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1、1/18 目录 1 柴油发动机.2 1.1 功能.2 1.2 共轨喷嘴.3 2 TAE 125 系列航发.3 2.1 关于引擎.3 2.2 燃油系统.5 2.3 润滑.7 2.4 冷却系统.7 2.5(感应)系统和涡轮增压.8 2.6 螺旋桨控制系统.9 2.7 电子系统.10 2.8 性能.10 3.FADEC 系统.11 3.1 功能.11 3.2FADEC 的冗余设计和故障诊断.13 4.结论.18 2/18 总览 TMG 是大陆发动机集团的分支机构，中航国际旗下的公司。自 2001 年 TMG 为通用航空生产柴油活塞航空发动机以来，现在被推广为大陆柴油发动机。由 TMG 公司生产的大陆
2、柴油发动机包含，液冷、涡轮增压、直列式 4 缸和带有双凸轮轴 4 缸 V6 共轨柴油发动机以及 FADEC 系统。这些发动机由但油门控制，并装备有减速齿轮、离合器/双质量飞轮和可变桨距螺旋桨。所有以上发动机都可以使用标准 JET 航煤驱动。发动机包含 135 马力-310 马力。功率 型号 市场名称 现状 99kW TAE 125-01 TAE 125-02-99 Centurion 1.7 CD-135（以前叫 Centurion 2.0）2005 年停产 在售 114kW TAE 125-02-114 CD-155（以前叫 Centurion 2.0s）在售 221kW N/A CD-30
3、0（V6 engine）在开发 228kW Centurion 4.0-BE 228 series Centurion 4.0（V8 engine）放弃开发 TAE125 发动机适用于任意比例的 JET 航煤和 automotive 柴油混合而无需采取其他操作。本文档旨在提供发动机及相关系统的简介，各主题的更详细内容参照后续文档，本文档默认读者了解常规活塞汽油航空发动机的控制和特点。1 柴油发动机 1.1 功能 本节旨在给读者一个关于柴油发动机操作的简要印象，由于使用中不同于汽油发动机，汽油发动机和柴油发动机有两点主要不同：柴油发动机是质量控制，而汽油发动机是数量控制。柴油发动机没有点火系统。
4、3/18 在汽油发动机中，空气进入发动机进气系统，燃料通过喷嘴或经过汽化后，燃料和空气混合进入气缸压缩。混合物由点火系统引燃。汽油机由节流阀控制油气混合比从而实现功率控制。所有时间内，该比例仍然接近不变。柴油发动机进气不包含燃料，空气在气缸内单独压缩，压缩导致燃料燃烧。由于所需燃料直接进入燃烧室，同高温空气混合自发燃烧。所以柴油发动机点火而不需要火花。由于不需要火花塞，所以点火时机由喷油时间决定。进入燃烧室的空气量接近恒定，所以，功率控制由进油量决定，没有节流阀。不同的燃烧进程决定了柴油机的一些特性 由于压缩空气需要特定的时间，所以柴油发动机一般比汽油发动机转速低。一定程度上限制了柴油发动机的
5、应用。压燃需要更高的压缩率，通常是 2 倍汽油发动机的压缩率。由于给油在周期的后半部分，所以引爆(detonation)不是问题。这意味着，增压系统是柴油发动机必备的结构。柴油发动机不在特定油气混合比下引燃，这意味着柴油发动机常常处在贫油状态，低功率下总管压力的控制不及汽油机那样危急。在给定量下，柴油比汽油包含更多能量，制造柴油更经济。柴油具有较高的燃点，沸点，较差的挥发性。柴油的劣势是，凝点高。常规柴油在-5-10 摄氏度会凝结。因此要确保航油温度处于安全值。1.2 共轨喷嘴 喷油系统是柴油发动机最复杂的部分。因为喷油量，喷雾形状，喷射时间极大影响着燃烧进程的质量。（制造商）花费了极大的努力
