冷卻水泵

隨着冷卻系統對發動機性能的影響日益顯著，汽車冷卻系統關鍵零部件的熱負荷及其可靠性研究已成為國內外研究的熱點。冷卻水泵是汽車發動機閉式循環冷卻系統中輸送冷卻水的主要部件，其性能好壞，不僅影響汽車的動力性、經濟性，而且影響整機的壽命長短。

國內外學者針對發動機冷卻水泵特殊的工作環境，在可靠性和汽蝕破壞等制約發動機冷卻水泵發展的關鍵因素方面展開了深入的研究，取得了大量相關研究成果 ^[1]  。

發動機冷卻水泵是汽車發動機冷卻系統的心臟，其作用是提高循環系統中冷卻液的工作壓力，維持發動機相關部件間的冷卻液循環，防止發動機的運行温度過高． 根據配套要求和工作條件的不同，發動機冷卻水泵結構型式有離心泵、旋渦泵以及旋轉容積泵等，由於受空間尺寸的限制，通常採用由入水室、葉輪和出水室組成的單級離心泵，該結構具有外形尺寸小、重量輕、供水量大、結構簡單等特點，是應用最為廣泛的一種結構型式。典型離心式冷卻循環水泵主要由泵體、葉輪、軸承、水封和帶輪等組成。

發動機冷卻水泵的周圍有多個零部件，其結構設計必須服從發動機的整體佈置要求，以致水泵進出水的流道走向、蝸室的形狀與斷面、水泵進出口佈局、葉輪進口結構及基本尺寸確定等往往難以滿足正常的水力設計要求，從而直接影響了包括效率在內的運行性能的提高。發動機冷卻水泵的入水室結構分為直筒型或者螺旋形，出水室結構為螺旋形且與發動機鑄造為一體。葉輪的結構幾何參數對水泵運行性能具有決定性的影響，發動機冷卻水泵一般採用無前蓋板的半開式葉輪結構。

性能曲線用於表達泵在不同工況下對水流能量的轉換特性，是泵內部流動規律的外在表現。與普通離心泵一樣，發動機冷卻水泵的定速特性曲線為一定轉速下流量與揚程、流量與效率以及流量與功率的關係曲線。它可以直觀描述發動機冷卻水泵在恆定轉速下的運行性能。但由於發動機冷卻水泵工作時轉速是不斷變化的，為此還必須給出水泵的變速特性曲線。發動機冷卻水泵的變速特性曲線主要測繪出不同轉速所對應的流量、揚程和功率曲線，體現了不同轉速下的能量轉換特性。為了更直觀反映發動機冷卻水泵的綜合性能，有時需把2種性能曲線繪製在同一幅圖上表示其各性能參數。

由於發動機冷卻水泵具有工作水温高( 75～85℃) 、轉速變化範圍大( 2000～5000r/min) 、結構尺寸受總體限制等特殊性，其與普通水泵相比，水泵進出水流道的複雜設計使得進出口液流流向及斷面形狀急劇變化，增大了水力損失，降低了效率。同時，在高温、高轉速和大流量工況下發動機冷卻水泵更容易發生汽蝕現象，同時半開式葉輪頂部間隙的串流引起主流的擠縮和葉輪流道中流速的增大，使葉輪汽蝕特性更加惡化，嚴重影響冷卻系統的正常工作，大大縮短冷卻水泵的使用壽命。特殊的工作環境及匹配狀況決定了發動機冷卻水泵的設計有異於普通離心泵。

綜上所述，典型發動機冷卻水泵是單級離心泵在汽車上的一種特殊運用，其型式簡單，結構複雜。由於發動機冷卻水泵的空間尺寸受到嚴重限制，以及運行環境的惡劣，導致其效率低下併產生嚴重的汽蝕破壞。因此，深入研究效率與發動機冷卻水泵結構參數之間的影響關係，探討制約發動機冷卻水泵發展的關鍵因素至關重要 ^[2]  。

發動機冷卻水泵作為發動機水冷系統的重要部件，其適用性和可靠性越來越受到設計、製造和使用者的普遍重視． 尤其是隨着發動機品質的不斷提高，水泵的工作空間進一步限制，運行轉速不斷突破，部件失效和汽蝕破壞等問題嚴重製約了發動機冷卻水泵的發展。

1.可靠性

發動機冷卻水泵作為冷卻系統的“心臟”，工作環境惡劣，空間極其受限． 為避免大修期內拆裝、維修，水泵的工作壽命應等於或倍數於發動機大修期。因此，對於發動機冷卻水泵及其組件，如水封、軸承、泵軸和葉輪等可靠性要求極高，需要實現機泵同壽命。但是，裝配結構的高度緊湊，使得發動機冷卻水泵中廣泛採用軸連軸承代替離心泵中常見的軸和軸承組合，極易造成泵軸強度不夠而斷裂． 轉速的不斷變化，使得冷卻風扇與水泵葉輪產生的軸向力亦隨之變動，泵軸與支承間的遊隙存在將會增大噪聲和振動，對泵的運行性能及水封工作帶來不利影響。尤其是發動機冷卻水泵在高温環境下工作，軸封的工作條件惡劣極易出現密封失效。同時，為了保證足夠的循環水量、一定的揚程和適當的轉速，實現冷卻液在任何工況下循環流動並帶走發動機熱量，多參數、高要求的匹配對發動機冷卻水泵的可靠運行提出了更多挑戰。因此，可靠性問題成為制約發動機冷卻系統質量和全壽命週期成本的關鍵因素。

