周躍飛 郭湘川 任 可 楊 暢

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618307）

排氣溫度 （Exhaust Gas Temperature，EGT）是指發(fā)動機(jī)排氣管處所探測的廢氣溫度，它是活塞式航空發(fā)動機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。大多數(shù)活塞式航空發(fā)動機(jī)都有一個(gè)EGT傳感器和一個(gè)EGT指示器。EGT傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)熱電偶，它的工作原理是通過兩種不同材料的導(dǎo)體兩端連接成回路的賽貝克效應(yīng)，如果兩端溫度不同，在回路內(nèi)將產(chǎn)生熱電動勢的物理現(xiàn)象，熱電偶產(chǎn)生的微小電壓與探頭溫度成正比。本文將結(jié)合塞斯納C172R飛機(jī)萊康明IO-360-L2A發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)功率、燃油經(jīng)濟(jì)性與EGT的關(guān)系曲線對發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行分析。

1 EGT與油氣混合比的關(guān)系

1.1 峰值EGT

EGT是反映發(fā)動機(jī)各氣缸內(nèi)燃?xì)饣旌蠚馊紵隣顩r的一個(gè)參數(shù)，通過觀測EGT值，即可知道進(jìn)入該氣缸的燃油和空氣混合比狀況。通常，業(yè)內(nèi)將燃油過多的油氣混合氣定義為富油，把空氣過量的油氣混合氣稱為貧油。航空發(fā)動機(jī)的油氣混合比是通過一根特設(shè)的“混合比桿”來操作的，混合比桿前推到底為全富油狀態(tài)。

當(dāng)將混合比往富油方向調(diào)整時(shí)，發(fā)動機(jī)內(nèi)會有由于空氣不足而未完全燃燒的燃油，未燃燒的燃油將攜帶缸內(nèi)的部分熱量隨廢氣排出，導(dǎo)致EGT下降。當(dāng)將混合比往貧油方向調(diào)整時(shí)，會出現(xiàn)沒有足夠的燃油與進(jìn)入的空氣匹配，這將減弱發(fā)動機(jī)的做工能量，EGT也將隨之降低。當(dāng)燃油和空氣的比值為某一特定值時(shí)，進(jìn)入氣缸的燃油和空氣剛好分別燃燒完全，此時(shí)所測得的EGT最高，稱為峰值EGT。而該特定的油氣混合比比值稱為油氣混合比的理想配比。

1.2 油氣混合理想配比的計(jì)算

航空汽油的主要化學(xué)成分為脂肪烴和環(huán)烷烴類及一定量的芳香烴，分子結(jié)構(gòu)式為C8H18，汽油燃燒化學(xué)反應(yīng)公式如下：

依質(zhì)量計(jì)，其燃燒前后的相對分子質(zhì)量為：(12×8+1×18)+(12.5×16×2)→ 8×(12+16×2)+9×(1×2+16)即：

可以看出，按相對分子質(zhì)量計(jì)算，在汽油和氧化劑比例為114：400時(shí)，可完全燃燒生成二氧化碳和水。依據(jù)該比值，燃燒1kg汽油(C8H18)，需3.5kg氧氣。

根據(jù)氧氣在空氣中的含量，設(shè)所需空氣質(zhì)量為G ：

式中，W為空氣中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且已知W=0.23。

將W=0.23代入式（2）中，計(jì)算得出：G=15.2。

這意味著，每1kg的航空汽油完全燃燒需消耗約15kg的空氣。1：15.2為理想配比，在油氣混合氣的理想配比下，燃油質(zhì)量與使其完全燃燒的氧化劑（氧氣）質(zhì)量剛好匹配。

1.3 飛行中貧富油的調(diào)整

上述分析的油氣混合理想配比的前提是飛機(jī)靜止停放在地面上，但在實(shí)際飛行中飛機(jī)高度、大氣溫度、空氣密度等條件都會隨時(shí)改變，而這些都恰恰與密度高度緊密相關(guān)。

密度高度是將氣壓高度進(jìn)行了溫度修正后的高度，其最主要的目的是讓飛行員和飛機(jī)設(shè)計(jì)制造單位計(jì)算并了解正確的飛機(jī)性能。一個(gè)密度高度對應(yīng)一個(gè)空氣密度，如果溫度升高，密度高度增加。密度高度增加意味著空氣密度下降，以及飛機(jī)飛行性能的降低。密度高度增加后，發(fā)動機(jī)也易富油，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)對發(fā)動機(jī)微調(diào)貧油以便增加發(fā)動機(jī)功率，使發(fā)動機(jī)工作更穩(wěn)定。對于選裝了G1000電子設(shè)備的C172R飛機(jī)，還可以通過MFD輔助頁面查看其密度高度。

