某發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難初步分析

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

在低溫條件下，外場(chǎng)使用的某發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)多臺(tái)次起動(dòng)困難問題，影響正常使用。針對(duì)該問題，通過開展相關(guān)的技術(shù)分析和攻關(guān)工作，初步改善了發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難的情況。

1.故障現(xiàn)象

發(fā)動(dòng)機(jī)在外場(chǎng)使用期間，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)起動(dòng)困難問題，且隨著溫度的降低，起動(dòng)困難問題越明顯，頻次越高。通過調(diào)查，對(duì)于低溫起動(dòng)不成功的發(fā)動(dòng)機(jī)，基本都是點(diǎn)火器燃燒不良或未點(diǎn)燃，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒聯(lián)焰失敗，起動(dòng)機(jī)不成功。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)主要由起動(dòng)噴嘴、點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火電嘴、點(diǎn)火器扁管、工作噴嘴、燃油控制系統(tǒng)等組成。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，2個(gè)起動(dòng)噴嘴噴出的燃油被點(diǎn)火電嘴點(diǎn)燃并在扁管中燃燒，火焰沿著扁管傳遞至火焰筒，點(diǎn)燃工作噴嘴噴出的燃油，燃油在火焰筒中燃燒產(chǎn)生高溫氣體，高溫氣體在渦輪中膨脹做功，帶轉(zhuǎn)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)至最小穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)流程介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程如下：（1）按下“起動(dòng)按鈕”，向點(diǎn)火線圈供電，點(diǎn)火電嘴產(chǎn)生高壓電火花，同時(shí)空氣起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)；（2）第9s，燃油控制系統(tǒng)向起動(dòng)噴嘴供應(yīng)起動(dòng)燃油，起動(dòng)噴嘴噴出的燃油在點(diǎn)火器扁管中被高壓電火花點(diǎn)燃，并在點(diǎn)火扁管出口處形成一股穩(wěn)定的“火炬”；（3）第15s，燃油控制系統(tǒng)向工作噴嘴供應(yīng)工作燃油，燃油被點(diǎn)火器出口形成的“火炬”點(diǎn)燃，在火焰筒中持續(xù)燃燒；（4）第25s，電嘴終止工作，燃油控制系統(tǒng)停止供給起動(dòng)燃油；（5）在45s內(nèi)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到41.5%～44.5%時(shí)，空氣起動(dòng)機(jī)停止工作，起動(dòng)完成。

2.2 起動(dòng)過程影響因素分析

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，受多種因素的綜合影響，主要與起動(dòng)噴嘴的性能、點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)形式、起動(dòng)供油規(guī)律、燃油特性等方面有關(guān)，本文主要從點(diǎn)火器及燃油特性方面進(jìn)行初步分析。

2.2.1 點(diǎn)火器

點(diǎn)火器是直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要構(gòu)件。點(diǎn)火器主要由起動(dòng)噴嘴、點(diǎn)火電嘴、點(diǎn)火器扁管及節(jié)流片等零件組成，其組成形式見圖1。

圖1 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)的左起動(dòng)噴嘴前裝有兩片不同噴口面積的節(jié)流片，其主要作用是改變起動(dòng)噴嘴的燃油壓力，在實(shí)際使用過程中可通過換裝不同噴口面積的節(jié)流片來適應(yīng)不同條件下的點(diǎn)火需求。通過分析及多次對(duì)比試驗(yàn)可得出，在其他條件保持不變的前提下，點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)、零件制造符合性以及安裝正確性均會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常點(diǎn)火。

2.2.2 燃油特性分析

（1）根據(jù)燃油的點(diǎn)火理論可知，燃油的著火與最小點(diǎn)火能量有著密切的關(guān)系，最小點(diǎn)火能量小，燃油將更容易被點(diǎn)燃。最小點(diǎn)火能力的經(jīng)驗(yàn)公式如下所示。

式中πd2為起始球面火花微團(tuán)的表面積，k為未燃混氣的導(dǎo)熱系統(tǒng)，un為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，Tb為已燃?xì)怏w溫度，T0為混氣初始溫度。由公式（1）可知，混氣初始溫度T0與最小點(diǎn)火能量成反比，當(dāng)T0降低時(shí)，燃油的最小點(diǎn)火能量將會(huì)增大，從而使得燃油不易著火。

（2）燃油的霧化是燃油著火的重要因素，燃油的霧化效果可通過其索太爾平均直徑來反映，以靜止空氣中離心噴嘴霧化為例，其經(jīng)驗(yàn)公式如下所示。

式中?i為燃油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，σi為燃油的表面張力系數(shù)，mf為燃油流量，△p為噴嘴進(jìn)出口壓力差。由公式（2）可知，燃油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)?i、燃油的表面張力系數(shù)σi與燃油的索太爾平均直徑成正比，隨著溫度的降低，燃油的σi、?i將增大，索太爾平均直徑隨之增大。

因此根據(jù)燃油的特性可知，隨著溫度的降低，燃油液滴的索太爾平均直徑SMD將增大，燃油的最小點(diǎn)火能量將增加，從而使得燃油不易被點(diǎn)燃。

3.問題排查與改進(jìn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)比分析

為查找該發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難原因，開展了工作噴嘴霧化性能對(duì)比，燃油總管對(duì)比，起動(dòng)噴嘴霧化性能，試驗(yàn)全環(huán)燃燒室試驗(yàn)對(duì)比等試驗(yàn)。

