2275-2350mbar之間，進氣壓力的升高是必要的。主要機械系統(tǒng)將在后續(xù)章節(jié)詳細討論。2.2燃油系統(tǒng)TAE125發(fā)動機進氣系統(tǒng)的安裝及常規(guī)汽油發(fā)動機

9、的安裝類似，僅有一些小改動。基于燃油系統(tǒng)的安裝，燃油經(jīng)由燃油選擇活門從兩個油箱中的一個或兩個和輔助電動油泵(鉆石飛機未安裝)流向燃油濾模塊。由于柴油的獨特性質，該油濾不同于引擎回流的熱油用于加熱冷油（鉆石飛機未安裝）。當燃油溫度達到60度時，該模塊停止工作。然后燃油經(jīng)過低壓泵壓力升至3.5bar流向高壓泵。在高壓泵中燃油壓力升至1350 bar 。高壓導致燃油溫度升至70度。從油泵到高壓共軌給噴嘴供油。余油回流到油濾經(jīng)由然有選擇活門回流油箱。回流的高溫燃油可以給油箱加溫。圖2.展示了燃油系統(tǒng)的流程圖。2.3潤滑TAE125系列發(fā)動機裝備有濕油底殼潤滑系統(tǒng)?；蛷陌l(fā)動機油底殼經(jīng)過內(nèi)置油泵、滑油濾

10、到恒溫器。油壓被油泵室內(nèi)的機械閥門調節(jié)到大約4.5bar(取決于油溫和發(fā)動機轉速)。恒溫器根據(jù)油溫將滑油分配到滑油冷卻器或者直接進入發(fā)動機潤滑渦輪增壓系統(tǒng)。在溫度78度時，恒溫器的滑油冷卻開啟，在94度時，滑油冷卻閥門全開。滑油溫度的上限是140度?；驮跐櫥耐瑫r，可以冷卻活塞的下部。發(fā)動機中的滑油直接回流到油底殼，流到渦輪增壓系統(tǒng)內(nèi)的滑油收集到儲油池中泵回油底殼。圖3.顯示滑油系統(tǒng)的流程圖。引擎由全合成多級滑油潤滑，外界溫度不影響輪滑系統(tǒng)。參照維修維護手冊查找維修間隔和潤滑系統(tǒng)限制滑油規(guī)格以及滑油管路更換間隔。2.4冷卻系統(tǒng)由于TAE 125系列發(fā)動機是液冷，所以必須有冷卻系統(tǒng)。冷卻水從水

11、泵經(jīng)過發(fā)動機冷卻發(fā)動機后流向恒溫器。根據(jù)冷卻液的溫度，冷卻液直接流向水泵或者流向散熱器。恒溫器在84度完全關閉，94度完全打開。這確保了發(fā)動機快速升溫而不會過熱或者驟冷。有一個附加的第三循環(huán)允許熱的冷卻液經(jīng)過熱交換器提供座艙加溫，這個循環(huán)始終開啟并且座艙溫度可控(座艙內(nèi)可調)。在冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的最高點有一個膨脹管以保證冷卻液的水位。圖4.展示了冷卻系統(tǒng)的流程圖。2.5(感應)系統(tǒng)和渦輪增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)及常規(guī)汽油發(fā)動機沒有大的不同。進入的空氣經(jīng)過空氣濾進入渦輪增壓器內(nèi)被壓縮。當空氣濾被堵塞或者冰凍，備用空氣活門可以提供進氣。備用空氣活門需要飛行員在座艙內(nèi)手動打開。因為在進氣入口和渦輪之間沒有易于

12、結冰的地方，所以沒有其他預防措施防冰。因為加壓會導致溫度大幅升高，所以中置冷卻器用來冷卻熱空氣。之后通過進氣總管進入發(fā)動機。最終發(fā)動機排出的氣體在排除之前經(jīng)過渦輪增壓器。廢氣驅動增壓渦輪以提高總管壓力，F(xiàn)ADEC根據(jù)RPM、測定的總管壓力和Pbaro得出增壓系統(tǒng)的目標值。該目標值動態(tài)調節(jié)，渦輪增壓器旁邊有一個壓力控制閥，通過控制該閥門的開閉可以調節(jié)壓力?？刂崎y利用渦輪增壓器增壓端的壓力控制隔盒，隔閡開口及廢棄活門間有連桿連接，該活門的開度決定了廢氣進入增壓系統(tǒng)的量。圖5.顯示了進氣系統(tǒng)的流程圖，這里的渦輪增壓器沒辦法手動控制，后續(xù)章節(jié)有詳細描述渦輪增壓器電控系統(tǒng)。2.6螺旋槳控制系統(tǒng)螺旋槳的控

13、制功能通過齒輪箱油來實現(xiàn)。齒輪箱油泵給CSU泵油。齒輪箱油通過油泵之后，流經(jīng)油濾和釋壓閥門。在到達實際控制閥門之前，齒輪箱油壓被調節(jié)到恒定的20bar。TAE 02系列發(fā)動機的油濾被安裝在齒輪箱泵殼體；釋壓閥門被安裝在齒輪箱泵和CSu的底盤上。螺旋槳控制發(fā)調節(jié)到螺旋槳的油壓以控制槳距?？刂崎y門的回油被用來潤滑齒輪箱。螺旋槳控制閥門由FADEC發(fā)出的電信號控制，飛行員無法直接控制槳距。螺旋槳本身是可變槳距螺旋槳；在單發(fā)飛機上，升高油壓會導致槳距變大；減少槳距由伺服彈簧控制。圖6.顯示了槳距控制的流程圖。2.7電子系統(tǒng)由于FADEC控制發(fā)動機不能斷電，所以，電力系統(tǒng)在安裝時被重新配置和布線。FAD

