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摘 要 发动机排气温度通常指发动机尾喷口喷出的燃气平均温度，它是衡量和反映发动机性能的重要参数之一。在发动机开车时，排气温度应保持在规定的范围内，不能过高或过低，特别在起动过程中，应注意防止温度过高损害发动机。笔者对几起发动机超温保护停车故障进行分析，发现了排气温度超温保护电路的设计缺陷，进而总结提出了线路和产品的合理化改进建议，通过改进能够有效降低故障发生的概率。
关键词 发动机停车；告警门限；超温保护；联锁控制电路
中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0161-02
近些年，某型飞机频繁出现发动机地面起动排气温度超温保护自动停车故障，通过统计半数以上故障都是由发动机起动自动切油和超温保护装置（以下简称电温调）直接发出的停车指令，经研究分析发现发动机排气温度信号线路如果存在接触不良现象，会导致电温调采集到虚高排气温度信号，进而触发超温保护停车功能。
1 故障机理分析
1.1 发动机自动停车原理
在发动机转速达到发动机额定转速的8%时，电温调参与监控并记录发动机排气温度等相关参数。电温调依据设定好的发动机起动曲线控制起动切油电磁活门工作，即减少工作燃油油量。起动切油电磁活门通电后，向发动机供给的工作燃油量减少约18%～25%，即使切油电磁活门切死，依然有超过75%的工作燃油供给发动机，此时如果排气温度持续升高并超过电温调超温保护告警门限（740±10℃），电温调会向停车电磁活门发出+28 V控制信号，停车电磁活门接通使发动机断油停车。
1.2 热电偶工作原理
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，基于热电效应原理制成，具有测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便热惯性比较小、灵敏性好、能远距离传输信号等优点，适用于高温测量。常见的普通工业型热电偶有铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、铜-康铜等几种。该型机上使用的热电偶（排气温度传感器）是由硅青铜合金和铁镍合金两种材料组成，双金属的工作端插在发动机尾喷管中感受高温，双金属的非工作端分别接在排气温度接线盒接线板上，并用导线延伸至发动机指示和空勤告警系统（以下简称EICAS）进行显示。当发动机工作，喷管中温度升高时，热电偶产生温差电动势，为便于测得平均温度，将分布在尾喷管圆周上的4个热电偶串联起来，因总电动势和平均温度成正比，电动势的变化可直观指示发动机尾喷管的平均温度的变化。
1.3 电温调工作原理
电温调在发动机地面起动过程中，通过监控发动机转速、涡轮后燃气温度和大气温度，根据相应的起动规律，控制燃油调节器切油电磁阀的动作，实现自动切油功能，使发动机在120秒内起动成功。
电温调具有如下超温保护停车功能。
1）硬件超温保护停车功能。电温调内部具有四个相互独立的硬件控制通道，分别监控发动机的排气温度信号，实现发动机排气温度超温时的硬件保护停车功能。当排气温度超过745℃或排气温度信号线路出现断路时，硬件电路发出停车信号。
2）软件超温保护停车功能。当起动发动机转速达到8%时电温调软件介入工作，监控并记录发动机转速和排气温度。发动机转速达到78.5%时软件认为发动机起动成功，发出起动成功信号，并退出工作。在发动机8%～78.5%转速过程中，如果出现排气温度超过735℃或排气温度信号线路出现断路时，软件发出停车信号。
1.4 排气温度信号测量线路基本原理
在某型飞机上，EICAS和电温调在排气温度信号线路中的接法相同，属于并联关系，分别对4个热电偶串联后感受温度变化而感应出的热电势进行采集，测量简图见图1。
图1 EICAS和电温调排气温度测量简图
对于发动机排气温度信号（毫伏级电压），EICAS采集时无附加电源（图2），而电温调自带附加电源进行采集（图3）。
图2 EICAS采集排气温度原理简图
图3 电温调采集排气温度原理简图
1.5 故障分析