通過上述對(duì)比試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)供油壓力較低時(shí)（0.1MPa），起動(dòng)噴嘴和工作噴嘴的霧化性能比原型機(jī)稍差。（2）點(diǎn)火電嘴的火花能量比原型機(jī)電嘴的火花能量小。（3）低狀態(tài)下，串裝原型機(jī)工作噴嘴的全環(huán)形燃燒室的燃燒效率較高。

3.2 點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)復(fù)查

通過復(fù)查，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火器扁管實(shí)物的制造符合性不好，外形尺寸偏大，導(dǎo)致點(diǎn)火器扁管與支板之間的間隙變小，影響空氣摻混效果，從而影響點(diǎn)火性能。

3.3 點(diǎn)火器扁管工藝改進(jìn)

為提高點(diǎn)火器扁管的制造符合性，進(jìn)行了相應(yīng)的工藝改進(jìn)。（1）沖壓模具改進(jìn)。重新設(shè)計(jì)、加工了沖壓模具，控制了回彈量，保證點(diǎn)火器扁管的寬度尺寸和型面更加符合設(shè)計(jì)圖樣要求。（2）焊接夾具改進(jìn)。重新設(shè)計(jì)、加工了帶有防錯(cuò)的焊接夾具，減少了點(diǎn)火器扁管的焊接變形、錯(cuò)位。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在試驗(yàn)器上，進(jìn)行了改進(jìn)前后點(diǎn)火器的低溫點(diǎn)火性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

通過試驗(yàn)結(jié)果可以得出，改進(jìn)狀態(tài)的點(diǎn)火器點(diǎn)火性能良好，均一次性點(diǎn)火成功。將改進(jìn)措施在發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)零件制造過程中進(jìn)行貫徹。

3.5 外場(chǎng)驗(yàn)證

試驗(yàn)對(duì)象：低溫起動(dòng)較差的067號(hào)、073號(hào)、112號(hào)、254號(hào)、273號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)。環(huán)境溫度：試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為-12℃和-21℃。試驗(yàn)情況：發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器上的調(diào)整螺釘恢復(fù)至出廠狀態(tài)，換裝改進(jìn)后的點(diǎn)火器后，起動(dòng)成功。

通過外場(chǎng)使用驗(yàn)證了點(diǎn)火器改進(jìn)措施的有效，可明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性能。

3.6 調(diào)整措施

通過前期研究，得出幾條調(diào)整措施，可以基本解決某發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難的問題。（1）調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油；（2）采用假開車—冷轉(zhuǎn)—起動(dòng)程序；（3）更換改進(jìn)點(diǎn)火器、節(jié)流片。措施一：調(diào)整起供油?，F(xiàn)象：環(huán)境溫度為-16.2℃狀態(tài)下，外場(chǎng)使用的066號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)時(shí)，燃燒室聯(lián)焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動(dòng)失敗。措施：現(xiàn)場(chǎng)將燃油調(diào)節(jié)器上起動(dòng)供油調(diào)整螺釘，加大起動(dòng)供油量，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。該措施的主要作用是通過調(diào)整供油量來匹配不同環(huán)境的使用需求。措施二：假開車—冷轉(zhuǎn)—點(diǎn)火起動(dòng)?，F(xiàn)象描述：在環(huán)境溫度為-15℃狀態(tài)下，外場(chǎng)使用的068號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)時(shí)，燃燒室聯(lián)焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動(dòng)失敗。調(diào)整措施：冷運(yùn)轉(zhuǎn)1次，再次點(diǎn)火，起動(dòng)成功。該方法僅適應(yīng)有限的環(huán)境溫度區(qū)間，主要作用是通過假開除—冷裝程序，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行沖油，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一定的預(yù)熱。措施三：更換點(diǎn)火器和節(jié)流片?，F(xiàn)象描述：在環(huán)境溫度為-10.2℃狀態(tài)下，外場(chǎng)使用的062號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)時(shí)，燃燒室聯(lián)焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動(dòng)失敗。采取措施：現(xiàn)場(chǎng)更換為加大進(jìn)油面積的節(jié)流片后，該發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。該措施的主要作用是改變起動(dòng)噴嘴的供油壓力，改善起動(dòng)噴嘴的霧化效果。同時(shí)可換裝改進(jìn)狀態(tài)的點(diǎn)火器。

上述方法可以綜合運(yùn)用，以達(dá)到順利起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的目的。

4.總結(jié)

低溫起動(dòng)困難是目前發(fā)動(dòng)機(jī)常出現(xiàn)的技術(shù)問題，其主要原因一方面是低溫條件下燃油本身的霧化特性及著火特性會(huì)有所降低，相對(duì)常溫狀態(tài)更難以著火；另一方面是點(diǎn)火系統(tǒng)零件本身的性能特性是點(diǎn)火的重要影響因素，包括噴嘴的霧化特性、電嘴的點(diǎn)火能量等，各要素之間需具備良好的匹配性及環(huán)境適應(yīng)性。

本文通過相關(guān)的分析研究，提出了幾種解決措施，可基本解決某發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)困難的問題，但發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)本身是一個(gè)系統(tǒng)問題，后續(xù)還需針對(duì)實(shí)際情況開展更深入的分析研究。