1、842023,61(9)总第7 0 9 期机械制造安全故障发动机起动时喷口冒白烟故障分析张晓红杨银赢王华旭中国航发动力股份有限公司西安710021摘要：某型发动机起动过程中，出现喷口冒白烟故障。为排除这一故障，通过起动过程与冒白烟原理分析进行故障定位，依据故障树开展故障排查，进行喷嘴性能对比及清洗后性能影响分析，确认喷口冒白烟与喷嘴副喷口粗糙度过大相关。粗糙度过大会引起积碳，积碳严重的喷嘴在喷油过程中喷雾锥角增大的幅度较大，会对喷嘴雾化性能产生直接影响，进而产生喷口冒白烟故障。针对故障原因制订改进措施，经使用验证改进措施有效，解决了发动机起动过程中喷口冒白烟故障。关键词：发动机起动喷口故障分析
2、中图分类号：V23文献标志码：B文章编号：1 0 0 0-4 9 9 8(2 0 2 3)0 9-0 0 8 4-0 5Abstract:During the starting process of a certain type of engine,there is a white smoke fault from thenozzle.In order to eliminate this fault,the fault location was carried out through the analysis of fault startingprocess and the principle
3、 of white smoke,the troubleshooting was carried out according to the fault tree,thenozzle performance comparison and the performance impact analysis after cleaning were carried out,and it wasconfirmed that the white smoke emitted by the nozzle is related to the roughness of the sub-nozzle.Excessiver
4、oughness will cause carbon deposition,and the spray cone angle of the nozzle with serious carbon depositionincreases during the oil injection process,which will have a direct impact on the atomization performance of thenozzle,and then produce white smoke fault from the nozzle.Improvement measure was
5、 formulated for the causeof the fault,and the improvement measure was verified to be effective after use,and the white smoke faultemitted by the nozzle during the engine starting process was solved.Keywords:EngineStarttNozzleFaultAnalysis1分析背景发动机积碳是发动机在工作过程中燃油中石蜡、不饱和烯烃、胶质等在高温状态下产生的一种胶碳状的物质。发动机喷嘴积碳会影
