某電源車發(fā)動機過熱分析及解決方案

董慶麗，　蘆柯京，　谷　操

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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某電源車發(fā)動機過熱分析及解決方案

董慶麗，蘆柯京，谷操

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

為了解決某電源車發(fā)動機過熱問題，從優(yōu)化空間布置的角度出發(fā)，綜合考慮散熱部件結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)阻力和風量的影響，通過整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、一體式焊接、氣側(cè)通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等降低系統(tǒng)阻力的措施，提出了對冷卻系統(tǒng)進行改進的解決方案，改進后的散熱器的整體厚度變小.經(jīng)過試驗，發(fā)動機過熱問題得到了解決并實現(xiàn)了210kW電力功率的輸出，比設(shè)計要求值提高了5%，說明解決方案有效.

電源車；發(fā)動機過熱；散熱系統(tǒng)；風扇；風扇風量；散熱系統(tǒng)阻力

某電源車為200 kW工頻發(fā)電車，配備的柴油發(fā)電機組是以柴油為主燃料的一種發(fā)電設(shè)備，它使用柴油發(fā)動機為原動力帶動發(fā)電機發(fā)電，把動能轉(zhuǎn)換成電能和熱能.該車為其他設(shè)備供電時的使用要求為必須在各種惡劣環(huán)境下(高原或環(huán)境溫度65 ℃)能夠保證發(fā)電功率為200 kW的輸出，因此，柴油發(fā)動機選用的是標定額定功率為345 kW的華柴BF8M1015CP直噴式增壓空空中冷柴油機.

在整車行駛試驗中，只能保證在環(huán)境溫度30 ℃以內(nèi)的情況下發(fā)動機負載輸出達到100%.然而在進行的高溫性能試驗過程中(環(huán)境溫度65 ℃要求發(fā)動機連續(xù)運行4 h)，則出現(xiàn)了水溫報警的發(fā)動機過熱現(xiàn)象(水溫108 ℃報警停機)，發(fā)動機自保護停止工作，無法進行滿負載運行.經(jīng)檢測，由于動力不足，發(fā)電機實際的發(fā)電輸出功率僅為要求的60%，無法滿足環(huán)境溫度65 ℃下的100%電力功率的輸出.為解決發(fā)動機過熱而導致發(fā)電不足這一問題，提出對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行改進.

1　發(fā)動機具體要求

該電源車冷卻系統(tǒng)主要包括水散熱器和空空中冷器兩種，為發(fā)動機的冷卻液和壓縮空氣進行散熱.發(fā)動機選用的冷卻風扇是軸流風扇，由發(fā)動機直接驅(qū)動，該電源車對冷卻系統(tǒng)的散熱需求如表1所示.

表1　電源車的散熱需求

2　原冷卻系統(tǒng)配置及過熱分析

2.1原冷卻系統(tǒng)配置

原冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品位于電源車后端，發(fā)動機散熱器部件采用兩層串聯(lián)的常規(guī)布置方式.冷卻風扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生冷卻空氣為水散熱器和空空中冷器進行散熱.以空氣流動方向為順序，首先經(jīng)過空空中冷器，再經(jīng)過水散熱器，最后經(jīng)過降噪體流向車尾外部.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和布置形式如圖1所示，冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品如圖2所示.

圖1　原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2　原系統(tǒng)產(chǎn)品圖

2.2過熱分析

從高溫試驗的情況來看，該產(chǎn)品的散熱能力明顯不足，無法滿足在高溫環(huán)境下的使用要求.

計算換熱器散熱量的公式為：

Q=K·F·△T.

(1)

式中：Q為散熱量；K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；△T為介質(zhì)進出口的對數(shù)平均溫差.

由公式(1)可知，散熱量的大小與換熱器的傳熱系數(shù)、換熱器的傳熱面積和介質(zhì)進出口溫差有關(guān).通常各個介質(zhì)進入散熱器的溫度是系統(tǒng)給定的，因此散熱量需要考慮傳熱系數(shù)和傳熱面積兩方面因素.在選定散熱器類型和芯體翅片結(jié)構(gòu)的情況下，如果增大換熱器傳熱面積可以提高散熱量，但會使經(jīng)過散熱器的冷卻空氣的阻力增大，進而降低風量和風速.而散熱器傳熱系數(shù)往往通過增加介質(zhì)流速而得到提升，風速降低則會使風側(cè)的傳熱系數(shù)減小.因此僅僅考慮傳熱面積而忽略系統(tǒng)阻力和風量的因素并不能使我們達到預期的換熱效果.在該項目中從每個散熱器部件的設(shè)計出發(fā)，對水散熱器和空空中冷器的傳熱面積進行計算完全符合設(shè)計要求，但還需要分析系統(tǒng)阻力對風量的影響.

