内燃机与配件
1概述
随着发动机技术的不断推进和发动机性能的不断提
高，发动机的结构日益复杂，对当前航空发动机系统的可
靠性、经济型以及维修保障性提出了重大的挑战。根据NASA的统计资料表明，发动机故障在所有飞机机械故障
中的比例高达1/3[1]。同时以传统定期维护方式进行发动机
维护存在效率低且消耗不必要资源的情况。因此，在航空
发动机领域提出了健康管理技术研究的需求。
健康管理技术是在早期发动机状态监视基础上逐步
发展起来的。健康管理技术不仅能够对发动机的各个截面
的状态进行监测和故障诊断，同时具有趋势预测和发动机寿命管理的功能[2]。发动机健康管理技术，实现了从传统定
期维护方式到视情维护的转变，成为发动机安全性、可靠
性的必要保障措施。2发动机健康管理系统需求分析
根据调查表明，国外发动机健康管理系统已经达到工程验证阶段，到21世纪初，欧美等国在B787、A380项目
中实施了健康管理概念，同时健康管理系统配备于发动机F119、F135，得到了成功的应用[3，4]。上述事实表明健康管理系统能够有效的提高发动机的安全性、可靠性，同时能够大大降低在维修方面的经济成本。发动机的安全性、可靠性、以及可维修性均是发动机在使用和维护中的重要指
标[5]。目前，我国健康管理系统仍处于初期研制阶段。结合目前航空发动机与飞机的具体情况，在发动机健康管理系统总体设计中提出了以下需求。要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院杨旭（1987-），女，吉林辽源人，工程师，硕士，主要从事航空发动机健康管理系统设计。基于认知环的航空发动机健康管理系统设计
杨旭
（中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所，沈阳110015）
摘要院健康管理渊PHM冤技术是保障发动机安全性尧可靠性的一项关键技术遥本文首先阐述了发动机健康管理系统的重要性袁结合当前发动机研制需要袁分析了PHM系统需求遥然后袁结合OODA环思想提出了一种基于认知环的健康管理系统架构袁根据机载系统和地面系统的特点设计不同的系统功能袁并分别进行阐述遥最后袁总结了基于认知环的健康管理系统架构的优缺点和未来的发展趋势遥关键词院健康管理曰OODA曰认知环
3结语
本次试验通过对同一款喷嘴在不同工况下的水喷雾
与汽油喷雾的喷雾微观特性进行研究，给出了在不同背景
压力、不同喷射压力、不同背景温度、不同喷射温度下的喷
雾的索特平均直径、累积体积分布的变化规律。试验得到
结论如下：淤随着喷射压力的升高，喷雾与环境气体之间的相互
作用增强，水与汽油的SMD减小；随着背景压力的升高，
水与汽油喷雾的SMD先增大后减小。在相同工况下，水喷
雾的SMD均大于汽油。水喷雾的平均SMD比汽油大27.1%。主要原因是具有更高粘度、密度与表面张力的水滴
较油滴更不易破碎。于在不同背景压力下，水喷雾与汽油喷雾具有相似的
规律。当背景压力从1bar提升到2.5bar时，水与汽油的SMD随背景压力的升高而增大，喷雾雾化质量变差；当背
景压力从2.5bar提升到3.5bar时，水与汽油的SMD随背
景压力的升高而减小，喷雾雾化质量变好。盂随着背景温度与流体温度升高，水与汽油的SMD
均减小，喷雾中小尺寸的水滴体积占总体积增多，到达到
某一体积百分比的粒子的直径随着背景温度与流体温度
的增大而减小，喷雾雾化质量变好，这表明背景温度与流
体温度的升高能够改善雾化质量。
参考文献院[1]佚名.博世水雾喷射系统改善发动机油耗及性能[J].汽车工
程师，2015（5）：6.[2]FajgenbaumR,SantosRGD.Influenceoffueltemperatureonatomizationparametersinapressure-swirlatomizerfromaportfuelinjectorbyShadowgraphytechnique[J].JournaloftheBrazilianSocietyofMechanicalSciences&Engineering,2015,38（7）：1-16.[3]李雯霖，武奎，张叶娟，董德磊，曹建明.柴油和生物柴油微
观喷雾特性比较研究[J].汽车实用技术，2017（18）：4-6.[4]郭恒杰，李雁飞，李莉，等.棕榈油生物柴油掺混燃料宏观
与微观喷雾特性[J].内燃机学报，2015（5）：385-392.[5]徐威.背压对柴油/生物柴油喷雾特性影响的试验研究[D].