6、去设计喷油系统。共轨喷射是喷油系统最先进的技术，简单地说是高压油池给喷嘴供油。油池最大压力大约 1350bar 或者 19500psi，可由阀门控制。极高压确保燃油的充分汽化，保证燃烧。由于燃油在任何所需压力下都能提供，喷射周期也可以由喷油量控制。甚至，单个循环内多个喷射脉冲也是可以的。喷油系统提高了调解发动机的能力，从而更高效、清洁燃烧、更经济。2 TAE 125 系列航发 2.1 关于引擎 图 1 展示了无配件的发动机，TAE 125-02-99 是一个 2.0 升涡轮增压、双凸轮 4 缸直列式带有FADEC 的发动机。它由单油门杆控制并配有减速齿轮箱，离合器和可变桨距螺旋桨。TAE 12
7、5-02-114 发动机提供 114kW(155 马力)功率输出。4/18 该发动机基于 automobile 引擎设计，允许通航市场受益于 automobile 工业庞大的开发和工装预算。可靠性问题、寿命问题和其他开发中新设计的潜在问题都已被解决。时间和精力可以用来解决引擎适航性的问题，例如提供冗余系统，或调节引擎在更高海拔更低温度下的使用。TMG 重新设计了进气、排气和涡轮增压系统以提高适航性。指示系统和涡轮增压系统详细在第二节详述 TAE 125-02-*系列发动机的曲轴箱被沙洗低压铝制壳体代替 每个气缸包含 4 个液压驱动的阀门(两个进气两个排气)。发动机终身不需要调节。升降机由两个凸
8、轮轴和终身免维护的正时链条驱动。四个阀门提高进出燃烧室的流量，同时提高发动机效率。曲轴箱连接油气分离器，在这里滑油回流曲轴箱。发动机在 3900rpm 时提供 135-310 马力的输出，所以 TMG 设计了 1.69：1 的减速齿轮箱以调节峰值螺旋桨速度到 2300rpm。由于柴油发动机的高压缩率，其运行不像汽油机一样平滑，因此在关车时引擎会突然停止。过载离合器会在关车时吸收螺旋桨负载以保护发动机。另外 TMG 还安装全权发动机电控系统，这些在后续章节讨论。Jet A1 或者柴油驱动的发动机不同于常规的活塞式航空发动机：TAE 125 系列是直列式发动机，不是水平对置发动机。本发动机是液冷，
9、冷却液流量可控，飞行中高空速和低功率下的骤冷不构成威胁。5/18 发动机有中置冷却，进气在涡轮增压以后将被冷却以提高效率。增压系统的压力被控制在2275-2350mbar 之间，进气压力的升高是必要的。主要机械系统将在后续章节详细讨论。2.2 燃油系统 TAE125 发动机进气系统的安装与常规汽油发动机的安装类似，仅有一些小改动。基于燃油系统的安装，燃油经由燃油选择活门从两个油箱中的一个或两个和辅助电动油泵(钻石飞机未安装)流向燃油滤模块。由于柴油的独特性质，该油滤不同于引擎回流的热油用于加热冷油（钻石飞机未安装）。当燃油温度达到 60 度时，该模块停止工作。然后燃油经过低压泵压力升至 3.5
10、bar 流向高压泵。在高压泵中燃油压力升至 1350 bar。高压导致燃油温度升至 70 度。从油泵到高压共轨给喷嘴供油。余油回流到油滤经由然有选择活门回流油箱。回流的高温燃油可以给油箱加温。图 2.展示了燃油系统的流程图。6/18 7/18 2.3 润滑 TAE125 系列发动机装备有湿油底壳润滑系统。滑油从发动机油底壳经过内置油泵、滑油滤到恒温器。油压被油泵室内的机械阀门调节到大约 4.5bar(取决于油温和发动机转速)。恒温器根据油温将滑油分配到滑油冷却器或者直接进入发动机润滑涡轮增压系统。在温度 78 度时，恒温器的滑油冷却开启，在 94 度时，滑油冷却阀门全开。滑油温度的上限是 14
