董庆丽，　芦柯京，　谷　操

(中国北方车辆研究所，北京 100072)



某电源车发动机过热分析及解决方案

董庆丽，芦柯京，谷操

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

为了解决某电源车发动机过热问题，从优化空间布置的角度出发，综合考虑散热部件结构对系统阻力和风量的影响，通过整体结构优化、一体式焊接、气侧通道结构优化等降低系统阻力的措施，提出了对冷却系统进行改进的解决方案，改进后的散热器的整体厚度变小.经过试验，发动机过热问题得到了解决并实现了210kW电力功率的输出，比设计要求值提高了5%，说明解决方案有效.

电源车；发动机过热；散热系统；风扇；风扇风量；散热系统阻力

某电源车为200 kW工频发电车，配备的柴油发电机组是以柴油为主燃料的一种发电设备，它使用柴油发动机为原动力带动发电机发电，把动能转换成电能和热能.该车为其他设备供电时的使用要求为必须在各种恶劣环境下(高原或环境温度65 ℃)能够保证发电功率为200 kW的输出，因此，柴油发动机选用的是标定额定功率为345 kW的华柴BF8M1015CP直喷式增压空空中冷柴油机.

在整车行驶试验中，只能保证在环境温度30 ℃以内的情况下发动机负载输出达到100%.然而在进行的高温性能试验过程中(环境温度65 ℃要求发动机连续运行4 h)，则出现了水温报警的发动机过热现象(水温108 ℃报警停机)，发动机自保护停止工作，无法进行满负载运行.经检测，由于动力不足，发电机实际的发电输出功率仅为要求的60%，无法满足环境温度65 ℃下的100%电力功率的输出.为解决发动机过热而导致发电不足这一问题，提出对发动机冷却系统进行改进.

1　发动机具体要求

该电源车冷却系统主要包括水散热器和空空中冷器两种，为发动机的冷却液和压缩空气进行散热.发动机选用的冷却风扇是轴流风扇，由发动机直接驱动，该电源车对冷却系统的散热需求如表1所示.

表1　电源车的散热需求

2　原冷却系统配置及过热分析

2.1原冷却系统配置

原冷却系统的产品位于电源车后端，发动机散热器部件采用两层串联的常规布置方式.冷却风扇高速旋转产生冷却空气为水散热器和空空中冷器进行散热.以空气流动方向为顺序，首先经过空空中冷器，再经过水散热器，最后经过降噪体流向车尾外部.系统结构原理和布置形式如图1所示，冷却系统的产品如图2所示.

图1　原系统结构原理框图

图2　原系统产品图

2.2过热分析

从高温试验的情况来看，该产品的散热能力明显不足，无法满足在高温环境下的使用要求.

计算换热器散热量的公式为：

Q=K·F·△T.

(1)

式中：Q为散热量；K为传热系数；F为传热面积；△T为介质进出口的对数平均温差.

由公式(1)可知，散热量的大小与换热器的传热系数、换热器的传热面积和介质进出口温差有关.通常各个介质进入散热器的温度是系统给定的，因此散热量需要考虑传热系数和传热面积两方面因素.在选定散热器类型和芯体翅片结构的情况下，如果增大换热器传热面积可以提高散热量，但会使经过散热器的冷却空气的阻力增大，进而降低风量和风速.而散热器传热系数往往通过增加介质流速而得到提升，风速降低则会使风侧的传热系数减小.因此仅仅考虑传热面积而忽略系统阻力和风量的因素并不能使我们达到预期的换热效果.在该项目中从每个散热器部件的设计出发，对水散热器和空空中冷器的传热面积进行计算完全符合设计要求，但还需要分析系统阻力对风量的影响.

根据风扇性能曲线图(如图3所示)，当风扇在工作时，系统阻力将随着流量的增加而沿着阻力曲线上升，直到该曲线与风扇静压力曲线相交，在该交点上系统的空气阻力等于风扇产生的静压力值，而流量将稳定在该点对应的风量值上[1].

图3　风扇性能曲线图

因此，从整体结构和空间布置对系统阻力影响的角度来分析原冷却系统散热能力不足的原因，主要有以下两点：

1)从系统的整体结构来看，通常情况下散热器部件放置在设备通风口处，外有一层格栅保障散热器部件表面的清洁，以防止沙石泥土侵入，堵塞散热器的气侧通道，同时系统风道设计必须合理，以保证良好的通风效果.然而该系统的冷却空气经过散热器部件后，又再次经过了降噪体.降噪体为长方体多孔结构，放置在舱体后端的整个空间，使系统冷侧阻力增大，风量减小，直接影响散热效果.

