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1基本信息

隨著冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響日益顯著，汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負(fù)荷及其可靠性研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。冷卻水泵是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，而且影響整機(jī)的壽命長(zhǎng)短。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻水泵發(fā)展的關(guān)鍵因素方面展開(kāi)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(dòng)機(jī)冷卻水泵是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)相關(guān)部件間的冷卻液循環(huán)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行溫度過(guò)高． 根據(jù)配套要求和工作條件的不同，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)冷卻水泵的周?chē)卸鄠€(gè)零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須服從發(fā)動(dòng)機(jī)的整體布置要求，以致水泵進(jìn)出水的流道走向、蝸室的形狀與斷面、水泵進(jìn)出口布局、葉輪進(jìn)口結(jié)構(gòu)及基本尺寸確定等往往難以滿(mǎn)足正常的水力設(shè)計(jì)要求，從而直接影響了包括效率在內(nèi)的運(yùn)行性能的提高。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)鑄造為一體。葉輪的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)水泵運(yùn)行性能具有決定性的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵一般采用無(wú)前蓋板的半開(kāi)式葉輪結(jié)構(gòu)。

性能曲線(xiàn)用于表達(dá)泵在不同工況下對(duì)水流能量的轉(zhuǎn)換特性，是泵內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律的外在表現(xiàn)。與普通離心泵一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的定速特性曲線(xiàn)為一定轉(zhuǎn)速下流量與揚(yáng)程、流量與效率以及流量與功率的關(guān)系曲線(xiàn)。它可以直觀描述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵在恒定轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行性能。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵工作時(shí)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(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的變速特性曲線(xiàn)主要測(cè)繪出不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的流量、揚(yáng)程和功率曲線(xiàn)，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(dòng)機(jī)冷卻水泵的綜合性能，有時(shí)需把2種性能曲線(xiàn)繪制在同一幅圖上表示其各性能參數(shù)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)出水流道的復(fù)雜設(shè)計(jì)使得進(jìn)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(shí)，在高溫、高轉(zhuǎn)速和大流量工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵更容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，同時(shí)半開(kāi)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(yán)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(dòng)機(jī)冷卻水泵的設(shè)計(jì)有異于普通離心泵。

綜上所述，典型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵是單級(jí)離心泵在汽車(chē)上的一種特殊運(yùn)用，其型式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的空間尺寸受到嚴(yán)重限制，以及運(yùn)行環(huán)境的惡劣，導(dǎo)致其效率低下并產(chǎn)生嚴(yán)重的汽蝕破壞。因此，深入研究效率與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻水泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的重要部件，其適用性和可靠性越來(lái)越受到設(shè)計(jì)、制造和使用者的普遍重視． 尤其是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)的不斷提高，水泵的工作空間進(jìn)一步限制，運(yùn)行轉(zhuǎn)速不斷突破，部件失效和汽蝕破壞等問(wèn)題嚴(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的發(fā)展。

1.可靠性
發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)大修期。因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)泵同壽命。但是，裝配結(jié)構(gòu)的高度緊湊，使得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵中廣泛采用軸連軸承代替離心泵中常見(jiàn)的軸和軸承組合，極易造成泵軸強(qiáng)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(dòng)，泵軸與支承間的游隙存在將會(huì)增大噪聲和振動(dòng)，對(duì)泵的運(yùn)行性能及水封工作帶來(lái)不利影響。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，為了保證足夠的循環(huán)水量、一定的揚(yáng)程和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)冷卻液在任何工況下循環(huán)流動(dòng)并帶走發(fā)動(dòng)機(jī)熱量，多參數(shù)、高要求的匹配對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的可靠運(yùn)行提出了更多挑戰(zhàn)。因此，可靠性問(wèn)題成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(shí)伴隨有振動(dòng)和噪聲，泵的揚(yáng)程、效率等性能急速下降，長(zhǎng)期在汽蝕工況下運(yùn)行，葉輪將受到氣泡潰滅時(shí)的強(qiáng)力沖擊而侵蝕，甚至穿孔損壞。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵葉片表面的蜂窩狀坑點(diǎn)、蝸殼隔舌附近的凹坑都是常見(jiàn)的汽蝕破壞。
此外，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的汽蝕還將會(huì)腐蝕破壞過(guò)流部件，加速部件失效等。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵汽蝕破壞已成為縮短泵使用壽命、產(chǎn)生振動(dòng)噪聲等危害的重要因素，嚴(yán)重影響著汽車(chē)?yán)鋮s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(yùn)行首先需要考慮的問(wèn)題。
發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題尤其突出，嚴(yán)重影響著冷卻系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。探討如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的可靠性、研究汽蝕機(jī)理對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展意義重大 [2]  。

4發(fā)展趨勢(shì)

1.智能可控電動(dòng)水泵的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
傳統(tǒng)的離心式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵往往工作在非設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)在變轉(zhuǎn)速工況下的應(yīng)用，大大提高了水泵效率。開(kāi)發(fā)出的電動(dòng)冷卻系統(tǒng)中，除用電動(dòng)冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械冷卻水泵，同時(shí)還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器，并開(kāi)發(fā)出與這些電動(dòng)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(dòng)水泵的能量消耗僅為機(jī)械水泵的16%，即使考慮到電能的轉(zhuǎn)換效率只有機(jī)械能效率的1/2，整個(gè)冷卻系的能量消耗仍可降低約2 /3，優(yōu)勢(shì)十分明顯。
用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機(jī)械水泵，利用試驗(yàn)和模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(guò)87%，若將水泵轉(zhuǎn)速提高至大值時(shí)，可降低散熱器尺寸超過(guò)27%，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃料經(jīng)濟(jì)性潛力很大。電動(dòng)水泵實(shí)現(xiàn)了水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的分離，不受當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，僅根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際冷卻需求進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。電動(dòng)水泵降低了傳熱損失和機(jī)械損失，減小了燃油消耗，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
2.水泵零部件的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)冷卻水泵的拆裝維修非常困難。在滿(mǎn)足功能要求的前提下，部件力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工制造。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化，將會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高零部件的通用性。
國(guó)外已形成了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵部分零部件的模塊化生產(chǎn)，國(guó)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵部件更換還需國(guó)外進(jìn)口。結(jié)合《中國(guó)制造2025》提出的將互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)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(dòng)機(jī)制造業(yè)的創(chuàng)新能力、生產(chǎn)效率，形成“互聯(lián)網(wǎng)+汽車(chē)水泵標(biāo)準(zhǔn)件”是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展模式。

5研究展望

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)越高，從而對(duì)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(dòng)機(jī)冷卻水泵效率、擴(kuò)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(wèn)題。

1） 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理研究。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)*且*的內(nèi)部流道型式和葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使泵體內(nèi)部流場(chǎng)異常復(fù)雜。有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵內(nèi)部流場(chǎng)的形成機(jī)制、數(shù)學(xué)描述方法、流場(chǎng)與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系尚不十分清楚。作為對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證和補(bǔ)充，PIV 測(cè)量探索發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵內(nèi)部真實(shí)流動(dòng)規(guī)律、建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是今后研究的一個(gè)重要方向。

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

3） 標(biāo)準(zhǔn)化、智能可控電動(dòng)水泵研究。隨著設(shè)計(jì)方法的完善，軸承系統(tǒng)、水封系統(tǒng)和葉輪系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)，將會(huì)大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高零部件的通用性。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵實(shí)時(shí)控制，通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)適應(yīng)工況變化，由電動(dòng)水泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械水泵必將是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的發(fā)展趨勢(shì) 。