根據(jù)風扇性能曲線圖(如圖3所示)，當風扇在工作時，系統(tǒng)阻力將隨著流量的增加而沿著阻力曲線上升，直到該曲線與風扇靜壓力曲線相交，在該交點上系統(tǒng)的空氣阻力等于風扇產(chǎn)生的靜壓力值，而流量將穩(wěn)定在該點對應的風量值上[1].

圖3　風扇性能曲線圖

因此，從整體結(jié)構(gòu)和空間布置對系統(tǒng)阻力影響的角度來分析原冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的原因，主要有以下兩點：

1)從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)來看，通常情況下散熱器部件放置在設(shè)備通風口處，外有一層格柵保障散熱器部件表面的清潔，以防止沙石泥土侵入，堵塞散熱器的氣側(cè)通道，同時系統(tǒng)風道設(shè)計必須合理，以保證良好的通風效果.然而該系統(tǒng)的冷卻空氣經(jīng)過散熱器部件后，又再次經(jīng)過了降噪體.降噪體為長方體多孔結(jié)構(gòu)，放置在艙體后端的整個空間，使系統(tǒng)冷側(cè)阻力增大，風量減小，直接影響散熱效果.

2)該冷卻系統(tǒng)有兩組散熱器部件，空間布置為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即散熱器的整體厚度偏大，經(jīng)過散熱器的風阻也就偏大，而風量減小，同樣會降低散熱能力.

3　解決方案

3.1解決思路

由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速(風扇轉(zhuǎn)速)、發(fā)動機輸出扭矩(風扇扭矩)和部件空間尺寸均不能改變，原系統(tǒng)的冷卻風扇已經(jīng)是尺寸大小合適、效率較高的一款風扇，不能進行更換；同時，該電源車要求車體后方必須布置消音器；散熱器部件前端風道由風扇罩組成，后端風道由直段的帆布連接到降噪體上，風道的空氣阻力相對散熱器部件來說非常小,因此解決思路就是通過調(diào)整散熱器各個部件布置方式和結(jié)構(gòu)來降低系統(tǒng)阻力，保證冷卻系統(tǒng)所需要的風量：

1)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)方式必須降低系統(tǒng)風阻才能保證風量不會減小，因此，將散熱器部件串聯(lián)式的前后結(jié)構(gòu)改成并聯(lián)式的左右結(jié)構(gòu)，將兩組散熱器部件設(shè)計成一組散熱器部件，減少空氣流動的突擴和突縮，風阻會相應減小.

2)用一體式焊接技術(shù)將兩個分開獨立的散熱器設(shè)計成整體的結(jié)構(gòu)，整體厚度變小，降低風阻，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局可以增加空氣側(cè)有效流通面積和傳熱面積[2].

3)針對發(fā)動機水溫出現(xiàn)高溫報警現(xiàn)象，可對水散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置方式進行調(diào)整，在保證傳熱面積符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上增加空氣側(cè)通道的數(shù)量，以增加空氣側(cè)的流通面積，降低風阻.

3.2解決方案

1)首先將空空中冷器和水散熱器并聯(lián)成左右結(jié)構(gòu)，風扇的冷卻空氣同時經(jīng)過空空中冷器和水散熱器.這樣不僅可以降低進入水散熱器的冷空氣溫度，提升散熱效果，同時也降低了系統(tǒng)風側(cè)阻力.

2)再將空空中冷器和水散熱器設(shè)計成一體式結(jié)構(gòu)，按照風量的分配確定兩個散熱器迎風面的面積比例，直接將散熱器芯體裝配成一個整體進行釬焊.由于翅片等元件類型多、芯體體積大，所以釬焊工藝難度較高.但這種鋁板翅式散熱器的整體式焊接設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在其他多種特種車輛上采用，對實現(xiàn)增加散熱器部件的傳熱面積、提升散熱效果起到重要的作用.

