某发动机低温起动困难初步分析

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

在低温条件下，外场使用的某发动机出现多台次起动困难问题，影响正常使用。针对该问题，通过开展相关的技术分析和攻关工作，初步改善了发动机低温起动困难的情况。

1.故障现象

发动机在外场使用期间，当环境温度低于-10℃时，发动机出现起动困难问题，且随着温度的降低，起动困难问题越明显，频次越高。通过调查，对于低温起动不成功的发动机，基本都是点火器燃烧不良或未点燃，从而导致发动机火焰筒联焰失败，起动机不成功。

2.发动机起动分析

某发动机的起动系统主要由起动喷嘴、点火装置、点火电嘴、点火器扁管、工作喷嘴、燃油控制系统等组成。在发动机起动过程中，2个起动喷嘴喷出的燃油被点火电嘴点燃并在扁管中燃烧，火焰沿着扁管传递至火焰筒，点燃工作喷嘴喷出的燃油，燃油在火焰筒中燃烧产生高温气体，高温气体在涡轮中膨胀做功，带转高压转子转动至最小稳定工作转速，实现发动机起动。

2.1 发动机起动流程介绍

发动机的起动过程如下：（1）按下“起动按钮”，向点火线圈供电，点火电嘴产生高压电火花，同时空气起动机带动发动机高压转子开始旋转；（2）第9s，燃油控制系统向起动喷嘴供应起动燃油，起动喷嘴喷出的燃油在点火器扁管中被高压电火花点燃，并在点火扁管出口处形成一股稳定的“火炬”；（3）第15s，燃油控制系统向工作喷嘴供应工作燃油，燃油被点火器出口形成的“火炬”点燃，在火焰筒中持续燃烧；（4）第25s，电嘴终止工作，燃油控制系统停止供给起动燃油；（5）在45s内，当发动机高压转子转速达到41.5%～44.5%时，空气起动机停止工作，起动完成。

2.2 起动过程影响因素分析

发动机起动是一个复杂的过程，受多种因素的综合影响，主要与起动喷嘴的性能、点火器的结构形式、起动供油规律、燃油特性等方面有关，本文主要从点火器及燃油特性方面进行初步分析。

2.2.1 点火器

点火器是直接影响发动机起动的主要构件。点火器主要由起动喷嘴、点火电嘴、点火器扁管及节流片等零件组成，其组成形式见图1。

图1 点火器结构示意图

在发动机的左起动喷嘴前装有两片不同喷口面积的节流片，其主要作用是改变起动喷嘴的燃油压力，在实际使用过程中可通过换装不同喷口面积的节流片来适应不同条件下的点火需求。通过分析及多次对比试验可得出，在其他条件保持不变的前提下，点火器的结构、零件制造符合性以及安装正确性均会影响发动机的正常点火。

2.2.2 燃油特性分析

（1）根据燃油的点火理论可知，燃油的着火与最小点火能量有着密切的关系，最小点火能量小，燃油将更容易被点燃。最小点火能力的经验公式如下所示。

式中πd2为起始球面火花微团的表面积，k为未燃混气的导热系统，un为层流火焰传播速度，Tb为已燃气体温度，T0为混气初始温度。由公式（1）可知，混气初始温度T0与最小点火能量成反比，当T0降低时，燃油的最小点火能量将会增大，从而使得燃油不易着火。

（2）燃油的雾化是燃油着火的重要因素，燃油的雾化效果可通过其索太尔平均直径来反映，以静止空气中离心喷嘴雾化为例，其经验公式如下所示。

式中ϑi为燃油的运动粘性系数，σi为燃油的表面张力系数，mf为燃油流量，△p为喷嘴进出口压力差。由公式（2）可知，燃油的运动粘性系数ϑi、燃油的表面张力系数σi与燃油的索太尔平均直径成正比，随着温度的降低，燃油的σi、ϑi将增大，索太尔平均直径随之增大。