14、EC系統(tǒng)本身是冗余系統(tǒng)，它依賴兩個分離、冗余的供電。一個包含90A/14V（70A/28V）的發(fā)電機，另外一個包含35Ah（25Ah24V）的機身電池。所有其他用電部分被單獨接到一個開關節(jié)點以應急。由于FADEC需要用電，所以其他用電項目總計不能超過70A。電池失效后可以保證FADEC正常工作。在發(fā)電機失效后，全系統(tǒng)正常工作大約可以持續(xù)兩小時。該系統(tǒng)有一定的防雷和抗電磁干擾(100V/m)效果。發(fā)動機裝配有1.7/2.5kW的由內(nèi)置繼電器驅動的啟動機。啟動機接地及曲軸箱相連。供電直接連接電池而沒有保險絲，因為啟動時有極大的電流。繼電器由座艙內(nèi)的啟動按鈕觸發(fā)。待續(xù)2.8性能TAE 125-01和

15、TAE 125-02系列發(fā)動機在6000ft高度一下，可以輸出135匹/約合99kW的連續(xù)功率。在巡航高度在18000ft時，輸出功率約為97匹。TAE 125-114發(fā)動機最高可輸出155匹/約合114kW功率，8000ft巡航時功率可達132匹。正常巡航燃油消耗量約為17.5l/h（4.5gal/h）發(fā)動機干重134kg(301lb).表1.顯示了125-01發(fā)動機和來康明 O-320發(fā)動機的功率曲線對比。3.FADEC系統(tǒng)3.1功能TAE 125系列發(fā)動機在操作上及常規(guī)發(fā)動機最大的不同就是FADEC系統(tǒng)的使用。全電控系統(tǒng)允許飛行員單油門桿操作控制所有發(fā)動機參數(shù)。飛行員僅需選擇油門桿負載，

16、FADEC系統(tǒng)會自動調節(jié)包括螺旋槳槳距在內(nèi)的所有參數(shù)。圖7.顯示了FADEC的功能。這個模塊從傳感器采集數(shù)據(jù)，包括負載選擇、實時變量包括空氣溫度、，發(fā)動機溫度和外界大氣壓力以此控制噴油（時間和量）、槳距和增壓系統(tǒng)。發(fā)動機控制通過發(fā)動機控制圖表(engine control map)來完成。圖8.顯示了控制總管壓力的控制圖表。在開發(fā)階段，特定條件下的增壓目標值被測試出來，改圖表顯示了特定轉速和氣壓下所需達到的總管壓力。然后總管壓力目標值被用來調整進氣溫度和冷卻液溫度。例如噴油量和時間以及螺旋槳的控制都是用類似的方法。后續(xù)有更詳細的描述。3.2FADEC的冗余設計和故障診斷圖9顯示了FADEC控制

17、盒子。為確保系統(tǒng)的冗余，它包含了兩個分開的冗余的ECU。兩個ECU都有總管壓力和大氣壓力傳感器。通過繼電開關和管線連接在一個安裝座上。兩個ECU同時工作，單個激活。兩個ECU同時監(jiān)控并計算相互的健康值。如果其中一個ECU不是完全健康則自動切換到另外一個，之后發(fā)動機告警燈會亮起并將該事件計入發(fā)動機日志。發(fā)動機日志是一個簡單的文件，存儲故障的時間，日期，持續(xù)時間和錯誤性質。如果必要，飛行員可以將ECU強制切換到另外一個。ECU默認的健康值是9，表2顯示了不同故障下發(fā)動機的健康值和替代參數(shù)。表外的故障出現(xiàn)后ECU的健康水平降至7.超出圖表限制的故障不會直接影響發(fā)動機操作。但ECU健康水平會降低發(fā)動機

18、警告燈會亮起提示飛行員發(fā)動機不正常。FADEC持續(xù)調節(jié)所有參數(shù)到測量后的值0。在其他任何發(fā)動機上，超出此限制的操作都是要關注的，因為這關系到發(fā)動機的健康水平。系統(tǒng)中預定義的傳感器失效后，系統(tǒng)假設替代值作為真實值。表2顯示了在傳感器失效后的輸入值。在這種情況下，系統(tǒng)用默認的替代值代替空缺的傳感器信號。以保證發(fā)動機的運行。發(fā)動機健康水平的變化根據(jù)何種信號丟失而變化。例如，丟失曲軸傳感器信號，系統(tǒng)將不能確認噴油時間，這個故障比丟失滑油溫度信號更嚴重。FADEC有多種儲存數(shù)據(jù)的方式，他們是事件日志EL（Event Log）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲日志（Internal data logger）以及連接電腦從FADEC service tool軟件下載數(shù)據(jù)。圖10.顯示了fadec service tool的故障診斷頁面，在該頁面可以瀏覽傳感器信息，找出不正常值。圖11顯示了滑油壓力傳感器失效