11、0 度。滑油在润滑的同时，可以冷却活塞的下部。发动机中的滑油直接回流到油底壳，流到涡轮增压系统内的滑油收集到储油池中泵回油底壳。图3.显示滑油系统的流程图。引擎由全合成多级滑油润滑，外界温度不影响轮滑系统。参照维修维护手册查找维修间隔和润滑系统限制滑油规格以及滑油管路更换间隔。2.4 冷却系统 由于 TAE 125 系列发动机是液冷，所以必须有冷却系统。冷却水从水泵经过发动机冷却发动机后流向恒温器。根据冷却液的温度，冷却液直接流向水泵或者流向散热器。恒温器在 84 度完全关闭，94 度完全打开。这确保了发动机快速升温而不会过热或者骤冷。8/18 有一个附加的第三循环允许热的冷却液经过热交换器提
12、供座舱加温，这个循环始终开启并且座舱温度可控(座舱内可调)。在冷却系统内部的最高点有一个膨胀管以保证冷却液的水位。图 4.展示了冷却系统的流程图。2.5(感应)系统和涡轮增压 发动机进气系统与常规汽油发动机没有大的不同。进入的空气经过空气滤进入涡轮增压器内被压缩。当空气滤被堵塞或者冰冻，备用空气活门可以提供进气。备用空气活门需要飞行员在座舱内手动打开。因为在进气入口和涡轮之间没有易于结冰的地方，所以没有其他预防措施防冰。因为加压会导致温度大幅升高，所以中置冷却器用来冷却热空气。之后通过进气总管进入发动机。最终发动机排出的气体在排除之前经过涡轮增压器。废气驱动增压涡轮以提高总管压力，FADEC
13、根据 RPM、测定的总管压力和 Pbaro 得出增压系统的目标值。该目标值动态调节，涡轮增压器旁边有一个压力控制阀，通过控制该阀门的开闭可以调节压力。控制阀利用涡轮增压器增压端的压力控制隔盒，隔阂开口与废弃活门间有连杆连接，该活门的开度决定了废气进入增压系统的量。图 5.显示了进气系统的流程图，这里的涡轮增压器没办法手动控制，后续章节有详细描述涡轮增压器电控系统。9/18 2.6 螺旋桨控制系统 螺旋桨的控制功能通过齿轮箱油来实现。齿轮箱油泵给 CSU 泵油。齿轮箱油通过油泵之后，流经油滤和释压阀门。在到达实际控制阀门之前，齿轮箱油压被调节到恒定的 20bar。TAE 02 系列发动机的油滤被
14、安装在齿轮箱泵壳体；释压阀门被安装在齿轮箱泵和 CSu 的底盘上。螺旋桨控制发调节到螺旋桨的油压以控制桨距。控制阀门的回油被用来润滑齿轮箱。螺旋桨控制阀门由 FADEC 发出的电信号控制，飞行员无法直接控制桨距。螺旋桨本身是可变桨距螺旋桨；在单发飞机上，升高油压会导致桨距变大；减少桨距由伺服弹簧控制。图 6.显示了桨距控制的流程图。10/18 2.7 电子系统 由于 FADEC 控制发动机不能断电，所以，电力系统在安装时被重新配置和布线。FADEC 系统本身是冗余系统，它依赖两个分离、冗余的供电。一个包含 90A/14V（70A/28V）的发电机，另外一个包含 35Ah（25Ah24V）的机身
15、电池。所有其他用电部分被单独接到一个开关节点以应急。由于FADEC 需要用电，所以其他用电项目总计不能超过 70A。电池失效后可以保证 FADEC 正常工作。在发电机失效后，全系统正常工作大约可以持续两小时。该系统有一定的防雷和抗电磁干扰(100V/m)效果。发动机装配有 1.7/2.5kW 的由内置继电器驱动的启动机。启动机接地与曲轴箱相连。供电直接连接电池而没有保险丝，因为启动时有极大的电流。继电器由座舱内的启动按钮触发。待续 2.8 性能 TAE 125-01 和 TAE 125-02 系列发动机在 6000ft 高度一下，可以输出 135 匹/约合 99kW 的连续功率。在巡航高度在