2)该冷却系统有两组散热器部件，空间布置为串联结构，即散热器的整体厚度偏大，经过散热器的风阻也就偏大，而风量减小，同样会降低散热能力.

3　解决方案

3.1解决思路

由于发动机转速(风扇转速)、发动机输出扭矩(风扇扭矩)和部件空间尺寸均不能改变，原系统的冷却风扇已经是尺寸大小合适、效率较高的一款风扇，不能进行更换；同时，该电源车要求车体后方必须布置消音器；散热器部件前端风道由风扇罩组成，后端风道由直段的帆布连接到降噪体上，风道的空气阻力相对散热器部件来说非常小,因此解决思路就是通过调整散热器各个部件布置方式和结构来降低系统阻力，保证冷却系统所需要的风量：

1)系统的整体结构方式必须降低系统风阻才能保证风量不会减小，因此，将散热器部件串联式的前后结构改成并联式的左右结构，将两组散热器部件设计成一组散热器部件，减少空气流动的突扩和突缩，风阻会相应减小.

2)用一体式焊接技术将两个分开独立的散热器设计成整体的结构，整体厚度变小，降低风阻，并通过优化结构布局可以增加空气侧有效流通面积和传热面积[2].

3)针对发动机水温出现高温报警现象，可对水散热器内部结构的布置方式进行调整，在保证传热面积符合设计要求的基础上增加空气侧通道的数量，以增加空气侧的流通面积，降低风阻.

3.2解决方案

1)首先将空空中冷器和水散热器并联成左右结构，风扇的冷却空气同时经过空空中冷器和水散热器.这样不仅可以降低进入水散热器的冷空气温度，提升散热效果，同时也降低了系统风侧阻力.

2)再将空空中冷器和水散热器设计成一体式结构，按照风量的分配确定两个散热器迎风面的面积比例，直接将散热器芯体装配成一个整体进行钎焊.由于翅片等元件类型多、芯体体积大，所以钎焊工艺难度较高.但这种铝板翅式散热器的整体式焊接设计技术已经在其他多种特种车辆上采用，对实现增加散热器部件的传热面积、提升散热效果起到重要的作用.

3)调整整体式散热器芯体的厚度.在保证水散热器和中冷器的比例分配合理的基础上，尽可能减小散热器空气侧的流通长度，进一步降低系统风侧阻力.

4)增加水散热器的空气侧通道的数量，将原来的单气侧通道改成双气侧通道.双气侧通道由两层空气侧通道和一层水侧通道累加而成，而单气侧通道是由一层空气侧通道和一层水侧通道累加而成.这样做不仅加大了气侧的流通面积，提升了冷却空气对热侧通道介质的冷却效果，而且还使热侧介质的流速提高，加强了这种强制对流型换热器的换热效率.

改进后的系统结构原理框图如图4所示，冷却系统产品如图5所示.

图4　改进系统结构原理框图

图5　改进系统产品图

4　两种冷却系统的对比

4.1结构优化后的系统风量对比

将改进后的系统和原系统从芯体传热面积、尺寸和通道层数等方面进行结构上的优化，计算出系统风道阻力，如表2所示.

表2　两种冷却系统的对比结果

由表2可以看出：冷却系统的结构比原系统的更加紧凑合理，这种结构上的变化使系统的空气阻力大大减小.由图6的风扇性能曲线图可知，改进系统的风扇额定工作点向右偏移，冷却风量由原来的9 m3/s提高到10.5 m3/s，风扇静压力由原来的1.12 kPa降低到0.87 kPa.

图6　原系统和改进系统风扇性能曲线图

4.2改进后的冷却系统的散热性能

改进后的冷却系统装车进行高温环境下的性能试验，环境温度65 ℃，连续运转4 h，结果如表3所示.

表3　试验结果

从表3可以看出，65 ℃的高温性能试验中，电源车再未发生水温报警现象(报警温度108 ℃)，发动机能够使发电机输出210 kW电力功率，比设计要求值提高了5%，完全符合使用要求.

5　结　论

从优化空间布置的角度出发，综合考虑散热部件结构对系统阻力和风量的影响，通过利用整体结构优化、一体式焊接、气侧通道结构优化等降低系统阻力的措施对某电源车发动机冷却系统进行了改进设计，使其过热问题得到了解决，在高温试验中未再发生水温报警现象并能够实现210 kW电力功率的输出，比设计要求值提高了5%.

[1]章慧锦，李仁业. 车辆冷却系统设计手册{M}. 北京：国防工业出版社，1984：183-184．

[2]谷操，姜红霞，芦柯京.某型车辆的散热器产品改进设计分析 {J}.车辆与动力技术,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.

董庆丽(1978-),女,副研究员，主要研究方向为车辆传热系统技术研究.

U469.79；U464.138

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