想知道自訓機師用的Cessna 172訓練機燃油系統如何運作嗎???

對於從未接觸過航空器引擎與燃油系統的人來說，一定會覺得這應該很難理解，聽到"系統"兩個字就自然心生畏懼，但其實它一點也不困難，一切原裡都可以從我們平常生活中得到解答，以下就讓我一步步帶著你摸索這些"系統"吧。

首先從燃油系統(Fuel System)開始說起，大部分的自訓機師，最常接觸的機型通常都是Cessna 172訓練機，而這個機種所使用的燃油系統大致分為兩種，Gravity-Feed System與Fuel-Pump System；首先來看Gravity-Feed System，此種燃油系統大多應用在High Wing的機型，由於油箱置入於左右兩邊的機翼中("Left Tank"與"Right Tank"，如下圖所示)，透過物體自然往下流動的原理，讓High Wing的機型更適用此種燃油裝置；當然在其它型號(如Cessna 172SP)的High Wing機種也有採用Fuel-Pump System，但由於其多增加了一組馬達(Electric Pump)，其售價上就稍微貴了些；下圖為典型的Gravity-Feed System示意圖；

以Cessna 172N的機型來說(以Standard Tank為討論基礎)；

- 油箱的總容量(Total Capacity)為43加侖(Gallons)。

- 單邊油箱各自的油量(Total Capacity Each Tank)為21.5加侖。

- 可使用的油量(Total Usable)為40加侖。

從以上的敘述可以得知，可用於飛行操作的總油量為40加侖，左右兩邊油箱各1.5加侖的油量為保留油量，不可於任何飛行操作階段使用(如Taxiing、Startup等等)；另外，對於飛機所使用的燃油，可不是像我們一般加油站所使用的95或92無鉛汽油，其有專門使用的飛機用油(Aviation Fuel)，以Cessna 172N所使用的燃油有兩種，100LL(Low Lead) Grade與100 Grade；在機場受訓時，常常可以看到幾台油罐車在機場來來去去的幫飛機加油，打一通電話告訴它們你要加油，它們就會在十幾分鐘內把車開到你所指定的飛機前幫你把油加到指定的容量，而其大部分裝載的油品均為100LL Grade，其油品的顏色為藍色，100 Grade為綠色，所以油車幫你加油完後，記得打開油箱蓋看一下裡面的燃油的顏色，別弄錯了。

往回看到圖一中左邊有個"Vent"的裝置，其主要用途是用來平衡油箱內外的大氣壓力；由於所採用的燃油系統為Gravity-Feed System，所以必須要有外部的大氣壓力，讓內部的油能夠自然的往下流動，假若沒有這個裝置的話，油箱內部有可能造成真空現象，導致油箱內的油停止往下端流動，進而造成引擎停止運作。油箱下端有個"Fuel Selector Valve"的裝置，其控制開關位於座艙中機長(Pilot)與副機長(Co-Pilot)座位中間的下方，其上有三個標示Left、Both與Right；其功能為控制油量使用的來源，如切換到"Left"的話，油量的使用均從左邊的油箱消耗，若切換到"Both"的話，則會從兩邊的油箱使用，以此類推。再來是Drain的部分(未顯示於圖中)，其位置位於左右兩個油箱各一個Drain，與Fuel Selector下方也有一個Drain，其主要功能為，當在做飛行前飛機檢查時，通常會拿一個檢測容器，往這幾個Drain的位置去檢視油品的品質，主要是要查看裡面是否含有水氣和雜質，若是這些情況發生，就必須停止這次的飛行計畫，並且通報上級並請飛機技師過來查看。

"Primer"為一個手動裝置，其功能主要是在飛機啟動前，給與些許油量直接注入到引擎室中(Cylinder)；由於每次飛行結束後，都會透過切斷Mixture開關，使整個引擎室內沒有殘留一滴油量，其目的昰為了預防殘存的油量，在轉動螺旋槳(Propeller)時，而突然啟動引擎造成意外的發生，所以為了讓飛機啟動時能順利啟動，在啟動前預先注入些許油量到引擎室而設計的裝置。

圖一中的化油器(Carbuerator)經拆解後如圖二所示；油箱中的航空燃油最終要流向化油器內；如下圖中的"Fuel Inlet"；進行空氣與燃油的混合，最後再送至引擎室內(Cylinder)做燃燒，將化學能轉化為動能，致使轉動螺旋槳(Propeller)。化油器(Carbuerator)中的燃油暫存區域(Fuel Chamber)，是利用一顆浮球來保持內部燃油的固定量，就好比家裡廁所的坐式馬桶中的儲水區，從頂樓水塔(類比於飛機結構中的油箱)引水至馬桶的儲水區中，並利用浮筒做為開關，一旦水位到達滿水狀態時，浮筒的連動裝置就會關閉進水口，以保持內部水位，化油器(Carbuerator)的原理亦同。

在圖二中的Mixture Needle，其為一控制開關，在座艙中就是我們常用的Mixture Control，就位於Throttle的旁邊；如圖三所示中的紅色桿為Mixture Control，而左邊黑色的為Throttle Control；Mixture Needle主要是用來控制Fuel Chamber中的燃油進入噴油嘴(Discharge Nozzle)的油量，由於燃油最終須與空氣混合一定的比例後燃燒，所以在飛行時就必須根據當下的天氣狀況與飛行高度，適時調整Mixture Needle，以符合適當的燃油空氣比例。而Throttle則是像個水庫的調節閥，閥門開的大點，則提供了更多的空氣與燃油(Air/Fuel)供給引擎，開的小則供給小，這兩個開關裝置，是飛行時最常使用的裝置。