该型飞机每台发动机排气温度测量线路上都存在7个信号转接面（图4虚线框所示）共计有29个转接点（图4蓝色所示）。据统计排气温度信号线路故障间接导致了5起发动机地面停车故障，5个故障点详见图4中F1-F5标注，F1、F2、F3为热电偶成品电缆连接故障点，此三点故障的原因为螺钉连接松动和连接线断裂；F4、F5为飞机试飞调试中发生的故障点，其故障原因为插头缩针和接线模块故障。
图4 排气温度信号线路转接关系图
在所有设备工作正常且线路正常的情况下，整个排气温度信号系统等效电路如图5所示。EICAS两套主机EPU1、EPU2和热电偶并联接入电温调测量电路，并联阻值小于5 Ω，相对于两个10 MΩ的电阻，12 V的电压在并联电阻上几乎没有压降（约为0.003 mV），EPU采集到的电压几乎为0，随着排气温度的升高，热电偶两端电压逐渐升高，EPU采集的电压升高，同时显示的温度也一起升高，当启动成功后，温度指示基本稳定在270℃～300℃。若图4中绿色实线路上任意一个点出现接触不良的情况，则在线路断开连接的瞬间，热电偶的5 Ω电阻并没有并入电路，此时EPU1、EPU2并联阻值为0.5 MΩ，12 V的电压在并联电阻上压降约为220 mV，EICAS排气温度显示会超出最大显示门限值（900℃），此时，电温调采集到的电压虽不是真实的排气温度电压，但足以触发超温保护电路发出停车指令。同理可以分析得出，EPU1、EPU2、电温调采集端任意一个转接点接触不良都不会触发电温调超温保护停车功能。
因此，发动机排气温度线路接触不良引发地面自动停车故障直接原因为：排气温度线路断开时，电温调采集到虚高信号，判断此刻该发动机排气温度超温而发出停车信号，停车电磁阀通电切断工作燃油。 图5 正常情况下的排气温度信号等效电路图
2 改进措施
2.1 排气温度信号线路改进措施
由于机身机翼工艺分离面设计、EICAS和电温调信号采集需要，无法取消图4中转接面3、4、5、6、7对应的信号转接点。这些信号转接点连接设计均采用插针/插孔连接方式，插针/插孔与导线连接采用专用压接工具，确保压接可靠，采用专用工具将压接导线的插针/插孔送入或取出插头（座）进行安装，具有防缩针设计，连接可靠，满足GJB 599A标准，该连接技术广泛应用于各系统电信号的连接。F4故障点原因是缩针，造成缩针的原因为插针安装不到位；F5故障点原因是模块故障，造成模块故障的原因是其内部有一小块绝缘多余物，通过加强工艺过程控制、模块筛选等措施，可以避免再次发生此类故障。运8系列飞机在外场使用过程中也未遇到过此类故障信息，插针/插孔连接到位后，飞机在外场使用中无需维护，插头与插座的插拔不影响插针/插孔的可靠连接。
图4所示，排气温度信号转接点除上述10个插针/插孔连接点外，还有13个螺接点。由于热电偶自身故障模式的特殊性，更换热电偶、发动机换装等工作会分解安装转接面1或2。转接面1或2出现接触不良故障的主要原因为螺栓或螺母松动，F1和F2故障点即为此种情况。F3故障点的原因为补偿导线多次大角度弯曲造成的疲劳断裂，属偶发故障，在制造和安装过程中加强工艺质量控制，可预防此类事件再次发生。
综上，根据排气温度输入信号连接故障点的分析，插针/插孔连接方式的转接点可以保持不变，仅对螺钉螺母连接点进行改进，具体如下。
1）改进热电偶与配套补偿导线、补偿导线与排气温度接线盒接线柱的连接工艺（如限定螺接时的拧紧力矩和增加螺母定位标识等），提高连接点可靠性；
2）改进热电偶与排气温度接线盒的连接方式，减少连接点数量，提高系统可靠性。
2.2 增加防差错联锁控制电路设计
1）增加联锁控制电路设计需求分析。根据电温调设计原理可知，起动成功后（转速大于78.5%），软件退出控制，但硬件将持续监控直到关闭电温调电源。在已发生8起发动机地面起动故障中，有4起故障都是在地面起动其他发动机过程中，由电温调发出停车指令，将已起动成功并正常工作的发动机自动停车。四台发动机地面起动成功后，断开电温调工作电源即可使电温调硬件退出对发动机的监控，但存在未及时关闭电温调电源开关，使电温调不能退出对发动机监控的可能。因此，需根据发动机起动控制系统工作原理，增加防差错联锁控制电路设计，确保发动机起动成功后电温调退出对发动机的监控，防止误操作。
