AE300 發動機調速器原理及常見故障探究*

■ 李光耀/中國民用航空飛行學院洛陽分院

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

1 AE300 發動機調速器調速原理

P-877-16 型調速器與傳統純機械式調速器相比，二者在機械原理上基本相同，區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 是帶螺紋的轉動軸，A 是旋擰在轉動軸B 上的螺帽。當電機轉動時，B 在電機的帶動下旋轉，螺帽A 在軸上發生相對運動，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的預緊力，從而改變調速器的設定轉速。

圖1 P-877-16型調速器原理示意圖

DA42NG 飛機的螺旋槳調速受功率桿和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），分別為對應發動機的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（設為X 信號），一路輸出范圍為0.05 ～0.45Vcc（設為Y 信號），Vcc 是功率桿位置傳感器的供電電壓。ECU 實時監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（電壓信號轉換為功率桿位置百分比）并濾波后得出當前功率桿的實時位置。ECU會在已設定好的“功率桿位置-目標轉速對應表（見圖2）”中查找當前功率桿位置所對應的目標轉速，通過比對螺旋槳當前轉速與目標轉速，得出轉速差值，并根據調速器電機當前所在位置（最大可調轉速限動位、最小可調轉速限動位、中間位），來決定是否發出依據ECU 電壓修正后的PWM 調速信號，使電機轉動以改變飛重彈簧的預緊力，從而改變調速器的設定轉速。

圖2 AE300發動機功率桿-螺旋槳轉速設定曲線

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

圖3 AE300螺旋槳調速原理圖

地面試車時，靜止無風狀態下，在螺旋槳轉速大約小于等于1960 轉之前，因為螺旋槳的轉速總是小于功率桿對應位置的設定轉速，調速器始終為“小距”油路，靠發動機功率的增加與螺旋槳最小槳葉角的配合來增加轉速，大約從1960 轉、60%功率桿位置起，最小槳葉角狀態下的螺旋槳轉速才開始大于等于功率桿位置對應的設定轉速，調速器電機開始動作，調速器開始真正起到調速作用，也就是俗稱的“調速器介入”。緩慢推功率桿至螺旋槳轉速為2050 ～2150 轉之間時，應能聽到螺旋槳變距的聲音，此時功率桿位置約為60%，螺旋槳掉轉至1960 轉左右。當設定轉速大于螺旋槳當前轉速時，ECU輸出令調速器電機向“小設定轉速”方向轉動的PWM 波，數據圖形上表現為PWM 的占空比大于零；當設定轉速小于螺旋槳當前轉速時，ECU 輸出令調速器電機向“大設定轉速”方向轉動的PWM 波，數據圖形上表現為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方向）。

地面試車時，當發動機電門打開時，回槳儲壓器電磁閥打開，順槳電磁閥關閉，回槳儲壓器中存儲的壓力通過調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。地面靜止無風狀態下，螺旋槳轉速約小于1960 轉之前，因地面螺旋槳實際轉速始終小于ECU的設定轉速，調速器始終處于“最大可調轉速”位置，不斷向螺旋槳內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 轉之間，螺旋槳最小槳葉角和當前發動機輸出扭矩的組合所產生的結果會使螺旋槳的實際轉速高于設定轉速，此時螺旋槳開始變大距，調速器電機從最大可調轉速位到達中間位，轉速降至1960 轉左右；繼續推功率桿，發動機扭矩增加，調速器電機根據當前螺旋槳轉速與目標螺旋槳轉速的差值調整向“大設定轉速”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100%位，且調速器電機運動到調速器內部的“最大位限動”開關閉合為止。

2 AE300 發動機調速器的“調速間隙”

經實踐發現，AE300 發動機的調速器存在“調速間隙”，即調速器同樣處于“最大可調轉速位置開關”接通狀態，發動機達到的最終轉速卻不同。主要原因在于調速器電機向“最大可調轉速”方向運動至馬上要接通“最大可調轉速開關”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“最大可調轉速開關”壓得越緊，相應的飛重彈簧的預緊力也越大，調速器的當前可調轉速也越大，表現為大車轉速越大；最末時刻的電機運動速度越小，其電機雖然將“最大可調轉速開關”壓通，但卻沒有速度大時壓得緊，相應的飛重彈簧的預緊力也越小，調速器的當前可調轉速也越小，表現為大車轉速越小。

