小型涡轴发动机点火供油控制规律

杨恒辉, 毛 宁, 张宝升, 王 超

(航空工业西安航空计算技术研究所, 西安 710065)

近年来，小型涡轴发动机在无人直升机、飞机辅助动力中广泛应用，尤其是辅助动力装置作为一种小型涡轴发动机，能够为飞机提供起源和电源，减小飞机对地面电源车、气源车的依赖，提升飞机的自主保障能力。辅助动力能否成功点火起动，直接影响着飞机的机动性、自主保障能力和安全性，是发动机控制的一项关键技术。国外早在20世纪50年代就开始作为辅助动力的小型涡轴发动机的研究；20世纪80年代，辅助动力控制逐步进入数字电子控制，起动可靠性进一步提升，霍尼韦尔设计的RE220和汉胜公司设计APS5000起动运行高度已达到13 100 m，但相关控制技术报道鲜少。中国在辅助动力上的研制起步较晚，主要集中在辅助动力的本体设计。对于点火技术，刘国满等[1]开展了点火提前角对燃烧排放的影响；乔屹等[2]开展了点火系统不同储能下点火频率稳定性研究；李大为等[3]开展了改善发动机高原起动性能研究。目前，对于辅助动力的点火控制技术多采用恒定油气比供油点火，即Wf/P3=f(n)，其中，Wf/P3为燃油流量与压气机出口压力的比，n为发动机核心机转速，f为油气比。油气比主要表征进入燃烧室的燃油流量与进入燃烧室的空气流量的比值，这个比值可以较好地反映燃烧的物理特性，实现发动机可靠燃烧[4-6]。但其具有一定的局限性，在燃烧室性能退化、低温、高空等条件下，点火成功率会降低，易将出现燃烧室无法点燃或点火失稳等情况。

为此，针对小型涡轴发动机的起动点火控制，采用一种激增脉冲步进式点火供油控制规律，通过激增脉冲与步进式供油控制，提高辅助动力装置(auxiliary power unit, APU)地面和空中起动点火的自适应能力与可靠性。

1 起动点火分析

发动机的起动过程分为三个过程：第一阶段：由起动机带转发动机转速到达点火转速点，开始起动点火；第二阶段：发动机点火成功，涡轮开始做功，与起动机共同输出功率，使发动机加速到起动电机脱开转速点；第三阶段：起动机脱开后，由涡轮单独输出功率带转发动机到达稳态。图1发动机起动过程。

n1～n4为转速图1 发动机起动过程Fig.1 Engine start-up process

小型涡轴发动机起动点火时机在第一阶段，由转速n1到转速n2区间是最优点火区间。发动机的起动点火转速点确定主要由压气机特性决定，要保证起动点火时刻燃烧室内有合适的空气量，同时，要保证进入燃烧室的气流速度不能过大[7]。发动机在转速n1到转速n2转速区间的工作线上，压气机增压比变化较小，在相同工作环境下，进入燃烧室的空气流量基本稳定，是小型涡轴发动机起动点火的理想区间。

小型涡轴发动机地面起动点火主要影响因素为环境压力和环境温度。环境压力在地面对发动机起动的影响主要体现在高原起动性能上，由于高原环境压力，空气密度低，将导致进入发动机的空气流量减少，点火供油若不能及时减少，将导致富油燃烧，出现点火熄灭或者起动超温现象[8-9]。

进口温度过高，导致涡轮入口温度快速增高，但涡轮进口空气流量不足，涡轮无法输出起动加速所需的功率，易导致热悬挂现象出现。

在严寒低温环境，当涡轴发动机随飞机经历低温冷浸历程时，由于低温对航空煤油的运动黏度有着巨大影响，特别是0 ℃以下，航空煤油的黏度快速增加。根据徐圃青等研究，在气流速度一定，燃油压力不变的情况下，进气压力越低，大颗粒油珠越多，燃油雾化效果越差[10]。

因此，在低温状态起动时，涡轴发动机的点火装置能够正常工作，由于燃油温度较低，低温燃油黏度较大，导致进入燃烧室的燃油挥发性和雾化效果变差，燃烧室联焰缓慢，燃烧室内很难成功点火或形成稳定火焰，易导致点火失败和点火时间将增长，涡轴发动机点火的成功率降低。