按照塞斯納C172R飛機(jī)飛行手冊要求，若飛機(jī)起飛時(shí)密度高度超過3000m，就必須調(diào)整貧富油。起飛時(shí)貧富油的設(shè)置：由于在貧油狀態(tài)下發(fā)動機(jī)推大功率可能發(fā)生早燃，使發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，而發(fā)動機(jī)在富油狀態(tài)時(shí)工作相對穩(wěn)定，且富油時(shí)多余的燃油還可降低氣缸頭溫度，冷卻發(fā)動機(jī)，并減小發(fā)動機(jī)爆震的概率，因此，在起飛時(shí)發(fā)動機(jī)貧富油需設(shè)在富油狀態(tài)。飛行中貧富油的設(shè)置：整個(gè)空中飛行過程包括爬升、巡航和下降共3個(gè)階段，每個(gè)階段都有自己的貧富油調(diào)節(jié)規(guī)律。根據(jù)萊康明發(fā)動機(jī)公司提供的資料和C172R飛機(jī)飛行手冊要求，在爬升階段應(yīng)注意不要調(diào)節(jié)到全富油狀態(tài)，否則可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，在巡航階段不論高度如何變化，為節(jié)約航油，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，都可以調(diào)節(jié)貧富油在貧油狀態(tài)，下降階段則應(yīng)隨著飛行高度的降低逐漸向富油狀態(tài)調(diào)整混合比。

2 EGT曲線的研究意義

2.1 設(shè)置油氣混合比

圖1為萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機(jī)EGT及相關(guān)參數(shù)曲線示意圖，其上半部分顯示了EGT隨燃油空氣混合比比值變化，飛行員操作油氣混合比桿可以控制這一比值，前推油氣混合比桿增加燃油供給，油氣比比值增大，前推至底為全富油狀態(tài)，反之后拉至底為全貧油狀態(tài)。

圖1 萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機(jī)EGT及相關(guān)參數(shù)曲線示意圖

當(dāng)燃油與空氣比值為理想配比0.066（1：15.2）時(shí)，EGT達(dá)到峰值，如圖1中虛線所示。飛行員可以根據(jù)需要將油氣混合比設(shè)置在峰值的左側(cè)，即稍貧油狀態(tài)；或者將油氣混合比設(shè)置在峰值的右側(cè)，即稍富油狀態(tài)。其中，離峰值左側(cè)越遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)檫^貧油狀態(tài)。此時(shí)，發(fā)動機(jī)將因?yàn)楣┙o的燃料不足而不能工作；相反，離峰值右側(cè)越遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)檫^富油狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動機(jī)又將因?yàn)槿狈諝舛荒芄ぷ?。活塞式航空發(fā)動機(jī)要在一個(gè)起降過程中的各種飛行高度穩(wěn)定工作，必須在地面起飛前，通過觀察EGT峰值，來設(shè)置油氣混合比。飛機(jī)制造商通常給出的油氣混合比設(shè)置點(diǎn)是EGT峰值溫度的-100℉（-73.3℃）。

由圖1可知，峰值 EGT 隨發(fā)動機(jī)輸出功率的增加而升高，大多數(shù)活塞式航空發(fā)動機(jī)的最高峰值EGT大約是1570℉（854℃）。

2.2顯示最大可用功率

圖1下半部分顯示了萊康明IO-360-L2A活塞式航空發(fā)動機(jī)功率隨燃油空氣混合比比值變化，把發(fā)動機(jī)油氣混合比設(shè)置在EGT峰值溫度的富油側(cè)-100℉（-73.3℃）將產(chǎn)生最大功率值，此時(shí)油氣混合比是0.083，該混合比臨近區(qū)域稱為最大巡航功率區(qū)域，如圖1中右面陰影部分所示。此時(shí)，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生最大可用功率，但發(fā)動機(jī)將比峰值EGT時(shí)多消耗26%的燃油。

活塞式發(fā)動機(jī)飛機(jī)通常通過調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速和螺旋槳槳葉角度來改變發(fā)動機(jī)輸出功率，因此飛機(jī)儀表板沒有專用于指示發(fā)動機(jī)輸出功率的儀表。但依據(jù)上述EGT與最大功率的關(guān)系，飛行員可以通過觀察EGT的數(shù)值變化來控制功率，先將油門桿前推至最大，通過改變油氣混合比使EGT調(diào)整到最大值，然后往富油方向調(diào)整油氣混合比，將EGT值減小100℉（37.8℃）即為最大功率值。

2.3 掌握各氣缸工作狀態(tài)