2. 汽蝕破壞

與普通離心泵相比，發動機冷卻水泵由於受温度、工況、轉速變化的影響，更容易發生汽蝕汽蝕發生時伴隨有振動和噪聲，泵的揚程、效率等性能急速下降，長期在汽蝕工況下運行，葉輪將受到氣泡潰滅時的強力衝擊而侵蝕，甚至穿孔損壞。發動機冷卻水泵葉片表面的蜂窩狀坑點、蝸殼隔舌附近的凹坑都是常見的汽蝕破壞。

此外，發動機冷卻水泵的汽蝕還將會腐蝕破壞過流部件，加速部件失效等。發動機冷卻水泵汽蝕破壞已成為縮短泵使用壽命、產生振動噪聲等危害的重要因素，嚴重影響着汽車冷卻系統的正常工作。因此，提高其抗汽蝕性能是保證冷卻系統可靠運行首先需要考慮的問題。

發動機冷卻水泵惡劣的工作環境，使得泵的可靠性和汽蝕破壞問題尤其突出，嚴重影響着冷卻系統的安全、穩定、可靠地運行。探討如何提高發動機冷卻水泵的可靠性、研究汽蝕機理對發動機冷卻系統的發展意義重大 ^[2]  。

1.智能可控電動水泵的開發與應用

傳統的離心式發動機冷卻水泵往往工作在非設計工況，效率很低。一種新的旋片式泵(sliding vane rotary pump，SVRP) ，這種型式的泵效率敏感度很低，因此，適合發動機在變轉速工況下的應用，大大提高了水泵效率。開發出的電動冷卻系統中，除用電動冷卻水泵取代傳統機械冷卻水泵，同時還用電控智能節温器取代傳統的節温器，並開發出與這些電動部件相應的優化控制策略。在相同的配置和冷卻要求下，電動水泵的能量消耗僅為機械水泵的16%，即使考慮到電能的轉換效率只有機械能效率的1/2，整個冷卻系的能量消耗仍可降低約2 /3，優勢十分明顯。

用電控冷卻水泵取代傳統機械水泵，利用試驗和模擬對比分析發現，通過控制水泵轉速並提高電控水泵效率，功率消耗降低量超過87%，若將水泵轉速提高至最大值時，可降低散熱器尺寸超過27%，對提升發動機性能和燃料經濟性潛力很大。電動水泵實現了水泵與發動機缸體的分離，不受當前發動機轉速的影響，僅根據發動機的實際冷卻需求進行控制，實現轉速的自動調節。電動水泵降低了傳熱損失和機械損失，減小了燃油消耗，得到了越來越廣泛的應用。

2.水泵零部件的標準化、模塊化、系列化

由於工作空間受限和結構複雜，發動機冷卻水泵的拆裝維修非常困難。在滿足功能要求的前提下，部件力求結構簡單、易加工製造。發動機冷卻水泵零部件的標準化、模塊化和系列化，將會大大縮短設計週期，降低生產成本，提高零部件的通用性。

國外已形成了發動機冷卻水泵部分零部件的模塊化生產，國內部分企業也具備批量生產能力，但多種零部件還未形成統一的產品系列，部分高檔汽車發動機冷卻水泵部件更換還需國外進口。結合《中國製造2025》提出的將互聯網平台和信息通信技術融合到製造業全生命週期，以提升發動機製造業的創新能力、生產效率，形成“互聯網+汽車水泵標準件”是未來的一個發展模式。

隨着發動機匹配要求的提高，以及應用領域的不斷拓展，特殊工況的出現頻率越來越高，從而對冷卻水泵技術的要求也不斷提高。如何在空間限制、高温和變轉速工況下不斷提高發動機冷卻水泵效率、擴大其工況範圍及保證其可靠性是亟待研究和解決的關鍵問題。

1) 發動機冷卻水泵的內部流動機理研究。發動機冷卻水泵結構特點獨特且特有的內部流道型式和葉輪的旋轉運動，使泵體內部流場異常複雜。有關發動機冷卻水泵內部流場的形成機制、數學描述方法、流場與結構的相互作用關係尚不十分清楚。作為對數值計算方法的驗證和補充，PIV 測量探索發動機冷卻水泵內部真實流動規律、建立發動機冷卻水泵現代設計方法是今後研究的一個重要方向。

2) 發動機冷卻水泵的汽蝕機理研究。由於工作水温高，其複雜的熱力學性質對汽蝕性能產生了重要影響，產生機理很難掌握；同時，結構尺寸總體受限和運行工況變化大，汽蝕初生、發展、潰滅及破壞過程充滿不確定因素，尤其在非設計工況下的汽蝕狀況難以預測、求解。因此，掌握髮動機冷卻水泵熱力學效應下的汽蝕機理，探討汽蝕誘導壓力脈動的危害，進一步提高發動機冷卻水泵的性能和可靠性，是需開展更加深入而系統研究的重要內容。

3) 標準化、智能可控電動水泵研究。隨着設計方法的完善，軸承系統、水封系統和葉輪系統的模塊化、標準化開發，將會大大縮短設計週期，降低生產成本，提高零部件的通用性。同時，實現對發動機冷卻水泵實時控制，通過變頻調速來適應工況變化，由電動水泵代替傳統機械水泵必將是發動機冷卻水泵的發展趨勢 ^[3]  。