同时，低温也会导致滑油黏度增加，将导致涡轴发动机系统润滑效果变差，且增大了起动阻力。

无论是大型发动机还是小型涡轴发动机，控制空中起动点火都是其面临的最大问题之一。随着高度的增加，空气密度减小，在高空6 000 m，空气密度只有地面的47%，进入涡轴发动机的空气流量急剧减少，导致点火所需供油量降低，因此，若涡轴发动机在高空采用与地面相同的点火供油规律极易引起富油导致点火失败；同时，由于小流量的燃油调节精度不高，将导致实际进入涡轴发动机的供油量与期望值误差较大，此时采用恒定点火供油，也会导致空中点火成功率降低。

2 点火供油控制规律设计

根据发动机设计特性，实现起动供油点火成功的重要因素就是燃烧室内有合适的油气比，即

f=wf/qm

(1)

式(1)中：f为油气比；wf为进入燃烧室的燃油流量；qm为进入燃烧室的空气流量。

发动机燃烧室设计完成后，发动机点火与稳定燃烧的油气比区间也将基本确定。因此，点火供油量即是进入发动机燃烧室空气流量的函数。

根据燃烧室点火油气比设计特性，通过燃油温度对油气比燃油进行修正，计算涡轴发动机初始点火供油量，采用脉冲步进式供油控制，逐步增大点火供油流量，以提高点火的成功率。

2.1 点火初始供油设计

影响发动机进气流量的主要因素包括：进口压力P1、进口温度T1和发动机核心机转速n。在发动机燃烧室设计完成后，点火油气比特性已经确定，因此，可通过进口空气流量确定点火供油流量。

根据压气机的通用特性可得

qm,cor=f(ncor,π)

(2)

式(2)中：qm,cor为压气机换算空气流量；ncor为压气机换算转速；π为压气机增压比。

在已知T1和n的情况下，ncor可表示为

(3)

根据压气机特性曲线，由ncor和π即可在压气机特性曲线上得到qm,cor，因此，流经压气机的空气流量为

(4)

由于压气机点火转速区间内转速较低，压气机增压比变化可以忽略，且在相同环境下空气流量只与进口压力和温度有关。因此，忽略n和π对起动点火供油的影响，此时点火供油量为

w′f=f(qm)=f(P1,T1)

(5)

2.2 基于燃油温度的点火燃油补偿控制

在高寒、高空等低温环境下，由于进口温度低，根据式(3)，涡轴发动机的换算转速增大，压气机工作点右移，压气机换算空气流量增大，由式(4)可以看出，燃油流量将增大，对发动机的起动性能有较大影响。当空气动力之和大于表面张力与黏性力之和时，会发生液体的破裂。由此可见，表面张力和黏度是影响喷雾的主要因素。

根据牛顿黏度定律，得

(6)

式(6)中：u为速度；τ为单位面积上的摩擦应力，也称剪应力；μ为流体黏性系数，其取决于分子的热运动速度，即流体的温度;du/dn为流体速度梯度。

由于液体分子间的内聚力，黏度系数随着温度的增大而减小，因此温度越低，黏性力越大。

根据韦伯数定义可得

(7)

式(7)中：We为韦伯系数；d0为特征长度；ρa为流体密度；νa为流体速度；当液体流速增大时，表面张力系数σf减小，导致表面张力减小。

当发动机进气条件不变时，气动力不变，燃油温度降低将导致燃油黏性力增加，如要保持燃油雾化效果，需减小燃油张力。

当增加燃油流量时，燃油流速增大， 根据式(7)、式(8)，表面张力减小，与黏性力增加抵消，使得低温状态燃油雾化效果保持不变。

在低温状态，根据燃油温度对供油量进行修正，随着燃油温度降低，增大燃油流量，提升燃油流速，改善燃油雾化效果。

燃油温度对燃油的修正采用比例修正：

β=f(Ffuel_temp)

(8)

式(9)中：β为燃油修正系数；Ffuel_temp为燃油温度。

以标准大气温度15 ℃为分界点，当燃油温度Ffuel_temp≥15 ℃时，β=1；当燃油温度Ffuel_temp<15 ℃时，β逐步增大。

根据式(5)、式(9)得最终的点火初始供油为

Wf_base=w′fβ

(9)

Wf_base=f′(P1,T1,Ffuel_temp)

(10)

式中：Wf_base为初始点火供油量。

2.3 激增脉冲步进式点火供油控制

由于涡轴发动机要在一定的飞行包线内起动运行，其工作环境参数变化较大，尤其是在高海拔或空中情况下，由于起动点火环境较差，易导致点火不成功。因此，在设计点火供油规律时考虑起动包线内点火成功的可靠性是一项重要需求。

