某發動機低溫起動困難初步分析

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

在低溫條件下，外場使用的某發動機出現多臺次起動困難問題，影響正常使用。針對該問題，通過開展相關的技術分析和攻關工作，初步改善了發動機低溫起動困難的情況。

1.故障現象

發動機在外場使用期間，當環境溫度低于-10℃時，發動機出現起動困難問題，且隨著溫度的降低，起動困難問題越明顯，頻次越高。通過調查，對于低溫起動不成功的發動機，基本都是點火器燃燒不良或未點燃，從而導致發動機火焰筒聯焰失敗，起動機不成功。

2.發動機起動分析

某發動機的起動系統主要由起動噴嘴、點火裝置、點火電嘴、點火器扁管、工作噴嘴、燃油控制系統等組成。在發動機起動過程中，2個起動噴嘴噴出的燃油被點火電嘴點燃并在扁管中燃燒，火焰沿著扁管傳遞至火焰筒，點燃工作噴嘴噴出的燃油，燃油在火焰筒中燃燒產生高溫氣體，高溫氣體在渦輪中膨脹做功，帶轉高壓轉子轉動至最小穩定工作轉速，實現發動機起動。

2.1 發動機起動流程介紹

發動機的起動過程如下：（1）按下“起動按鈕”，向點火線圈供電，點火電嘴產生高壓電火花，同時空氣起動機帶動發動機高壓轉子開始旋轉；（2）第9s，燃油控制系統向起動噴嘴供應起動燃油，起動噴嘴噴出的燃油在點火器扁管中被高壓電火花點燃，并在點火扁管出口處形成一股穩定的“火炬”；（3）第15s，燃油控制系統向工作噴嘴供應工作燃油，燃油被點火器出口形成的“火炬”點燃，在火焰筒中持續燃燒；（4）第25s，電嘴終止工作，燃油控制系統停止供給起動燃油；（5）在45s內，當發動機高壓轉子轉速達到41.5%～44.5%時，空氣起動機停止工作，起動完成。

2.2 起動過程影響因素分析

發動機起動是一個復雜的過程，受多種因素的綜合影響，主要與起動噴嘴的性能、點火器的結構形式、起動供油規律、燃油特性等方面有關，本文主要從點火器及燃油特性方面進行初步分析。

2.2.1 點火器

點火器是直接影響發動機起動的主要構件。點火器主要由起動噴嘴、點火電嘴、點火器扁管及節流片等零件組成，其組成形式見圖1。

圖1 點火器結構示意圖

在發動機的左起動噴嘴前裝有兩片不同噴口面積的節流片，其主要作用是改變起動噴嘴的燃油壓力，在實際使用過程中可通過換裝不同噴口面積的節流片來適應不同條件下的點火需求。通過分析及多次對比試驗可得出，在其他條件保持不變的前提下，點火器的結構、零件制造符合性以及安裝正確性均會影響發動機的正常點火。

2.2.2 燃油特性分析

（1）根據燃油的點火理論可知，燃油的著火與最小點火能量有著密切的關系，最小點火能量小，燃油將更容易被點燃。最小點火能力的經驗公式如下所示。

式中πd2為起始球面火花微團的表面積，k為未燃混氣的導熱系統，un為層流火焰傳播速度，Tb為已燃氣體溫度，T0為混氣初始溫度。由公式（1）可知，混氣初始溫度T0與最小點火能量成反比，當T0降低時，燃油的最小點火能量將會增大，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，其經驗公式如下所示。

式中?i為燃油的運動粘性系數，σi為燃油的表面張力系數，mf為燃油流量，△p為噴嘴進出口壓力差。由公式（2）可知，燃油的運動粘性系數?i、燃油的表面張力系數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，燃油的最小點火能量將增加，從而使得燃油不易被點燃。

3.問題排查與改進

3.1 試驗對比分析

為查找該發動機低溫起動困難原因，開展了工作噴嘴霧化性能對比，燃油總管對比，起動噴嘴霧化性能，試驗全環燃燒室試驗對比等試驗。

通過上述對比試驗，得出以下結論：

（1）當供油壓力較低時（0.1MPa），起動噴嘴和工作噴嘴的霧化性能比原型機稍差。（2）點火電嘴的火花能量比原型機電嘴的火花能量小。（3）低狀態下，串裝原型機工作噴嘴的全環形燃燒室的燃燒效率較高。

3.2 點火器結構復查

通過復查，發現點火器扁管實物的制造符合性不好，外形尺寸偏大，導致點火器扁管與支板之間的間隙變小，影響空氣摻混效果，從而影響點火性能。

3.3 點火器扁管工藝改進

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

3.4 試驗驗證

在試驗器上，進行了改進前后點火器的低溫點火性能對比試驗，結果見表1。

通過試驗結果可以得出，改進狀態的點火器點火性能良好，均一次性點火成功。將改進措施在發動機后續零件制造過程中進行貫徹。

3.5 外場驗證

試驗對象：低溫起動較差的067號、073號、112號、254號、273號發動機。環境溫度：試驗時的環境溫度為-12℃和-21℃。試驗情況：發動機燃油調節器上的調整螺釘恢復至出廠狀態，換裝改進后的點火器后，起動成功。

通過外場使用驗證了點火器改進措施的有效，可明顯改善發動機的低溫起動性能。

3.6 調整措施

通過前期研究，得出幾條調整措施，可以基本解決某發動機低溫起動困難的問題。（1）調整發動機起動供油；（2）采用假開車—冷轉—起動程序；（3）更換改進點火器、節流片。措施一：調整起供油。現象：環境溫度為-16.2℃狀態下，外場使用的066號發動機地面起動時，燃燒室聯焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動失敗。措施：現場將燃油調節器上起動供油調整螺釘，加大起動供油量，發動機起動成功。該措施的主要作用是通過調整供油量來匹配不同環境的使用需求。措施二：假開車—冷轉—點火起動?，F象描述：在環境溫度為-15℃狀態下，外場使用的068號發動機地面起動時，燃燒室聯焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動失敗。調整措施：冷運轉1次，再次點火，起動成功。該方法僅適應有限的環境溫度區間，主要作用是通過假開除—冷裝程序，對發動機燃油系統進行沖油，同時對發動機進行一定的預熱。措施三：更換點火器和節流片?，F象描述：在環境溫度為-10.2℃狀態下，外場使用的062號發動機地面起動時，燃燒室聯焰不成功，尾噴口有大量白煙冒出，起動失敗。采取措施：現場更換為加大進油面積的節流片后，該發動機起動成功。該措施的主要作用是改變起動噴嘴的供油壓力，改善起動噴嘴的霧化效果。同時可換裝改進狀態的點火器。

上述方法可以綜合運用，以達到順利起動發動機的目的。

4.總結

低溫起動困難是目前發動機常出現的技術問題，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有所降低，相對常溫狀態更難以著火；另一方面是點火系統零件本身的性能特性是點火的重要影響因素，包括噴嘴的霧化特性、電嘴的點火能量等，各要素之間需具備良好的匹配性及環境適應性。

本文通過相關的分析研究，提出了幾種解決措施，可基本解決某發動機低溫起動困難的問題，但發動機起動本身是一個系統問題，后續還需針對實際情況開展更深入的分析研究。