6、响有效喷孔直径及其内部壁面结构，从而影响喷雾锥角、喷雾贯穿距等喷雾参数，直至影响燃烧效率。目前人们主要研究无积碳喷嘴喷雾特性，对于积碳喷嘴喷雾特性的研究较少，对积碳喷嘴关联发动机故障的分析更少。笔者针对发动机起动时喷口冒白烟故障，通过故障定位和绘制故障树，梳理出清晰的故障脉络，利用大量性能试验数据对比及正态分布图，分析喷嘴积碳后喷雾特性的变化规律，对故障脉络上的每个底事件进行排查，结合机理分析确定故障原因，制订改进措施加以控制，并通过大量使用验证排除故障2故障定位某型发动机的燃油喷嘴为双路双室离心式喷嘴，喷嘴结构如图1 所示。喷嘴功能是向燃烧室提供良好的雾化燃油，喷嘴性能包括主、副油路雾化，以
7、及流量性能。针对本次故障，通过实物复查，定位故障件，分析关键特性，结合理论和试验验证，确定故障原因。故障是发动机起动过程中喷嘴喷口内喷出白色烟雾，对起动过程进行分析。起动过程共分为四个阶段。第一阶段为当接通发动机起动开关时，发动机未开始供油，这一过程不会出现冒白烟故障。第二阶段为副油路单独工作，正常情况下此时油气混合气应被点火电嘴点燃，并通过联焰管将火焰传到其它火焰筒，当油气混合气因喷嘴雾化不好、供油量小不能及时点燃时，这些混合气沿发动机气流方向从喷管吹出，造成冒白烟现象。第三阶段为随着转速增大，主油路打开，发动机空气流量及供油量增大，若仍未点火或传焰成功，冒白烟现象会加剧，同时由于发动机无法
8、提供足够的热能供涡轮转化为机械能，转速上升缓慢。若这一现象持续至起动开始6 0 s，发动机仅靠起动机带转将达不到脱开转速，发动机起动无法进人第四阶段，自动控制852023,61(9)总第7 0 9 期机械制造安全故障喷嘴体锁片螺母销钉主喷口副喷口副油路主油路六齿间平面中心孔出口平面中心孔韧带一副喷口内腔八图1喷嘴结构电路中断起动工作，造成起动不成功故障。第四阶段为发动机自身产生足够扭矩来维持运转。由此，起动冒白烟故障主要出现在起动的第二、第三阶段。初步分析，喷嘴积碳引起起动冒白烟故障主要与喷嘴雾化质量、流量有关，而主喷口、副喷口的表面粗糙度差或尺寸超差是造成雾化质量不好、流量偏离的主要因素，结
9、合喷嘴雾化、流量试验分析，即可定位故障原因。根据上述分析绘制故障树，如图2 所示。3故障排查依据发动机起动冒白烟故障树，对可能的故障因素逐一进行排查。进行喷嘴流量复试统计，选取一定数量正常大修喷嘴进行清洗积碳前后性能试验对比，检查喷嘴外观及关键尺寸，结合理论分析，确定故障件及故障相关特性。3.1喷嘴性能复试随机选取一定数量的喷嘴进行原态流量复试，含大修及一次试车后喷嘴。从大修和一次试车后喷嘴性能情况中可以得出，喷嘴积碳后一般影响喷嘴的雾化性能，对流量性能基本无影响。喷嘴积碳引起起动冒白烟故障雾化质量差喷嘴流量小麦油副油路流路流度差量小量小度差度差差差差差XIX2X3X4X5X6X7X8X9X1
10、0图2发动机起动冒白烟故障树大修喷嘴清洗前后主、副油路流量均变化不大，且符合新品要求，说明喷嘴积碳基本不影响喷嘴流量性能，流量性能只受喷嘴自身特性的影响。但是喷嘴积碳影响油路雾化性能，使油路雾化，出现油道。喷嘴积碳后影响最大的是副油路雾化质量，其中副油路雾化角度和雾角不对称度受副喷口指状柱上积862023,61(9)总第7 0 9 期机械制造安全故障碳的影响，清除这些积碳，能够使不对称度得到一定程度恢复。副油路雾化不合格，出现六个以上的喷雾角形指状柱，原因是受中心孔积碳影响。清除积碳后，雾化质量恢复。对大修喷嘴清洗前后数据变化量进行计算，对清洗前后的喷嘴副油路角度不对称度变化、副油路流量变化、
11、主油路角度变化、主油路流量变化进行条状图分析，如图3 图6 所示。图中负值表示清洗后相对清洗前的变化量，并做正态分布曲线拟合，横坐标为角度或流量变化量，左纵坐标为频次，右纵坐标为正态曲线的概率密度。120.5100.480.360.2420.100-5.5-4.5-3.5-2.5-1.5-0.5 0.551.52.5角度变化量/(）图3大修喷嘴清洗前后副油路角度不对称度变化501.2401.00.8300.6200.4100.200-1.4-1.1-0.8-0.5-0.2-0.10.4 0.71.01.3流量变化量/(L-h)图4大修喷嘴清洗前后副油路流量变化3510.430250.32015