所以當噴油嘴將燃油注入Venturi Chanmer後，將與外部進入的空氣混合，而混合過後的空氣燃油(Air/Fuel)將經過Venturi Chamber，形成一經過壓縮後的空氣燃油，之後再藉由Throttle Valve，將其送往引擎室內；而Throttle Valve也就是我們剛提過的Throttle Control，透過此開關來控制空氣燃油送往引擎室內的量。

再來我們來看看Venturi Chamber的形狀，大家可能會好奇為什麼其構造於中間位置的開口較小，而兩邊的開口卻比較大?這個原因就要回歸到伯努力定律(Daniel Bernoulli)，其下為其定律的簡易說明；伯努利定律是流體力學中的一個定律，由瑞士流體物理學家丹尼尔·伯努利於1738年出版的理論《Hydrodynamica》，描述流體沿著一條穩定、非粘滯、不可壓縮的流線移動行為，在流體動力學，伯努利原理指出，無粘流的流體的速度增加時，流體的壓力能與位能總和將減少，如下圖所示；

根據上面的說明來看的話，白話文就是說當空氣燃油(Air/Fuel)流經Venturi Chamber中間的路徑時，由於其空間較兩端為窄，所以會加速空氣燃油的流動速度(Velocity)，但會減低其壓力(Pressure)，所以為了能製造出經過壓縮的空氣燃油，於是這樣的設計就誕生了；這個定律的應用，不僅僅只用於此，也應用在飛機機翼(Wing)的設計上。

再來，由於Venturi Chamber的設計是為了提供經壓縮過後的空氣燃油，但這也引出了另一個問題，化油器結冰(Carbuerator Ice)；因為經過壓縮後，其溫度自然也會下降，一旦飛機飛行於某高度，外部天氣溫度若低於攝氏21度(或華氏70度)且濕度(Humidity)高於百分之八十的天氣狀況時，Venturi Chamber就會因為外部溫度過低而導致內部結冰；甚至Throttle Valve也不例外；在此情況下，有可能導致整個引擎因空氣燃油提供不足，而造成引擎熄火。

為了解決此一問題，在Throttle Control的旁邊有個Carbuerator Heat(如圖三中所示)可以提供熱空氣去融化Venturi Chamber結冰的問題，這Carbuerator Heat是透過引擎燃燒後所排放出來的廢氣，去加溫外部進來的冷空氣，然後透過Carbuerator Heat開關的開啟與關閉，去引導進入Venturi Chamber的空氣為冷空氣或是經過加溫過後的熱空氣，如下圖所示。

但Carbuerator Heat不能無限制的開啟(提供熱空氣)，因為此熱空氣相比於冷空氣為分子密度較高(Less dense)的空氣，會造成空氣與燃油混合的比例失當，造成燃油比例過高(Enrich)，而此一情形會導致引擎燃燒效率降低，輸出馬力不足，尤其是在跑道上起飛時，這樣的現像更是明顯，甚至會造成起飛距離過長的狀況，所以適當的使用Carbuerator Heat，才不會造成應用失當的問題出現。

圖六為Gravity-Feed System與Fuel-Pump System的比較。

可以看出之間的差異就在於Fuel-Pump System中多加了一個電子式馬達(Electric Pump)；這類的燃油系統均可應用在High Wing與Low Wing的機型；在實際操作時，當啟動Electric Pump開關後，馬達會直接增壓使油箱中的油量導入至化油器(Carbuerator)中，不像Gravity-Feed System，是等到整個引擎啟動後，再透過Engine-Driven Pump去把油箱的油導入至化油器。這兩種設計都存在於目前的Cessna 172訓練機中，熟優熟劣很難辨別，只是在操作程序上多了幾道手續，端看個人的愛好。

而目前較為高端的機型，都有配備較為先進的燃油系統，燃油噴射系統(Fuel Injection System)，如圖七所示。

與傳統的化油器(Carbuerator Float Type)相比，其使用了空氣燃油控制器(Fuel/Air Control Unit)取代了化油器。而這樣的設計，可以更精準的控制空氣與燃油的比例(Fuel/Air Ration)，另外其噴油嘴則是設計的更靠近引擎室(Cylinder)，不同以往在化油器時，其噴油嘴是設計在Venturi Chamber之內；目前較新型的Cessna 172訓練機已多採用此類設計，不僅有效率的使用燃油並且更節省油耗。

最後提一下在法規FAR 91.151中訂定了於VFR飛行時，對於油量使用的要求如下；

No person may begin a flight in an airplane under VFR conditions unless (considering wind and forecast weather conditions) there is enough fuel to fly to the first point of intended landing and, assuming normal cruising speed

(1) During the day, to fly after that for at least 30 minutes；or

(2) At night, to fly after that for at least 45 minutes.

也就是說，毎次飛行前都必須計畫好油量的使用，在抵達預訂的降落機場後，於白天狀況，必須保存至少30分鐘的油量，而夜晚階段，則必須保存至少45分鐘的油量，以符合法規要求。