在涡轴发动机起动的全包线范围内，以初始点火供油开始涡轴发动机的点火起动，当初始供油无法实现成功点火时，在初始点火供油量Wf_base的基础上步进式增加点火供油流量，步进式供油量为(1+k)Wf_base，重新供油点火，实现稳定可靠点火，其中k为步进式供油增量系数。

在点火供油控制中，设计最大供油流量限制wfmax作为点火富油边界。步进式点火供油示意图如图2所示。

图2 步进式点火供油示意图Fig.2 Diagram of stepping ignition and fuel supply

设置图2中系数k随着步进式点火供油的次数逐步增加，第一次点火时，采用初始点火供油，此时k=0；第一次点火不成功，开始第二次步进式供油点火时，增大k的取值，如k=0.2，增大点火供油量。

考虑发动机低温或空中起动点火时，由于空气密度较小、进气温度较低，燃油雾化效果变差，采用燃油激增脉冲法：在步进式供油(1+k)Wf_base供油前，瞬间增大燃油流量wf到最大输出燃油流量，实现供油管内燃油的快速填充，提高喷口燃油压力，改善燃油雾化效果，提高点火的成功率。

激增脉冲步进式点火供油的逻辑如图3所示。图3中，t1～t2时间段为激增脉冲供油，激增脉冲的供油量可设定为燃调最大输出供油量，通过控制激增脉冲时间，控制实际输出燃油量的大小，燃油激增脉冲的时间不能过长，否则将可能导致燃烧室富油，熄火或起动超温；t2～t3时间段内，按照(1+k)Wf_base规律增加点火供油，此期间发动机电子控制器通过排气温度的变化检测是否点火成功，当涡轴发动机点火成功，则退出点火供油进入起动加速供油逻辑；不同发动机可根据特性设计多个时间分段曲线，开展阶跃式步进供油控制，逐步增大点火供油量，以提升点火的成功率。

图3 脉冲供油逻辑图Fig.3 Logic diagram of plus fuel supply

3 试验验证

在辅助动力装置上开展了脉冲步进式起动点火供油控制规律试验验证。图4为地面状态下，设置不同进口温度和燃油温度，控制辅助动力装置点火起动。

P2为发动机进口压力；T2为发动机进口温度图4 地面起动试验验证Fig.4 Low temperature start simulation on ground

由图4可见，地面状态下，起动环境温度和燃油温度越低，点火步进供油的初始供油越大；随着燃油温度的降低，初始供油也逐渐增大；在图4(b)初始点火供油前，采用激增脉冲供油，瞬时增大燃油流量，改善燃油雾化效果，快速建立燃烧环境，提高了点火的可靠性。

图5为高空模拟环境下，不同高度、温度，控制辅助动力装置点火起动。

由图5可知，由于高空气压、温度低，导致进气量不足，且空气温度低，点火困难，图5(a)、图5(b)第一次初始供油点火均未成功，对此通过增加供油量进行了第二次点火，并点火成功；同时，随着燃油温度的降低，通过燃油温度补偿控制，初始供油也出现了明显增大；图5(b)在初始供油点火最后阶段，排气温度开始上升，但并未到达点火成功判定阈值，因此，第二次输出激增脉冲供油，当脉冲输出完成后，排气温度超过点火判定阈值，立即停止第二次步进供油，进入起动加速供油控制。

通过地面和高空模拟试验多次验证，激增脉冲步进式点火供油控制规律均能够可靠实现辅助动力装置点火起动。

图5 空中点火起动Fig.5 Air ignition starting

4 结论

研究一种小型涡轴发动机起动点火供油规律的设计方法。采用该点火供油控制规律，可以在很大程度上提高涡轴发动机全包线内起动点火的成功率和可靠性。通过试验验证，得出以下结论。

(1)所设计的点火供油规律在设计过程中采用涡轴发动机进口温度和压力计算点火所需基础供油，同时利用燃油温度最点火基础供油进行补偿控制，具有较好的适应性，在辅助动力装置系统试验验证中，点火可靠；

(2)所设计的点火供油控制规律通过点火不成功时的激增脉冲与步进供油控制，能够较好地增强发动机点火的可靠性与系统的可用性；提高了系统的安全性与寿命。通过对辅助动力装置系统试验验证结果分析，辅助动力装置点火起动过程各项参数变化平稳，未出现超温或喘振等异常情况，点火过程稳定可靠。