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

若要獲得調速器的“調速間隙”，可以先推功率桿至最前位，收功率桿至2000 轉左右，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速穩定后，記錄此時的螺旋槳大車轉速為A（若出現螺旋槳瞬間轉速超過2300 轉、ECU 回調螺旋槳轉速至小于2300 轉現象，則A 值會偏低），觀察LiveView 中Propeller gov. actuator，endstop status 應為2（電機在最大可調轉速位置，觸發了最大可調轉速位置開關），而后以較慢的速度收功率桿，Propeller gov. actuator，endstop status 應變為0（調速器電機在中間位），收至螺旋槳1960 轉時，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出現較為穩定的-10%以內（越小越好）的調速信號，停止收功率桿，等待Propeller gov. actuator，endstop status 變為2，快速推功率桿至最前位，記錄此時的螺旋槳大車轉速為B，則A 與B 的差值即為該調速器的調速間隙。

因調速器調速間隙的存在，在DA42NG 飛機定檢試車的大車轉速檢查中，建議應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，均可令螺旋槳轉速穩定在2250 ～2300轉之間，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，螺旋槳最終轉速均可達到2250 ～2300 轉。

3 AE300 發動機調速器卡阻

AE300 發動機的調速器出現過多次卡阻，主要表現為調速器電機卡在最大可調轉速位置上不動，空中收功率桿，轉速幾乎不降（典型表現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速狀態）。地面上表現為進入大車早（大約75%功率已進入大車），且螺旋槳1960 轉左右“無變距聲音和現象”，大車位收功率桿至75%功率前，轉速幾乎不下降。查看發動機數據，可看到“長時間、平臺型、占空比100%的調速信號”（正常情況下調速信號不會出現長時間占空比為100%的平臺型調速信號），如圖4 所示。目前分析認為，令調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轉速曲線，令調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”最大可調轉速的螺釘，久而久之，快速碰撞越多，其電機與旋轉軸、最大可調轉速螺釘之間會越緊，最終導致電機在反向調速器信號驅動下難以反向轉動離開最大可調轉速螺釘，出現卡阻。二是外場在調整調速器的最大可調轉速螺釘時，未使用工具將調速器電機驅動調到中間位，而是直接向里旋緊最大可調轉速螺釘，令其間接性地用力擠壓、壓緊電機，也可能導致后續卡阻。

圖4 筆者開發的AE300發動機數據分析軟件中導出的典型的調速器空中卡阻圖

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

圖5 調速器卡阻在最小轉速設定位置圖

4 AE300 發動機ECU 測試

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

若出現ECU 測試失敗，尤其是同一臺發動機短期內兩次出現測試失敗，不能簡單地認為是“假故障”習慣性地清除故障碼，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，目前發現導致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。出現此故障后，需要重點關注其Propeller self test state machine，actual state 是階段幾，若為03，代表變大距階段，就是期望轉速下降至70 轉左右的階段；若為04，則代表變小距階段，就是期望轉速增至1820 轉的階段。應綜合發動機DataLog 數據來判定故障原因的可能所在。

總結可以導致0x1C01 Propeller self test failure 故障的主要原因：

1）齒輪箱齒輪泵、調速器及變距系統的管路中有氣或者氣塞，最容易出現在發動機定檢后或是更換調速器、連續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）調速器使用一段時間后，可能有外部液體進入調速器內部或調速器內部的“綜合間隙變化”導致ECU 測試階段3 中調速器電機向小設定轉速方向轉動時觸發了“最小轉速設定開關”，同時未觸碰徹底，其接觸電阻導致調速器的位置監測電壓落入“最大轉速位置電壓”區間，使EECU 誤認為調速器電機碰到了最大轉速設定螺釘，從而導致階段4 直接消失，ECU 測試失敗。此故障出現時，將調速器的最小轉速設定轉速螺釘后退1 圈左右，即可避免該故障再次出現，且實踐檢驗效果良好。

3）調速器電機卡阻，若電機一直卡在某個位置上無法轉動，則螺旋槳轉速可能在ECU 測試的階段3 和階段4中無法變化，導致ECU 測試失敗，此種情況應盡快更換調速器。

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

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

6）可能在階段3 螺旋槳變大距、轉速下降過程中偶遇正面大風，令槳葉攻角偏小，螺旋槳載荷偏輕，轉速下降不足70 轉，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

基于筆者長期對P-877-16 調速器的研究和實踐，本文從該調速器的原理出發，結合常見故障現象，對調速器工作原理進行深入分析，本文的總結可為一線維修人員及相關工程技術人員提供參考。