冷却水泵

发动机冷却水泵作为发动机水冷系统的重要部件，其适用性和可靠性越来越受到设计、制造和使用者的普遍重视． 尤其是随着发动机品质的不断提高，水泵的工作空间进一步限制，运行转速不断突破，部件失效和汽蚀破坏等问题严重制约了发动机冷却水泵的发展。

1.可靠性

发动机冷却水泵作为冷却系统的“心脏”，工作环境恶劣，空间极其受限． 为避免大修期内拆装、维修，水泵的工作寿命应等于或倍数于发动机大修期。因此，对于发动机冷却水泵及其组件，如水封、轴承、泵轴和叶轮等可靠性要求极高，需要实现机泵同寿命。但是，装配结构的高度紧凑，使得发动机冷却水泵中广泛采用轴连轴承代替离心泵中常见的轴和轴承组合，极易造成泵轴强度不够而断裂． 转速的不断变化，使得冷却风扇与水泵叶轮产生的轴向力亦随之变动，泵轴与支承间的游隙存在将会增大噪声和振动，对泵的运行性能及水封工作带来不利影响。尤其是发动机冷却水泵在高温环境下工作，轴封的工作条件恶劣极易出现密封失效。同时，为了保证足够的循环水量、一定的扬程和适当的转速，实现冷却液在任何工况下循环流动并带走发动机热量，多参数、高要求的匹配对发动机冷却水泵的可靠运行提出了更多挑战。因此，可靠性问题成为制约发动机冷却系统质量和全寿命周期成本的关键因素。

2. 汽蚀破坏

与普通离心泵相比，发动机冷却水泵由于受温度、工况、转速变化的影响，更容易发生汽蚀汽蚀发生时伴随有振动和噪声，泵的扬程、效率等性能急速下降，长期在汽蚀工况下运行，叶轮将受到气泡溃灭时的强力冲击而侵蚀，甚至穿孔损坏。发动机冷却水泵叶片表面的蜂窝状坑点、蜗壳隔舌附近的凹坑都是常见的汽蚀破坏。

此外，发动机冷却水泵的汽蚀还将会腐蚀破坏过流部件，加速部件失效等。发动机冷却水泵汽蚀破坏已成为缩短泵使用寿命、产生振动噪声等危害的重要因素，严重影响着汽车冷却系统的正常工作。因此，提高其抗汽蚀性能是保证冷却系统可靠运行首先需要考虑的问题。

发动机冷却水泵恶劣的工作环境，使得泵的可靠性和汽蚀破坏问题尤其突出，严重影响着冷却系统的安全、稳定、可靠地运行。探讨如何提高发动机冷却水泵的可靠性、研究汽蚀机理对发动机冷却系统的发展意义重大 。

1.智能可控电动水泵的开发与应用

传统的离心式发动机冷却水泵往往工作在非设计工况，效率很低。一种新的旋片式泵(sliding vane rotary pump，SVRP) ，这种型式的泵效率敏感度很低，因此，适合发动机在变转速工况下的应用，大大提高了水泵效率。开发出的电动冷却系统中，除用电动冷却水泵取代传统机械冷却水泵，同时还用电控智能节温器取代传统的节温器，并开发出与这些电动部件相应的优化控制策略。在相同的配置和冷却要求下，电动水泵的能量消耗仅为机械水泵的16%，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效率的1/2，整个冷却系的能量消耗仍可降低约2 /3，优势十分明显。

用电控冷却水泵取代传统机械水泵，利用试验和模拟对比分析发现，通过控制水泵转速并提高电控水泵效率，功率消耗降低量超过87%，若将水泵转速提高至最大值时，可降低散热器尺寸超过27%，对提升发动机性能和燃料经济性潜力很大。电动水泵实现了水泵与发动机缸体的分离，不受当前发动机转速的影响，仅根据发动机的实际冷却需求进行控制，实现转速的自动调节。电动水泵降低了传热损失和机械损失，减小了燃油消耗，得到了越来越广泛的应用。

2.水泵零部件的标准化、模块化、系列化

由于工作空间受限和结构复杂，发动机冷却水泵的拆装维修非常困难。在满足功能要求的前提下，部件力求结构简单、易加工制造。发动机冷却水泵零部件的标准化、模块化和系列化，将会大大缩短设计周期，降低生产成本，提高零部件的通用性。

国外已形成了发动机冷却水泵部分零部件的模块化生产，国内部分企业也具备批量生产能力，但多种零部件还未形成统一的产品系列，部分高档汽车发动机冷却水泵部件更换还需国外进口。结合《中国制造2025》提出的将互联网平台和信息通信技术融合到制造业全生命周期，以提升发动机制造业的创新能力、生产效率，形成“互联网 汽车水泵标准件”是未来的一个发展模式。

随着冷却系统对发动机性能的影响日益显著，汽车冷却系统关键零部件的热负荷及其可靠性研究已成为国内外研究的热点。冷却水泵是汽车发动机闭式循环冷却系统中输送冷却水的主要部件，其性能好坏，不仅影响汽车的动力性、经济性，而且影响整机的寿命长短。