16、18000ft 时，输出功率约为 97 匹。TAE 125-114 发动机最高可输出 155 匹/约11/18 合 114kW 功率，8000ft 巡航时功率可达 132 匹。正常巡航燃油消耗量约为 17.5l/h（4.5gal/h）发动机干重 134kg(301lb).表 1.显示了 125-01 发动机和来康明 O-320 发动机的功率曲线对比。3.FADEC 系统 3.1 功能 TAE 125 系列发动机在操作上与常规发动机最大的不同就是 FADEC 系统的使用。全电控系统允许飞行员单油门杆操作控制所有发动机参数。飞行员仅需选择油门杆负载，FADEC 系统会自动调节包括螺旋桨桨距在内的所
17、有参数。图 7.显示了 FADEC 的功能。这个模块从传感器采集数据，包括负载选择、实时变量包括空气温度、，发动机温度和外界大气压力以此控制喷油（时间和量）、桨距和增压系统。发动机控制通过发动机控制图表(engine control map)来完成。12/18 图 8.显示了控制总管压力的控制图表。在开发阶段，特定条件下的增压目标值被测试出来，改图表显示了特定转速和气压下所需达到的总管压力。然后总管压力目标值被用来调整进气温度和冷却液温度。例如喷油量和时间以及螺旋桨的控制都是用类似的方法。13/18 后续有更详细的描述。3.2FADEC 的冗余设计和故障诊断 图 9 显示了 FADEC 控制盒
18、子。为确保系统的冗余，它包含了两个分开的冗余的 ECU。两个 ECU 都有总管压力和大气压力传感器。通过继电开关和管线连接在一个安装座上。两个 ECU 同时工作，单个激活。两个 ECU 同时监控并计算相互的健康值。如果其中一个 ECU 不是完全健康则自动切换到另外一个，之后发动机告警灯会亮起并将该事件计入发动机日志。发动机日志是一个简单的文件，存储故障的时间，日期，持续时间和错误性质。如果必要，飞行员可以将 ECU 强制切换到另外一个。14/18 ECU 默认的健康值是 9，表 2 显示了不同故障下发动机的健康值和替代参数。表外的故障出现后ECU 的健康水平降至 7.超出图表限制的故障不会直接
19、影响发动机操作。但 ECU 健康水平会降低发动机警告灯会亮起提示飞行员发动机不正常。FADEC 持续调节所有参数到测量后的值 0。在其他任何发动机上，超出此限制的操作都是要关注的，因为这关系到发动机的健康水平。系统中预定义的传感器失效后，系统假设替代值作为真实值。表 2 显示了在传感器失效后的输入值。在这种情况下，系统用默认的替代值代替空缺的传感器信号。以保证发动机的运行。发动机健康水平的变化根据何种信号丢失而变化。例如，丢失曲轴传感器信号，系统将不能确认喷油时间，这个故障比丢失滑油温度信号更严重。15/18 FADEC 有多种储存数据的方式，他们是事件日志 EL（Event Log）、内部数
20、据存储日志（Internal data logger）以及连接电脑从 FADEC service tool 软件下载数据。图 10.显示了 fadec service tool 的故障诊断页面，在该页面可以浏览传感器信息，找出不正常值。16/18 图 11 显示了滑油压力传感器失效后的 EL，用户可以看到何种参数失效，持续了多长时间。两者是按时间顺序或者按传感器分组排序。17/18 最终，表 2 显示了 IDL 的数据分析，IDL 数据的记录新数据会替代旧数据，所以，选出的数据总是最近的。18/18 故障诊断和数据日志（EL）功能将在每次发动机维护时查看。当出现故障或者发动机异常的时候才会查看（IDL）数据。日常维护中不需要使用这些数据。FADEC 的概念是允许飞行员像他开始习惯于自动驾驶状态一样。更简单的冷/热启动，更低的工作压力（不用担心混合比设置，螺旋桨控制或者其他参数），同时能够提高发动机维护水平。4.结论 该文档旨在使读者对 TAE125 系列发动机的独特性能有基本了解。