12、0.2100.1500-5-4-3-2-112345角度变化量/(）图5大修喷嘴清洗前后主油路角度变化根据大修喷嘴清洗前后性能试验对比，总结以下两点：（1）从图3 图6 统计看，喷嘴积碳清洗对副油路流量、主油路角度、主油路流量三个性能参数几乎没有影响；400.20300.15200.10100.0500-9.6-7.2-4.8-2.402.44.87.2流量变化量/(L.h)A图6大修喷嘴清洗前后主油路流量变化（2）从图3 统计看，喷嘴清洗前后副油路角度不对称度变化量平均为-1.5 9。对上述一定数量的大修喷嘴清洗前后副油路角度不对称度进行对比，如图7 所示。250.30一清洗前120清洗后0
13、.250.20150.15100.1050.05口口003244角度变化量/（）图7大修喷嘴清洗前后副油路角度不对称度对比从图7 中可以看出，清洗后正态曲线不对称度中心值向左偏移，说明清洗能够使不对称度减小，但清洗后有部分喷嘴性能仍不符合设计要求。分析原因有两方面，一是清洗不彻底，性能未能完全恢复合格，二是喷嘴本身使用后尺寸变化。根据现场修理经验，大部分喷嘴零件经修理后可满足性能要求，只有少数修理后不满足要求，需要换件。对大修和一次试车后喷嘴的副油路角度不对称度进行对比，如图8 所示。207.0.4518口大修0.4016一一次试车后0.35140.300.250.2060.1540.1020
14、.0500O5555528角度变化量/(）图：喷嘴副油路角度不对称度对比从图8 中可以看出，一次试车后喷嘴正态分布规律非常明显，与大修喷嘴相比，两者中心值几乎重合，为4.3 左右。这一现象说明，一般喷嘴经过一次试车后，喷嘴表面即可生成积碳，从而影响副油路角度不对872023,61(9)总第7 0 9 期机械制造安全故障称度。大修喷嘴的副油路角度不对称度分散度更大，一致性差。3.2喷嘴外观、尺寸检查进行喷嘴外观、尺寸检查，发现以下情况。（1）喷嘴副喷口旋流槽宽度和深度均有不同程度的超差，该处尺寸较小，表面存在积碳，会使旋流槽宽度和深度变小。旋流槽宽度和深度变小，可能使喷嘴流量变小，也可能减小副喷
15、口内燃油的切向速度，从而降低雾化质量。（2）副喷口六齿间的槽宽和槽深可能受积碳影响，有部分零件轻微超差。（3）副喷口六齿间的槽及内腔、小孔的粗糙度均不合格，有利于积碳生成。因此，大修喷嘴返厂修理时应注意清理旋流槽、六槽、内腔、副喷口出口小孔上的积碳，恢复喷嘴的原粗糙度，提高雾化性能。3.3小结正常大修、一次试车后，喷嘴表面均会产生积碳。积碳主要影响副油路雾化质量，对主油路雾化质量、主副油路流量基本没有影响。通常喷嘴生成的积碳量引起副油路雾化质量变差，但不会造成冒白烟故障，而少部分积碳异常增多的喷嘴会在使副油路雾化质量变差的同时导致冒白烟故障。通过中间事件及喷嘴喷口相应外观、尺寸检查，排除了主喷
16、口问题，故障定位在副油路雾化质量问题上，后续进一步定位故障特性，制订针对措施。4故障分析4.1故障树分析根据检查结果，若发动机喷嘴结构设计可靠，加工工艺稳定，即使长时间使用，也极少产生流量衰减，主油路雾化衰减较少，副油路雾化衰减可控，喷嘴性能较稳定。但是，少数喷嘴存在积碳较重的现象，喷孔直径发生变化时，油束速度、破碎雾化程度也会变化，从而改变喷孔的喷雾特性。积碳后，副喷口雾化质量较差，喷雾锥角和贯穿距离明显小于未积碳副喷口的喷雾锥角和贯穿距离，原理分析如下：（1）副喷口六齿间积碳过多，导致部分喷雾面角度过小，副喷口不对称度增大，使油雾锥角与点火电嘴或联焰管距离过远，造成点火、传焰失败或点火延迟
