1基本信息

隨著冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響日益顯著，汽車冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負荷及其可靠性研究已成為國內(nèi)外研究的熱點。冷卻水泵是汽車發(fā)動機閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)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(jīng)濟性，而且影響整機的壽命長短。

國內(nèi)外學(xué)者針對發(fā)動機冷卻水泵特殊的工作環(huán)境，在可靠性和汽蝕破壞等制約發(fā)動機冷卻水泵發(fā)展的關(guān)鍵因素方面展開了深入的研究，取得了大量相關(guān)研究成果 。

2結(jié)構(gòu)型式

發(fā)動機冷卻水泵是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的心臟，其作用是提高循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液的工作壓力，維持發(fā)動機相關(guān)部件間的冷卻液循環(huán)，防止發(fā)動機的運行溫度過高． 根據(jù)配套要求和工作條件的不同，發(fā)動機冷卻水泵結(jié)構(gòu)型式有離心泵、旋渦泵以及旋轉(zhuǎn)容積泵等，由于受空間尺寸的限制，通常采用由入水室、葉輪和出水室組成的單級離心泵，該結(jié)構(gòu)具有外形尺寸小、重量輕、供水量大、結(jié)構(gòu)簡單等特點，是應(yīng)用為廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式。典型離心式冷卻循環(huán)水泵主要由泵體、葉輪、軸承、水封和帶輪等組成。

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

性能曲線用于表達泵在不同工況下對水流能量的轉(zhuǎn)換特性，是泵內(nèi)部流動規(guī)律的外在表現(xiàn)。與普通離心泵一樣，發(fā)動機冷卻水泵的定速特性曲線為一定轉(zhuǎn)速下流量與揚程、流量與效率以及流量與功率的關(guān)系曲線。它可以直觀描述發(fā)動機冷卻水泵在恒定轉(zhuǎn)速下的運行性能。但由于發(fā)動機冷卻水泵工作時轉(zhuǎn)速是不斷變化的，為此還必須給出水泵的變速特性曲線。發(fā)動機冷卻水泵的變速特性曲線主要測繪出不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的流量、揚程和功率曲線，體現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)速下的能量轉(zhuǎn)換特性。為了更直觀反映發(fā)動機冷卻水泵的綜合性能，有時需把2種性能曲線繪制在同一幅圖上表示其各性能參數(shù)。

由于發(fā)動機冷卻水泵具有工作水溫高（ 75～85℃） 、轉(zhuǎn)速變化范圍大（ 2000～5000r/min） 、結(jié)構(gòu)尺寸受總體限制等特殊性，其與普通水泵相比，水泵進出水流道的復(fù)雜設(shè)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，在高溫、高轉(zhuǎn)速和大流量工況下發(fā)動機冷卻水泵更容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)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(tǒng)的正常工作，大大縮短冷卻水泵的使用壽命。特殊的工作環(huán)境及匹配狀況決定了發(fā)動機冷卻水泵的設(shè)計有異于普通離心泵。

綜上所述，典型發(fā)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于發(fā)動機冷卻水泵的空間尺寸受到嚴重限制，以及運行環(huán)境的惡劣，導(dǎo)致其效率低下并產(chǎn)生嚴重的汽蝕破壞。因此，深入研究效率與發(fā)動機冷卻水泵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的影響關(guān)系，探討制約發(fā)動機冷卻水泵發(fā)展的關(guān)鍵因素至關(guān)重要。

3關(guān)鍵因素

發(fā)動機冷卻水泵作為發(fā)動機水冷系統(tǒng)的重要部件，其適用性和可靠性越來越受到設(shè)計、制造和使用者的普遍重視． 尤其是隨著發(fā)動機品質(zhì)的不斷提高，水泵的工作空間進一步限制，運行轉(zhuǎn)速不斷突破，部件失效和汽蝕破壞等問題嚴重制約了發(fā)動機冷卻水泵的發(fā)展。

1.可靠性
發(fā)動機冷卻水泵作為冷卻系統(tǒng)的“心臟”，工作環(huán)境惡劣，空間極其受限． 為避免大修期內(nèi)拆裝、維修，水泵的工作壽命應(yīng)等于或倍數(shù)于發(fā)動機大修期。因此，對于發(fā)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*，需要實現(xiàn)機泵同壽命。但是，裝配結(jié)構(gòu)的高度緊湊，使得發(fā)動機冷卻水泵中廣泛采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(zhuǎn)速的不斷變化，使得冷卻風(fēng)扇與水泵葉輪產(chǎn)生的軸向力亦隨之變動，泵軸與支承間的游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(fā)動機冷卻水泵在高溫環(huán)境下工作，軸封的工作條件惡劣極易出現(xiàn)密封失效。同時，為了保證足夠的循環(huán)水量、一定的揚程和適當?shù)霓D(zhuǎn)速，實現(xiàn)冷卻液在任何工況下循環(huán)流動并帶走發(fā)動機熱量，多參數(shù)、高要求的匹配對發(fā)動機冷卻水泵的可靠運行提出了更多挑戰(zhàn)。因此，可靠性問題成為制約發(fā)動機冷卻系統(tǒng)質(zhì)量和全壽命周期成本的關(guān)鍵因素。
2. 汽蝕破壞
與普通離心泵相比，發(fā)動機冷卻水泵由于受溫度、工況、轉(zhuǎn)速變化的影響，更容易發(fā)生汽蝕汽蝕發(fā)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沖擊而侵蝕，甚至穿孔損壞。發(fā)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(fā)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(fā)動機冷卻水泵汽蝕破壞已成為縮短泵使用壽命、產(chǎn)生振動噪聲等危害的重要因素，嚴重影響著汽車冷卻系統(tǒng)的正常工作。因此，提高其抗汽蝕性能是保證冷卻系統(tǒng)可靠運行首先需要考慮的問題。
發(fā)動機冷卻水泵惡劣的工作環(huán)境，使得泵的可靠性和汽蝕破壞問題尤其突出，嚴重影響著冷卻系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠地運行。探討如何提高發(fā)動機冷卻水泵的可靠性、研究汽蝕機理對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展意義重大 [2]  。

