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航空活塞发动机余气系数监控分析打开文本图片集摘要：余气系数对航空活塞发动机的性能和工作稳定性有着 非常重要的影响但是该参数无法直接测量为了实现对余气系数 监控本文阐述了一种针对余气系数计算的方法并依据某型航空活 塞发动机的实际运行参数计算余气系数通过对余气系数和转速 的对比分析确定了该型航空活塞发动机在大转速和中等转速状态 下余气系数略小应该适当降低燃油流量增大余气系数到最佳值关键词：活塞发动机;余气系数；转速;燃油流量航空活塞发动机的余气系数是指混合汽中实际空气量与理论 空气量的比值用Q表示如式（1）所示其中a中表示余气系数理 表示气缸中的燃料刚好完全燃烧所需要的理论空气量实表示实际 进入气缸的空气量理论空气量指的是在理想情况下根据计算得出以最少空气量 1kg燃料混合燃烧将其全部燃烧所需的最少空气量就称作理论空气 量对于不同种类的燃料其理论空气量的数值也各不相同任何 一种燃料的理论空气量都可以由燃烧的化学反应式计算出来在 常规大气条件下氧气在空气中的质量含量约为23. 2%经计算航空汽 油的理论空气量为15. 1kg空气/kg汽油；而航空煤油的理论空气量 为14. 7kg空气/kg （煤油）。

余气系数对航空活塞发动机的功率 和燃油消耗率至关重要是调节发动机工作状态的重要参数但余气 系数无法直接测量如果能够通过发动机的工作参数计算余气系 数将会对航空活塞发动机的状态监控和性能分析起到积极作用1余气系数的计算航空活塞发动机在设计定型时气缸的尺寸是固定的有关气缸 的一些参数是确定的若已知发动机的气缸工作容积为V工、压 缩比为残余废气系数为P进、T进、进是在飞机某飞行状态下活塞 发动机的进气压力、进气温度和进气密度R为空气常数对吸气式 发动机为简化计算可近似认为进气温度就是外界大气温度即：由此可知：对于四行程活塞发动机活塞在气缸内要依次经历进气、压 缩、膨胀和排气四个行程才能完成一个工作循环所有气缸每完 成一个工作循环曲轴每转两圈设发动机转速为n单位为转每分 钟燃油流量为qf单位为千克每秒m为发动机气缸个数则理论空气 量为：其中L0为1千克燃料刚好完全燃烧所需要的最少空气量将式（2）和式（3）代入公式（1）可得到余气系数的计算公 式为：其中取7%〜20%之间R为空气常数P进、TO、qf、n需要通过 仪表读取数据、V工、m可以通过发动机设计参数获得以某型航空活塞发动机为例该型发动机设计压缩比为8. 5： 1 工作容积V工为360立方英寸、气缸的数量m是6个燃料为100号无铅航空汽油故单位质量燃油的理论空气量L0取15. 1kg空气 /kg汽油。

该型发动机进气门和排气门的早开和晚关技术气门同开角度 较大扫气效果好故取0.07同时该型发动机使用的汽油密度为 722. 5kg/m3并把进气压力P进、大气温度T0、燃油流量qf、发动 机转速n换算为国际标准单位进气压力的单位英寸汞柱换算成帕 斯卡燃油流量的单位加仑每小时换算为千克每秒大气温度的单 位摄氏度转化为开摄氏度进气压力P进、大气温度T0、燃油流量qf、发动机转速n等 工作参数由机载设备记录在飞行记录仪FDR的存储器中可以落地 后读取相关参数表1是根据部分飞行参数计算得出的该型发动 机在不同大气环境下大功率工作状态的余气系数该型发动机工 作状况良好从计算结果来看该型发动机在表1所示的4组大功率 状态工作时余气系数都在正常范围表明该方法具有一定的准确 性2余气系数与转速关系分析航空活塞发动机的常见工作状态有三种分别为大转速、中转 速和小转速状态每种状态的用途是不同的当飞机处在起飞、复 飞等状态时活塞发动机应该在大转速状态工作此时要保证发动机 有足够大的输出功率余气系数应该在0.8〜0.9之间火焰传播速度 最大发动机功率最大当飞机处于巡航状态时需要发动机有良好 的经济性燃油应该充分完全的燃烧此时余气系数的最佳范围应该 在1.05~1. 1之间发动机燃油消耗率最低。

当飞机在地面滑行或 下降着陆状态时活塞发动机处于小转速运行状态时此时发动机输 出的功率是最小的进气量是较小的为保证发动机稳定可靠工作不 熄火余气系数应设在0. 7~0. 8的富油状态余气系数与转速的关 系如图1所示通过读取某型号航空活塞发动机某时段起落飞行训练的运行 数据计算出对应状态的余气系数并与转速对比分析如图2所示在图2中某型飞机在所取时段内共进行6次起降训练分别在 C、D、E、F、G、H区间位置其中蓝色曲线表示的是转速RPM浅 红色曲线表示的是余气系数a在图中可以大致地看到转速和余气 系数的变化过程这6次起降转速和余气系数的变化特征是类似 的为了更清晰地看清变化转速和余气系数的变化过程选择把图2 中C区间放大处理分别为图3和图4所示图3是对图2中第C次起降中的大转速部分-C1区间的放大 图将C1区间分成a、b、c、d、e5段通过图3可以看出在a 区间位置时余气系数在的大小在0. 756〜0. 769之间处于过富油状 态需要适当降低燃油流量将余气系数往上调至0.85左右在b区 间位置时在转速不变的状态下余气系数在0.81附近在大转速运行 的富油极限位不在最佳位可以上调一点在c区间位置时转速有 所下降但都处于大转速而此时的余气系数都在0. 85的附近所以不 做调整。

在d区间位置时转速在2400转每分钟比最大转速略小余 气系数在0.8〜0.85之间也可以适当上调在e区间余气系数都 在0. 85的附近余气系数可以不做调整图4是对图2中C次起降中的中转速部分C2区间放大图在 图4中观察到该型活塞发动机在1950rpm〜2000rpm的中等转速状 态时余气系数在0.9-0. 93之间理想情况是1.05~1. 1之间实际 使用中由于余气系数调整精度等原因也可以处在0.9〜1.0之间所 以该型活塞发动机在此中等转速范围时余气系数稍微上调最好3结语①从余气系数定义入手推导分析了航空活塞发动机余气系数 的计算方法并通过实际发动机的运行数据计算了余气系数验证了 计算方法的准确性②通过余气系数与转速对比分析能够直观地反映航空活塞发 动机油气混合的情况以某型航空活塞发动机为例通过读取该型 发动机的运行参数计算了某飞行时段的余气系数通过与理想状 态航空活塞发动机转速和余气系数的关系进行对比分析得出该型 活塞发动机不论是在大转速状态还是中等转速状态余气系数都略 小于最佳值应当适当减小燃油流量增大余气系数基金项目：本文为中国民用航空飞行学院科研基地项目资助 项目编号：F2021KF08。

参考文献：[1]李卫东侯甲栋.航空活塞动力装置[M].成都：西南交通大 学出版社2021.[2]侯甲栋付为刚孟现召.航空活塞发动机余气系数计算方法 [J].中国民用航空2021 (4).[3]孟现召.基于EGView的SR20飞机的发动机爆震分析[J]. 航空维修与工程2021 (7).[4]付尧明.活塞发动机[M].北京：清华大学出版社2021. 第6页共6页。