當(dāng)飛行員從富油往貧油方向調(diào)整混合比設(shè)置時(shí)，通常會發(fā)現(xiàn)每個(gè)氣缸的EGT峰值有輕微不同。圖2是Cessna 172R飛機(jī)Garmin G1000系統(tǒng)中貧油頁面的圖片，顯示了發(fā)動機(jī)4個(gè)氣缸的EGT值。但部分發(fā)動機(jī)只有單一EGT傳感器，其他氣缸的EGT由于不可見而不受監(jiān)控，此時(shí)飛行員可調(diào)整油氣混合比，通過拉混合比桿設(shè)貧油，使EGT到達(dá)峰值，然后回推混合比桿讓發(fā)動機(jī)富油，使EGT值降低-100℉（37.8℃），以確保所有剩余的氣缸都在EGT峰值富油側(cè)工作。

2.4 控制燃油經(jīng)濟(jì)性

關(guān)于活塞式航空發(fā)動機(jī)在EGT峰值貧油側(cè)工作可以節(jié)約燃油的論斷，行業(yè)內(nèi)一直持有爭論，以前的觀點(diǎn)認(rèn)為這將燒毀發(fā)動機(jī)；但分析圖1發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)可以工作在EGT峰值相同溫度的富油側(cè)，也一定可以工作在貧油側(cè)。

由圖1可知，當(dāng)油氣混合比為0.059，即1kg的燃油配比17kg的空氣時(shí)，發(fā)動機(jī)運(yùn)行在峰值EGT貧油側(cè)-100℉（-73.3℃），相對于最大功率時(shí)節(jié)約燃油41%。查看功率曲線發(fā)現(xiàn)，此時(shí)功率僅比最大功率減少約6%。通過Cessna 172R飛機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證其飛行速度相應(yīng)地從240km/h降低為226km/h，僅減少 14km/h，但燃油經(jīng)濟(jì)性卻得到大幅度提升。

2.5 監(jiān)控發(fā)動機(jī)的損傷

如果持續(xù)較長時(shí)間的高EGT值，將會對發(fā)動機(jī)活塞造成損傷，包括活塞變形、融化、燒灼、穿洞、裂縫等，而且這種損傷還是不斷累積的。如果活塞頂面有輕微蝕燒，發(fā)動機(jī)可以暫時(shí)繼續(xù)運(yùn)行，但如果EGT再次過高，將會造成更大的傷害，如此反復(fù)，直至發(fā)動機(jī)活塞失效?；钊娇掌魇菫?zāi)難性的，當(dāng)活塞遭受損壞時(shí)，由于鋁比鋼或鑄鐵具有較低的硬度和熔化溫度，損壞的活塞及連桿將摧毀發(fā)動機(jī)內(nèi)部由鋁及鋁合金制成的部件。過高的EGT也會導(dǎo)致排氣歧管和缸蓋裂紋，排氣閥也會在高EGT時(shí)失效卡阻。這些部件的損壞、卡阻將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效，造成發(fā)動機(jī)在空中停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響飛行安全。為避免出現(xiàn)嚴(yán)重后果，當(dāng)發(fā)生EGT過高事件后，最低限度的維護(hù)措施是對發(fā)動機(jī)進(jìn)行修理，這也就意味著需要昂貴的維修費(fèi)用。

為此，必須明確EGT的上限峰值?；钊胶娇瞻l(fā)動機(jī) EGT 在 1350oF（732℃）~1400oF（760℃）是安全的工作溫度，在這區(qū)間可以持續(xù)正常工作。超過 1400oF （760℃）時(shí)雖然允許運(yùn)行，但不宜長時(shí)間工作，否則將影響發(fā)動機(jī)的性能。超過1500oF（815℃）時(shí)，發(fā)動機(jī)受損是必然后果，而且EGT越高，發(fā)動機(jī)受損失效的時(shí)間就越短。如果超過1500oF（815℃），必須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行大修檢查，必要時(shí)需更換受損部件或報(bào)廢整臺發(fā)動機(jī)。

3 結(jié)束語

EGT是反映發(fā)動機(jī)工作性能的一個(gè)重要參數(shù)，可以通過測量EGT實(shí)時(shí)掌握航空發(fā)動機(jī)的性能，確保發(fā)動機(jī)正常穩(wěn)定可靠運(yùn)行。飛行員可以參照EGT性能曲線設(shè)定發(fā)動機(jī)的最大功率、最佳經(jīng)濟(jì)性能等工作狀態(tài)；維修人員可以通過監(jiān)視EGT值對發(fā)動機(jī)進(jìn)行健康測評，酌情予以維修和更換，從而避免經(jīng)濟(jì)損失的擴(kuò)大，以及危及飛行安全的發(fā)動機(jī)故障事故的發(fā)生。另外，了解EGT與油耗和發(fā)動機(jī)功率的關(guān)系，對燃油管理、飛行范圍、續(xù)航能力和發(fā)動機(jī)操作還將起到?jīng)Q策和指引作用，從而確保飛機(jī)安全可靠的運(yùn)行。