因此根据燃油的特性可知，随着温度的降低，燃油液滴的索太尔平均直径SMD将增大，燃油的最小点火能量将增加，从而使得燃油不易被点燃。

3.问题排查与改进

3.1 试验对比分析

为查找该发动机低温起动困难原因，开展了工作喷嘴雾化性能对比，燃油总管对比，起动喷嘴雾化性能，试验全环燃烧室试验对比等试验。

通过上述对比试验，得出以下结论：

（1）当供油压力较低时（0.1MPa），起动喷嘴和工作喷嘴的雾化性能比原型机稍差。（2）点火电嘴的火花能量比原型机电嘴的火花能量小。（3）低状态下，串装原型机工作喷嘴的全环形燃烧室的燃烧效率较高。

3.2 点火器结构复查

通过复查，发现点火器扁管实物的制造符合性不好，外形尺寸偏大，导致点火器扁管与支板之间的间隙变小，影响空气掺混效果，从而影响点火性能。

3.3 点火器扁管工艺改进

为提高点火器扁管的制造符合性，进行了相应的工艺改进。（1）冲压模具改进。重新设计、加工了冲压模具，控制了回弹量，保证点火器扁管的宽度尺寸和型面更加符合设计图样要求。（2）焊接夹具改进。重新设计、加工了带有防错的焊接夹具，减少了点火器扁管的焊接变形、错位。

3.4 试验验证

在试验器上，进行了改进前后点火器的低温点火性能对比试验，结果见表1。

通过试验结果可以得出，改进状态的点火器点火性能良好，均一次性点火成功。将改进措施在发动机后续零件制造过程中进行贯彻。

3.5 外场验证

试验对象：低温起动较差的067号、073号、112号、254号、273号发动机。环境温度：试验时的环境温度为-12℃和-21℃。试验情况：发动机燃油调节器上的调整螺钉恢复至出厂状态，换装改进后的点火器后，起动成功。

通过外场使用验证了点火器改进措施的有效，可明显改善发动机的低温起动性能。

3.6 调整措施

通过前期研究，得出几条调整措施，可以基本解决某发动机低温起动困难的问题。（1）调整发动机起动供油；（2）采用假开车—冷转—起动程序；（3）更换改进点火器、节流片。措施一：调整起供油。现象：环境温度为-16.2℃状态下，外场使用的066号发动机地面起动时，燃烧室联焰不成功，尾喷口有大量白烟冒出，起动失败。措施：现场将燃油调节器上起动供油调整螺钉，加大起动供油量，发动机起动成功。该措施的主要作用是通过调整供油量来匹配不同环境的使用需求。措施二：假开车—冷转—点火起动。现象描述：在环境温度为-15℃状态下，外场使用的068号发动机地面起动时，燃烧室联焰不成功，尾喷口有大量白烟冒出，起动失败。调整措施：冷运转1次，再次点火，起动成功。该方法仅适应有限的环境温度区间，主要作用是通过假开除—冷装程序，对发动机燃油系统进行冲油，同时对发动机进行一定的预热。措施三：更换点火器和节流片。现象描述：在环境温度为-10.2℃状态下，外场使用的062号发动机地面起动时，燃烧室联焰不成功，尾喷口有大量白烟冒出，起动失败。采取措施：现场更换为加大进油面积的节流片后，该发动机起动成功。该措施的主要作用是改变起动喷嘴的供油压力，改善起动喷嘴的雾化效果。同时可换装改进状态的点火器。

上述方法可以综合运用，以达到顺利起动发动机的目的。

4.总结

低温起动困难是目前发动机常出现的技术问题，其主要原因一方面是低温条件下燃油本身的雾化特性及着火特性会有所降低，相对常温状态更难以着火；另一方面是点火系统零件本身的性能特性是点火的重要影响因素，包括喷嘴的雾化特性、电嘴的点火能量等，各要素之间需具备良好的匹配性及环境适应性。

本文通过相关的分析研究，提出了几种解决措施，可基本解决某发动机低温起动困难的问题，但发动机起动本身是一个系统问题，后续还需针对实际情况开展更深入的分析研究。