3)調(diào)整整體式散熱器芯體的厚度.在保證水散熱器和中冷器的比例分配合理的基礎(chǔ)上，盡可能減小散熱器空氣側(cè)的流通長度，進一步降低系統(tǒng)風側(cè)阻力.

4)增加水散熱器的空氣側(cè)通道的數(shù)量，將原來的單氣側(cè)通道改成雙氣側(cè)通道.雙氣側(cè)通道由兩層空氣側(cè)通道和一層水側(cè)通道累加而成，而單氣側(cè)通道是由一層空氣側(cè)通道和一層水側(cè)通道累加而成.這樣做不僅加大了氣側(cè)的流通面積，提升了冷卻空氣對熱側(cè)通道介質(zhì)的冷卻效果，而且還使熱側(cè)介質(zhì)的流速提高，加強了這種強制對流型換熱器的換熱效率.

改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖4所示，冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品如圖5所示.

圖4　改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

圖5　改進系統(tǒng)產(chǎn)品圖

4　兩種冷卻系統(tǒng)的對比

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的系統(tǒng)風量對比

將改進后的系統(tǒng)和原系統(tǒng)從芯體傳熱面積、尺寸和通道層數(shù)等方面進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，計算出系統(tǒng)風道阻力，如表2所示.

表2　兩種冷卻系統(tǒng)的對比結(jié)果

由表2可以看出：冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比原系統(tǒng)的更加緊湊合理，這種結(jié)構(gòu)上的變化使系統(tǒng)的空氣阻力大大減小.由圖6的風扇性能曲線圖可知，改進系統(tǒng)的風扇額定工作點向右偏移，冷卻風量由原來的9 m3/s提高到10.5 m3/s，風扇靜壓力由原來的1.12 kPa降低到0.87 kPa.

圖6　原系統(tǒng)和改進系統(tǒng)風扇性能曲線圖

4.2改進后的冷卻系統(tǒng)的散熱性能

改進后的冷卻系統(tǒng)裝車進行高溫環(huán)境下的性能試驗，環(huán)境溫度65 ℃，連續(xù)運轉(zhuǎn)4 h，結(jié)果如表3所示.

表3　試驗結(jié)果

從表3可以看出，65 ℃的高溫性能試驗中，電源車再未發(fā)生水溫報警現(xiàn)象(報警溫度108 ℃)，發(fā)動機能夠使發(fā)電機輸出210 kW電力功率，比設(shè)計要求值提高了5%，完全符合使用要求.

5　結(jié)　論

從優(yōu)化空間布置的角度出發(fā)，綜合考慮散熱部件結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)阻力和風量的影響，通過利用整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、一體式焊接、氣側(cè)通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等降低系統(tǒng)阻力的措施對某電源車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行了改進設(shè)計，使其過熱問題得到了解決，在高溫試驗中未再發(fā)生水溫報警現(xiàn)象并能夠?qū)崿F(xiàn)210 kW電力功率的輸出，比設(shè)計要求值提高了5%.

[1]章慧錦，李仁業(yè). 車輛冷卻系統(tǒng)設(shè)計手冊{M}. 北京：國防工業(yè)出版社，1984：183-184．

[2]谷操，姜紅霞，蘆柯京.某型車輛的散熱器產(chǎn)品改進設(shè)計分析 {J}.車輛與動力技術(shù),2014，(1)：41-43.

Overheat Analysis and Solution for the Engine on aCertain Moving Power Station

DONG Qing-li,LU Keng-jing,GU Cao

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

In order to solve the problem of engine overheating for a certain moving power station,in this paper a solution was proposed to improve the sooling system by considering the effect of the structure of the heat sink on the resistance and air flow of the system from the angle of optimizing the space layout, the integral structure optimization, integral welding, air side channel structure optimization and other measures to reduce the resistance of the system, and after the amelioration the overall thickness of the radiator was reduced. The experiment results showed that the engine overheating problem is solved; the output of 210kW electric power is achieved, and outperforms the design rgquirement by 5%. It is concluted that the proposed solution is feasble and effective.

moving power station；engine overheating；cooling system；fan；air quantity of fan；resistance of cooling system

1009-4687(2016)03-0048-04

2016-05-17.

董慶麗(1978-),女,副研究員，主要研究方向為車輛傳熱系統(tǒng)技術(shù)研究.

U469.79；U464.138

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