国内外学者针对发动机冷却水泵特殊的工作环境，在可靠性和汽蚀破坏等制约发动机冷却水泵发展的关键因素方面展开了深入的研究，取得了大量相关研究成果 。

发动机冷却水泵是汽车发动机冷却系统的心脏，其作用是提高循环系统中冷却液的工作压力，维持发动机相关部件间的冷却液循环，防止发动机的运行温度过高． 根据配套要求和工作条件的不同，发动机冷却水泵结构型式有离心泵、旋涡泵以及旋转容积泵等，由于受空间尺寸的限制，通常采用由入水室、叶轮和出水室组成的单级离心泵，该结构具有外形尺寸小、重量轻、供水量大、结构简单等特点，是应用最为广泛的一种结构型式。典型离心式冷却循环水泵主要由泵体、叶轮、轴承、水封和带轮等组成。

发动机冷却水泵的周围有多个零部件，其结构设计必须服从发动机的整体布置要求，以致水泵进出水的流道走向、蜗室的形状与断面、水泵进出口布局、叶轮进口结构及基本尺寸确定等往往难以满足正常的水力设计要求，从而直接影响了包括效率在内的运行性能的提高。发动机冷却水泵的入水室结构分为直筒型或者螺旋形，出水室结构为螺旋形且与发动机铸造为一体。叶轮的结构几何参数对水泵运行性能具有决定性的影响，发动机冷却水泵一般采用无前盖板的半开式叶轮结构。

性能曲线用于表达泵在不同工况下对水流能量的转换特性，是泵内部流动规律的外在表现。与普通离心泵一样，发动机冷却水泵的定速特性曲线为一定转速下流量与扬程、流量与效率以及流量与功率的关系曲线。它可以直观描述发动机冷却水泵在恒定转速下的运行性能。但由于发动机冷却水泵工作时转速是不断变化的，为此还必须给出水泵的变速特性曲线。发动机冷却水泵的变速特性曲线主要测绘出不同转速所对应的流量、扬程和功率曲线，体现了不同转速下的能量转换特性。为了更直观反映发动机冷却水泵的综合性能，有时需把2种性能曲线绘制在同一幅图上表示其各性能参数。

由于发动机冷却水泵具有工作水温高( 75～85℃) 、转速变化范围大( 2000～5000r/min) 、结构尺寸受总体限制等特殊性，其与普通水泵相比，水泵进出水流道的复杂设计使得进出口液流流向及断面形状急剧变化，增大了水力损失，降低了效率。同时，在高温、高转速和大流量工况下发动机冷却水泵更容易发生汽蚀现象，同时半开式叶轮顶部间隙的串流引起主流的挤缩和叶轮流道中流速的增大，使叶轮汽蚀特性更加恶化，严重影响冷却系统的正常工作，大大缩短冷却水泵的使用寿命。特殊的工作环境及匹配状况决定了发动机冷却水泵的设计有异于普通离心泵。

综上所述，典型发动机冷却水泵是单级离心泵在汽车上的一种特殊运用，其型式简单，结构复杂。由于发动机冷却水泵的空间尺寸受到严重限制，以及运行环境的恶劣，导致其效率低下并产生严重的汽蚀破坏。因此，深入研究效率与发动机冷却水泵结构参数之间的影响关系，探讨制约发动机冷却水泵发展的关键因素至关重要 。

随着发动机匹配要求的提高，以及应用领域的不断拓展，特殊工况的出现频率越来越高，从而对冷却水泵技术的要求也不断提高。如何在空间限制、高温和变转速工况下不断提高发动机冷却水泵效率、扩大其工况范围及保证其可靠性是亟待研究和解决的关键问题。

1) 发动机冷却水泵的内部流动机理研究。发动机冷却水泵结构特点独特且特有的内部流道型式和叶轮的旋转运动，使泵体内部流场异常复杂。有关发动机冷却水泵内部流场的形成机制、数学描述方法、流场与结构的相互作用关系尚不十分清楚。作为对数值计算方法的验证和补充，PIV 测量探索发动机冷却水泵内部真实流动规律、建立发动机冷却水泵现代设计方法是今后研究的一个重要方向。

2) 发动机冷却水泵的汽蚀机理研究。由于工作水温高，其复杂的热力学性质对汽蚀性能产生了重要影响，产生机理很难掌握；同时，结构尺寸总体受限和运行工况变化大，汽蚀初生、发展、溃灭及破坏过程充满不确定因素，尤其在非设计工况下的汽蚀状况难以预测、求解。因此，掌握发动机冷却水泵热力学效应下的汽蚀机理，探讨汽蚀诱导压力脉动的危害，进一步提高发动机冷却水泵的性能和可靠性，是需开展更加深入而系统研究的重要内容。

3) 标准化、智能可控电动水泵研究。随着设计方法的完善，轴承系统、水封系统和叶轮系统的模块化、标准化开发，将会大大缩短设计周期，降低生产成本，提高零部件的通用性。同时，实现对发动机冷却水泵实时控制，通过变频调速来适应工况变化，由电动水泵代替传统机械水泵必将是发动机冷却水泵的发展趋势 。