2）电温调工作电源联锁设计。发动机地面起动程序要求，发动机起动前将起动电源总开关“空中-地面”置于“地面”位，向起动控制系统供电，发动机起动成功后，将其关闭，即置于“空中”位。将起动电源总开关“空中-地面”由单刀开关（MJK-2A）更改为双刀开关（MJK2-2A），利用其中一刀串联在电温调电源输入线路中，使电温调电源的接通和断开同时受起动电源总开关和电温调电源开关的控制，实现电源联锁设计，保证起动结束后，电温调可靠断电。
增加工作电源联锁设计，可保证四台发动机全部起动后，电温调完全退出工作，但不能实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控。
3）利用起动选择开关信号实现联锁控制设计。为了实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控，根据发动机地面起动程序，发动机起动前需接通相应的发动机起动选择开关。因此，电温调可以利用发动机起动选择开关信号，作为防差错设计措施，实现相应通道硬件电路监控工作与退出控制，确保每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控。
2.3 电温调产品改进
针对电温调对发动机虚假排气温度信号的识别能力和抗干扰能力差的问题，分析认为可以从如下方面进行改进。
1）发动机起动成功后，软、硬件均自动退出对该台发动机的控制，同时保留原手动断电功能。
2）将排气温度信号采集线路断路后立即（10 ms）保护停车功能改为断路后硬件125 ms保护停车功能，增强电温调的容错能力。
3）取消电温调断偶保护功能，增加排气温度监控功能，超温时切油控制，欠温时发出告警。
4）完善软/硬件超温保护停车判据。
5）利用起动选择信号，实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控的防差错功能。
3 结束语
通过对发动机排气温度线路接触不良引发地面自动停车故障深入分析，明确了导致故障的直接原因，提出了保证排气温度信号线路可靠连接的设计工艺改进措施，制定了发动机起动成功后确保电温调可靠退出工作的联锁控制电路防差错设计措施，给出了电温调改进的建议。通过以上措施，能够有效预防因虚假信号导致发动机地面自动停车故障的发生。
参考文献
[1]冯志书，李晓明.某型航空发动机排气温度测温原理研究[J].装备制造技术，2010（4）：41-42.
[2]蒋晓玲.工业用热电偶的选择与安装[J].通用机械，2003（3）：62-63.
关键词 发动机停车；告警门限；超温保护；联锁控制电路
中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0161-02
近些年，某型飞机频繁出现发动机地面起动排气温度超温保护自动停车故障，通过统计半数以上故障都是由发动机起动自动切油和超温保护装置（以下简称电温调）直接发出的停车指令，经研究分析发现发动机排气温度信号线路如果存在接触不良现象，会导致电温调采集到虚高排气温度信号，进而触发超温保护停车功能。
1 故障机理分析
1.1 发动机自动停车原理
在发动机转速达到发动机额定转速的8%时，电温调参与监控并记录发动机排气温度等相关参数。电温调依据设定好的发动机起动曲线控制起动切油电磁活门工作，即减少工作燃油油量。起动切油电磁活门通电后，向发动机供给的工作燃油量减少约18%～25%，即使切油电磁活门切死，依然有超过75%的工作燃油供给发动机，此时如果排气温度持续升高并超过电温调超温保护告警门限（740±10℃），电温调会向停车电磁活门发出+28 V控制信号，停车电磁活门接通使发动机断油停车。
1.2 热电偶工作原理
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，基于热电效应原理制成，具有测量精度高、测量范围广、构造简单、使用方便热惯性比较小、灵敏性好、能远距离传输信号等优点，适用于高温测量。常见的普通工业型热电偶有铂铑10-铂热电偶、镍铬-镍硅热电偶、铜-康铜等几种。该型机上使用的热电偶（排气温度传感器）是由硅青铜合金和铁镍合金两种材料组成，双金属的工作端插在发动机尾喷管中感受高温，双金属的非工作端分别接在排气温度接线盒接线板上，并用导线延伸至发动机指示和空勤告警系统（以下简称EICAS）进行显示。当发动机工作，喷管中温度升高时，热电偶产生温差电动势，为便于测得平均温度，将分布在尾喷管圆周上的4个热电偶串联起来，因总电动势和平均温度成正比，电动势的变化可直观指示发动机尾喷管的平均温度的变化。