17、，造成起动冒白烟；（2）副喷口中心孔上存在积碳，使原本应从六个齿之间喷出的油雾锥数量变多，并且喷出燃油的分布不均匀，产生无油区域无法燃烧，富油区域难以点燃的现象，进而造成点火、传焰失败或点火延迟，导致起动冒白烟。4.2机理分析喷嘴积碳原理为：发动机使用时，喷嘴的头部受到火焰筒的高温辐射，温度较高；在较高温度，即燃油温度1 7 0 以上条件下，燃油在副喷口内腔沉积、结焦速度快；结焦随燃油流出喷口，在副喷口出口端面及齿上沉积积碳。在温度、喷嘴材料和结构等条件相同时，粗糙度增大会加速结焦、积碳的形成。表面粗糙度较差的副喷口在使用过程中，六齿间、中心孔上积碳。喷孔内积碳越严重，喷孔的有效直径越小。同时
18、积碳表面粗糙，有效横截面突变，压力升高导，致流速变大，使燃油的流动状态趋于瑞流，切向速度增大，燃油喷射过程中喷雾锥角增大。另外，流使油束破碎雾化程度加大，细碎的油雾更容易受到环境阻力的影响，所以喷雾贯穿距增大幅度变小。副喷口积碳后，发动机在冷起动、怠速、小负荷运行时容易发生起动困难、怠速不稳，以及失火现象。同时，由于积碳，副喷口燃油喷雾质量较差，且雾化不均匀，可能导致发动机经济性降低，碳氢化合物及碳烟排放增加。喷雾角度、雾化质量差，并且会随使用时间增加而继续恶化，导致发动机在使用过程中出现起动冒白烟故障。结合检查分析认为，发动机返厂修理时，大修清洗规范要求不够细化，清洗不彻底，修理后副喷口六齿
19、表面、出口端面、内腔上的积碳未完全清除，表面粗糙度未得到有效恢复，使发动机在使用过程中喷嘴积碳继续累积，造成喷嘴积碳过多，导致大修发动机使用较短时间后发生起动冒白烟故障。5改进措施5.1新品措施（1）加强质量控制。加强关键因素的检验，燃油喷嘴副喷口在原1 0 0%目视检查的基础上，增加切抽检粗糙度。粗糙度检查重点部位为六齿间平面及中心孔出口平面、中心孔韧带、副喷口内腔。每批抽检比例为5%，若有不合格件，对剩余零件补加工后进行双倍检验。若还有不合格件，整批零件报废。（2）明确性能要求。在喷嘴副喷口雾化性能试验中,应观察到六个完整的油锥，并细化增加要求，不允许在其它位置存在油路。5.2翻修、大修产
20、品措施（1）优化喷嘴清洗工艺。对于排故发动机喷嘴，喷嘴处于未分解状态，采用毛刷或合适的研磨膏刷除喷嘴表面及喷嘴固定螺母组合件间隙处积碳，再用非卤代有机溶剂将喷嘴壳体和喷口表面油污、积碳清洗干净，并用干净的压缩空气吹干。对于大修喷嘴，喷嘴882023,61(9)总第7 0 9 期机械制造（编辑罡上接第7 0 页）罡（编辑收稿时间：2 0 2 3-0 4安全故障处于分解状态，采用超声清洗、漂洗、热风烘干。若未清洗干净，允许用毛刷或研磨膏刷除六齿表面及内孔的积碳，再用非卤代有机溶剂将喷嘴壳体表面油污、积碳清洗干净，并用干净的压缩空气吹干。用双目放大镜采用对照标准样件或粗糙度样板的方式，检查零件六齿间
21、平面、内腔、三个旋流槽的粗糙度。（2）明确性能要求。在喷嘴副喷口雾化性能试验中，应观察到六个完整的油锥，并细化增加要求，不允许在其它位置存在油路。6结束语笔者对发动机起动时喷口冒白烟故障进行分析，并制订改进措施。根据发动机喷嘴积碳与冒白烟故障数据统计，贯彻改进措施的发动机在故障频发周期范围内均未发生冒白烟故障。综合分析判断，故障改进措施有效。参考文献1宛仕，黄豪中，刘，等.喷油压力对GDI积碳喷嘴喷雾特性的影响J，广西大学学报（自然科学版），2 0 1 6，41(2):404-411.2WOHZ,DEARN K D,SONG R H,et al.Morphology,Composition,a
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