4發(fā)展趨勢

1.智能可控電動水泵的開發(fā)與應(yīng)用
傳統(tǒng)的離心式發(fā)動機冷卻水泵往往工作在非設(shè)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(fā)動機在變轉(zhuǎn)速工況下的應(yīng)用，大大提高了水泵效率。開發(fā)出的電動冷卻系統(tǒng)中，除用電動冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械冷卻水泵，同時還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器，并開發(fā)出與這些電動部件相應(yīng)的優(yōu)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(zhuǎn)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(yōu)勢十分明顯。
用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械水泵，利用試驗和模擬對比分析發(fā)現(xiàn)，通過控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵效率，功率消耗降低量超過87%，若將水泵轉(zhuǎn)速提高至大值時，可降低散熱器尺寸超過27%，對提升發(fā)動機性能和燃料經(jīng)濟性潛力很大。電動水泵實現(xiàn)了水泵與發(fā)動機缸體的分離，不受當前發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響，僅根據(jù)發(fā)動機的實際冷卻需求進行控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。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(yīng)用。
2.水泵零部件的標準化、模塊化、系列化
由于工作空間受限和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、易加工制造。發(fā)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(shè)計周期，降低生產(chǎn)成本，提高零部件的通用性。
國外已形成了發(fā)動機冷卻水泵部分零部件的模塊化生產(chǎn)，國內(nèi)部分企業(yè)也具備批量生產(chǎn)能力，但多種零部件還未形成統(tǒng)一的產(chǎn)品系列，部分汽車發(fā)動機冷卻水泵部件更換還需國外進口。結(jié)合《中國制造2025》提出的將互聯(lián)網(wǎng)平臺和信息通信技術(shù)融合到制造業(yè)全生命周期，以提升發(fā)動機制造業(yè)的創(chuàng)新能力、生產(chǎn)效率，形成“互聯(lián)網(wǎng)+汽車水泵標準件”是未來的一個發(fā)展模式。

5研究展望

隨著發(fā)動機匹配要求的提高，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，特殊工況的出現(xiàn)頻率越來越高，從而對冷卻水泵技術(shù)的要求也不斷提高。如何在空間限制、高溫和變轉(zhuǎn)速工況下不斷提高發(fā)動機冷卻水泵效率、擴大其工況范圍及保證其可靠性是亟待研究和解決的關(guān)鍵問題。

1） 發(fā)動機冷卻水泵的內(nèi)部流動機理研究。發(fā)動機冷卻水泵結(jié)構(gòu)特點*且*的內(nèi)部流道型式和葉輪的旋轉(zhuǎn)運動，使泵體內(nèi)部流場異常復(fù)雜。有關(guān)發(fā)動機冷卻水泵內(nèi)部流場的形成機制、數(shù)學(xué)描述方法、流場與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系尚不十分清楚。作為對數(shù)值計算方法的驗證和補充，PIV 測量探索發(fā)動機冷卻水泵內(nèi)部真實流動規(guī)律、建立發(fā)動機冷卻水泵現(xiàn)代設(shè)計方法是今后研究的一個重要方向。

2） 發(fā)動機冷卻水泵的汽蝕機理研究。由于工作水溫高，其復(fù)雜的熱力學(xué)性質(zhì)對汽蝕性能產(chǎn)生了重要影響，產(chǎn)生機理很難掌握；同時，結(jié)構(gòu)尺寸總體受限和運行工況變化大，汽蝕初生、發(fā)展、潰滅及破壞過程充滿不確定因素，尤其在非設(shè)計工況下的汽蝕狀況難以預(yù)測、求解。因此，掌握發(fā)動機冷卻水泵熱力學(xué)效應(yīng)下的汽蝕機理，探討汽蝕誘導(dǎo)壓力脈動的危害，進一步提高發(fā)動機冷卻水泵的性能和可靠性，是需開展更加深入而系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。

3） 標準化、智能可控電動水泵研究。隨著設(shè)計方法的*，軸承系統(tǒng)、水封系統(tǒng)和葉輪系統(tǒng)的模塊化、標準化開發(fā)，將會大大縮短設(shè)計周期，降低生產(chǎn)成本，提高零部件的通用性。同時，實現(xiàn)對發(fā)動機冷卻水泵實時控制，通過變頻調(diào)速來適應(yīng)工況變化，由電動水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械水泵必將是發(fā)動機冷卻水泵的發(fā)展趨勢 。