1.3 电温调工作原理
电温调在发动机地面起动过程中，通过监控发动机转速、涡轮后燃气温度和大气温度，根据相应的起动规律，控制燃油调节器切油电磁阀的动作，实现自动切油功能，使发动机在120秒内起动成功。
电温调具有如下超温保护停车功能。
1）硬件超温保护停车功能。电温调内部具有四个相互独立的硬件控制通道，分别监控发动机的排气温度信号，实现发动机排气温度超温时的硬件保护停车功能。当排气温度超过745℃或排气温度信号线路出现断路时，硬件电路发出停车信号。
2）软件超温保护停车功能。当起动发动机转速达到8%时电温调软件介入工作，监控并记录发动机转速和排气温度。发动机转速达到78.5%时软件认为发动机起动成功，发出起动成功信号，并退出工作。在发动机8%～78.5%转速过程中，如果出现排气温度超过735℃或排气温度信号线路出现断路时，软件发出停车信号。
1.4 排气温度信号测量线路基本原理
在某型飞机上，EICAS和电温调在排气温度信号线路中的接法相同，属于并联关系，分别对4个热电偶串联后感受温度变化而感应出的热电势进行采集，测量简图见图1。
图1 EICAS和电温调排气温度测量简图
对于发动机排气温度信号（毫伏级电压），EICAS采集时无附加电源（图2），而电温调自带附加电源进行采集（图3）。
图2 EICAS采集排气温度原理简图
图3 电温调采集排气温度原理简图
1.5 故障分析
该型飞机每台发动机排气温度测量线路上都存在7个信号转接面（图4虚线框所示）共计有29个转接点（图4蓝色所示）。据统计排气温度信号线路故障间接导致了5起发动机地面停车故障，5个故障点详见图4中F1-F5标注，F1、F2、F3为热电偶成品电缆连接故障点，此三点故障的原因为螺钉连接松动和连接线断裂；F4、F5为飞机试飞调试中发生的故障点，其故障原因为插头缩针和接线模块故障。
图4 排气温度信号线路转接关系图
在所有设备工作正常且线路正常的情况下，整个排气温度信号系统等效电路如图5所示。EICAS两套主机EPU1、EPU2和热电偶并联接入电温调测量电路，并联阻值小于5 Ω，相对于两个10 MΩ的电阻，12 V的电压在并联电阻上几乎没有压降（约为0.003 mV），EPU采集到的电压几乎为0，随着排气温度的升高，热电偶两端电压逐渐升高，EPU采集的电压升高，同时显示的温度也一起升高，当启动成功后，温度指示基本稳定在270℃～300℃。若图4中绿色实线路上任意一个点出现接触不良的情况，则在线路断开连接的瞬间，热电偶的5 Ω电阻并没有并入电路，此时EPU1、EPU2并联阻值为0.5 MΩ，12 V的电压在并联电阻上压降约为220 mV，EICAS排气温度显示会超出最大显示门限值（900℃），此时，电温调采集到的电压虽不是真实的排气温度电压，但足以触发超温保护电路发出停车指令。同理可以分析得出，EPU1、EPU2、电温调采集端任意一个转接点接触不良都不会触发电温调超温保护停车功能。
因此，发动机排气温度线路接触不良引发地面自动停车故障直接原因为：排气温度线路断开时，电温调采集到虚高信号，判断此刻该发动机排气温度超温而发出停车信号，停车电磁阀通电切断工作燃油。 图5 正常情况下的排气温度信号等效电路图
2 改进措施
2.1 排气温度信号线路改进措施
由于机身机翼工艺分离面设计、EICAS和电温调信号采集需要，无法取消图4中转接面3、4、5、6、7对应的信号转接点。这些信号转接点连接设计均采用插针/插孔连接方式，插针/插孔与导线连接采用专用压接工具，确保压接可靠，采用专用工具将压接导线的插针/插孔送入或取出插头（座）进行安装，具有防缩针设计，连接可靠，满足GJB 599A标准，该连接技术广泛应用于各系统电信号的连接。F4故障点原因是缩针，造成缩针的原因为插针安装不到位；F5故障点原因是模块故障，造成模块故障的原因是其内部有一小块绝缘多余物，通过加强工艺过程控制、模块筛选等措施，可以避免再次发生此类故障。运8系列飞机在外场使用过程中也未遇到过此类故障信息，插针/插孔连接到位后，飞机在外场使用中无需维护，插头与插座的插拔不影响插针/插孔的可靠连接。