长安大学，2016.[6]袁璐瑶.喷水技术在发动机中的应用研究[J].内燃机与配
件，2017（10）：91-93.图10不同喷射温度下累积体积
分布·30·InternalCombustionEngine&Parts
图1OODA过程首先，航空发动机在工作状态下能够对发动机各个截面、各个工作状态进行实时监控，及时发现异常或失效情况。其次，健康管理系统应能够对发动机异常和失效进行
分析，对未来可能发生的故障进行提前预警，并给出分析
信息。在对诊断方面应能够实现广范围的故障诊断特征。
再次，健康管理系统应对发动机各部分机械结构的情
况进行记录和监控，便于视情维护的实现。
最后，健康管理系统应具备对发动机性能进行评估的
功能，提供机务人员可使用的维修建议，实现视情维护的
目的。3基于认知环的健康管理系统架构
根据航空发动机对健康管理系统的需求，结合OODA
环概念，本文提出了一种基于认知环的健康管理系统架
构。OODA（Observe、Orient、Decide、Act）是人对外部事物认
知、反应的过程，包括观察、判断、决策和行动[6，7]，如图1所
示。OODA过程通过观察当前状态，利用知识确定外部事
物，并结合知识产生决策，执行动作，反作用于观察，形成
自动认知的过程，该过程的核心是知识，知识是事实、规则
和概念的集合，通过知识进行判断和决策[8，9]。本文描述了
基于认知环的PHM系统架构，即将OODA环思想应用于PHM系统中，利用具有包含专家知识经验、故障诊断特征
等知识的知识库，将控制系统与PHM系统进行集成，使PHM系统具有自动认知、自动执行的特性，实现发动机失
效、故障等事件的处理和预防，达到提高发动机可靠性、安
全性、可维护性的目的。
基于认知环的PHM系统架构可以从功能实现上划分
为观察层、判断层、决策层、执行层，和核心的知识库组成。
根据健康管理硬件设备物理位置可以分为机载PHM系统
和地面PHM系统。（图2）3.1机载PHM系统结构
机载PHM系统中，观察层主要实现获取发动机及飞
机系统的数据的功能。机载PHM系统与控制系统集成，共
同完成PHM系统的数据获取功能。系统不仅接收控制系
统发送的控制参数，同时能够通过发动机不同位置安装的
专用传感器，使PHM系统具备获取发动机部件数据的能
力，直接获取数据，提高PHM系统获取数据的完整性。在
机载PHM系统设计中，需要考虑获取数据的实时性和有
效性。在执行飞行任务过程中，数据的实时性的重要程度高于数据的全面性。
判断层使用实时数据，将数据转化为信息，判断当前
发动机的工作状况，实现发动机状态监测、故障诊断、趋势
分析、寿命统计的功能[10]。判断层需要将数据转化为信息，
即将数据经过一系列的加工，如分析、归纳、比较、分类、联
想或计算等处理。PHM系统中，将数据分发到不同的功能
模块，将数据经过不同的处理，形成信息。在状态监测功能
上，通过对数据进行参数阈值的计算与比较，判断当前发
动机各截面温度、压力等是否异常，将转换后的信息输出。
故障诊断功能主要根据故障特征比对、统计规则和精简模
型进行计算，判断当前是否出现发动机故障。采用大规模
的发动机模型计算发动机故障，能够全面的对发动机故障
进行分析，但存在时间过长的隐患，在飞行过程中将导致
不可估量的损失。在机载故障诊断功能实现上，考虑飞行
过程实时性需求的限制，同时考虑硬件结构、硬件性能、软
件效率等因素限制，在设计机载故障诊断功能时，不采用
复杂的大规模的发动机模型进行计算，采用多种知识融合
的方式，包括故障特征库比对、模型、统计规则等多种知识，
作为故障判断的依据，这样能够在保证实时性的同时，尽可
能的覆盖发动机故障特征群，保证飞行的安全性。趋势分析
功能在机载PHM系统中仅完成简单趋势相关参数的存储
功能。寿命统计功能主要为发动机维护提供必要的数据基
础，对发动机飞行的时间，飞行中出现的故障进行统计。
决策层通过判断层传递的信息，即机载PHM系统中
通过状态监测、故障诊断、寿命统计等计算结果，利用知识
库中的知识，提供保证当前发动机安全应执行的操作，或
提供机务人员可使用的操作和维修建议的过程。决策层生
成的告警信息或需要执行的操作均由执行层完成。这里为
使PHM系统具有自适应性，需要将控制系统与PHM系统
进行交联。决策层能够对控制系统下达操作的指令，以达
到保证发动机安全的目的。但是由于控制系统直接影响飞
行安全，为防止PHM系统的错误操作，需对执行操作的风
险进行评估，若置信度较低，则将信息送给机务人员进行
后续操作。
执行层主要对决策层发出的指令进行执行。主要根据
决策层和机务人员的指令对发动机的各执行机构进行操
作。在指令操作完成后，将反作用于观察层，形成闭环，使
发动机PHM系统具备自适应特性。
知识库是该系统架构的核心，是故障诊断、趋势分析、
寿命管理等功能的理论依据。知识是通过实践认识到的客
观世界规律性的东西。这里的知识主要是发动机故障特
征、算法、模型等综合信息的综合。知识库用于存放知识。
在机载知识库中主要包括各参数的阈值范围、发动机故障
特征参数集、发动机模型、专家经验等内容。3.2地面PHM系统结构
地面PHM系统结构同机载PHM系统结构一样，但由
于地面PHM系统不受实时性限制，在观察层以获取全面
的发动机数据为主线。在判断层，地面PHM系统硬件设备
性能制约因素较少，在对数据处理分析方面能力远远高于
机载PHM系统。这里能够实现高精度的大规模的计算，实
现发动机故障诊断、趋势分析和寿命管理的功能，如大数·31·