图4所示，排气温度信号转接点除上述10个插针/插孔连接点外，还有13个螺接点。由于热电偶自身故障模式的特殊性，更换热电偶、发动机换装等工作会分解安装转接面1或2。转接面1或2出现接触不良故障的主要原因为螺栓或螺母松动，F1和F2故障点即为此种情况。F3故障点的原因为补偿导线多次大角度弯曲造成的疲劳断裂，属偶发故障，在制造和安装过程中加强工艺质量控制，可预防此类事件再次发生。
综上，根据排气温度输入信号连接故障点的分析，插针/插孔连接方式的转接点可以保持不变，仅对螺钉螺母连接点进行改进，具体如下。
1）改进热电偶与配套补偿导线、补偿导线与排气温度接线盒接线柱的连接工艺（如限定螺接时的拧紧力矩和增加螺母定位标识等），提高连接点可靠性；
2）改进热电偶与排气温度接线盒的连接方式，减少连接点数量，提高系统可靠性。
2.2 增加防差错联锁控制电路设计
1）增加联锁控制电路设计需求分析。根据电温调设计原理可知，起动成功后（转速大于78.5%），软件退出控制，但硬件将持续监控直到关闭电温调电源。在已发生8起发动机地面起动故障中，有4起故障都是在地面起动其他发动机过程中，由电温调发出停车指令，将已起动成功并正常工作的发动机自动停车。四台发动机地面起动成功后，断开电温调工作电源即可使电温调硬件退出对发动机的监控，但存在未及时关闭电温调电源开关，使电温调不能退出对发动机监控的可能。因此，需根据发动机起动控制系统工作原理，增加防差错联锁控制电路设计，确保发动机起动成功后电温调退出对发动机的监控，防止误操作。
2）电温调工作电源联锁设计。发动机地面起动程序要求，发动机起动前将起动电源总开关“空中-地面”置于“地面”位，向起动控制系统供电，发动机起动成功后，将其关闭，即置于“空中”位。将起动电源总开关“空中-地面”由单刀开关（MJK-2A）更改为双刀开关（MJK2-2A），利用其中一刀串联在电温调电源输入线路中，使电温调电源的接通和断开同时受起动电源总开关和电温调电源开关的控制，实现电源联锁设计，保证起动结束后，电温调可靠断电。
增加工作电源联锁设计，可保证四台发动机全部起动后，电温调完全退出工作，但不能实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控。
3）利用起动选择开关信号实现联锁控制设计。为了实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控，根据发动机地面起动程序，发动机起动前需接通相应的发动机起动选择开关。因此，电温调可以利用发动机起动选择开关信号，作为防差错设计措施，实现相应通道硬件电路监控工作与退出控制，确保每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控。
2.3 电温调产品改进
针对电温调对发动机虚假排气温度信号的识别能力和抗干扰能力差的问题，分析认为可以从如下方面进行改进。
1）发动机起动成功后，软、硬件均自动退出对该台发动机的控制，同时保留原手动断电功能。
2）将排气温度信号采集线路断路后立即（10 ms）保护停车功能改为断路后硬件125 ms保护停车功能，增强电温调的容错能力。
3）取消电温调断偶保护功能，增加排气温度监控功能，超温时切油控制，欠温时发出告警。
4）完善软/硬件超温保护停车判据。
5）利用起动选择信号，实现每台发动机起动成功后电温调对应通道硬件电路立即退出监控的防差错功能。
3 结束语
通过对发动机排气温度线路接触不良引发地面自动停车故障深入分析，明确了导致故障的直接原因，提出了保证排气温度信号线路可靠连接的设计工艺改进措施，制定了发动机起动成功后确保电温调可靠退出工作的联锁控制电路防差错设计措施，给出了电温调改进的建议。通过以上措施，能够有效预防因虚假信号导致发动机地面自动停车故障的发生。
参考文献
[1]冯志书，李晓明.某型航空发动机排气温度测温原理研究[J].装备制造技术，2010（4）：41-42.
[2]蒋晓玲.工业用热电偶的选择与安装[J].通用机械，2003（3）：62-63.