浅谈制约发动机冷却水泵可靠性的关键因素及研究进展

浅谈制约发动机冷却水泵可靠性的关键因素及研究进展

丁伟

江淮汽车集团股份有限公司发动机分公司安徽合肥230000

摘要：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。目前，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。

关键词：汽车发动机；冷却水泵；研究进展；

汽车冷却系统在维持发动机正常工作方面起着重要的作用。现代汽车的冷却系统绝大部分采用水作为冷却介质,通过水的循环运动和散热器的对流换热作用带走发动机工作中的热量,散热状况的好坏直接影响水温的高低,从而对发动机的工作有重要的影响。

一、工作原理

由水温传感器感测得发动机水温,经信号放大后,通过A/D转换把信号送给单片机处理,单片机根据预定的程序运算后发出指令,再通过信号放大送给开关控制机构,最后打开风扇或者水泵;风扇、水泵工作一段时间后,水温下降,水温传感器又把测得温度信号传给单片机,如果此时的温度已低于程序设定值,则发出指令关闭风扇或者水泵,从而保证发动机水温的相对稳定,使其始终工作在一个适宜的温度范围内,提高了发动机的工作可靠性。当发动机预热时,此时发动机水温低于80℃,微控制器根据检测的温度,经数据处理分析后向执行元件发出控制信号,使得冷却风扇和电控水泵都不工作,由于水泵、冷却风扇不工作,发动机缸套、排气门周围的冷却水温上升很快,当水温升至80℃时,微控制器根据发动机水温经数据处理分析后,发出指令,控制电控冷却风扇不工作而电控水泵开始工作。此时,水泵运转迅速把发动机缸套和排气门等处的热量带走,再充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用,使发动机产生的热量以较快的速度散失到空气中。如果发动机的负荷在此时没有大的变化,那么水温就基本稳定在85～90℃之间。相反,如果发动机在较大的负荷下工作,冷却水温会继续升高,达到95℃时,微控制器经数据分析后发出控制指令打开电控冷却风扇。这时候冷却系统的冷却能力最大,可以实现快速降温。当发动机水温降至89℃时,微控制器根据采样数据分析处理发出控制指令,使电控冷却风扇停止工作而电控水泵继续工作。这样,当发动机水温返升至95℃电控冷却风扇又重新打开,直到发动机脱离大负荷的工况为止。由于在微控制器的协调下,电控冷却风扇、电控冷却水泵有机配合,大大提高了冷却系统的冷却效率,缩短了冷却风扇的工作时间(风扇只在发动机水温89～95℃时工作,在此温度阶段,冷却风扇散热作用最佳),从而减少了驱动风扇的能耗,仅次一项可减少燃油消耗10%以上。

二、制约发展的关键因素

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。

三、研究进展

1.发动机冷却水泵的能量性能研究。目前，发动机冷却水泵的效率比普通离心泵低10%～20%，而国内发动机冷却水泵的效率与国外相比也存在明显差距，效率低7%～15%。为了提高发动机冷却水泵的效率，许多学者在性能预测和内部流动等方面开展了大量研究工作，并在此基础上对发动机冷却水泵的水力性能进行了优化设计与结构改进。性能预测是能量特性研究的重要组成部分，CFD数值模拟方法可预测扬程及效率，大大减轻了设计人员的工作量，显著提高了设计效率和准确程度。应用数值模拟方法预测了发动机冷却水泵的性能，预测值比实验值稍高但总体趋势一致，求出各个部件的水力损失，对损失系数进行回归分析，得到了各个部件的水力损失和泵中结构参数之间的关系(损失系数与雷诺数、比转数之间的数学关系)，建立了各部件水力损失模型和性能预测模型。同时，试验研究虽然成本高、周期长，但仍然是最可靠的研究方法。另外发现，当水温和转速超过一定值时，泵的效率会下降．为了保证性能预测的精度，基于数值计算的流场分析是探索内部流动规律，优化水泵结构，提高效率的最常用方法。对发动机冷却水泵内部流动进行了全三维定常数值模拟并进行了以下假设:①介质为黏性、不可压缩流体;②流体流动为绝热、无损耗，研究发现，叶轮进口易形成低压区，离蜗壳最近的叶片底部压力最低;③叶轮与蜗壳交界处存在高压区，叶轮内随着圆周直径的增大，圆周速度增大，且具有周期性;④隔舌附近的通道内形成明显的涡流区，隔舌附近有回流产生，在回流进入蜗壳后使得流速降低，压力增大．此外，在设计点下，隔舌附近通道内的涡流区域涡流较小，而远离设计点，涡流越大。发动机冷却水泵的内部流动研究对提高效率、改进和优化结构意义重大，但是这些研究方法还不完善，针对发动机冷却水泵高温以及变转速的特殊性，数值模拟的精度有待进一步提高．高速摄影以及PIV测试等作为研究泵内部流动的有效试验方法，在普通离心泵中得到广泛应用，但是在体积小、结构特殊的发动机冷却水泵内部流动研究中至今还未见相关文献。为了进一步优化提高发动机冷却水泵的水力性能，利用正交分析法对汽车水泵叶轮进行优化设计，改善了叶轮的水力性能。发动机冷却水泵能量特性研究的目的除了满足系统特殊工况下的供水要求，还要提高水泵的效率并对能量性能进行有效预测．虽然数值模拟法可以有效预测发动机冷却水泵的性能并对常温下的内部流场进行数值分析，但是，发动机冷却水泵恶劣的运行环境以及具有体积小、流量大、进水室包括环形弯管等特殊结构，使得发动机冷却水泵内部流动比一般离心泵中的流动更为复杂，造成其效率低下的本质原因需要进一步探索。

2.发动机冷却水泵的汽蚀性能研究。发动机冷却水泵在高温、变转速工况下运行更易发生汽蚀现象。对发动机冷却水泵的汽蚀性能及提高汽蚀性能的方法进行了研究和探讨，从理论上分析了内燃机冷却水泵在高温、高转速和大流量工况时容易产生汽蚀的原因，探讨了叶轮结构参数对汽蚀性能的影响及提高汽蚀性能的叶轮设计方法．研究发现，增大叶轮进口直径D1、增大叶轮进口面积、增大叶片出口宽度b1、减小液流绝对速度的径向速度、减小轮毂直径、增大叶片间流道面积等，可有效提高叶轮抗汽蚀性能。运用HHT模糊小波神经网络研究了发动机冷却水泵里汽蚀发生初始时期的情况，通过HHT模糊小波神经网络从入口压力波动中提取出汽蚀初期的主要特征．最后的试验结果表明，在假设最少以及对建模技能要求最低的前提下，该识别模型可以快速和可靠地提供早期空化鉴定。通过CFD计算对发动机冷却水泵的汽蚀性能做了预测，并针对汽蚀优化对原模型进行了改进:减小叶轮进口安放角、增大包角，同时修改叶片，将原始方案叶轮叶片的前流线缩短，延长后流线，对进口处的轮毂增加一定的斜度;其次是减少叶片数、减少进口排挤系数、增加叶片进口过流面积、减小进口速度．试验结果表明通过修改叶片、减小进口安放角、增大包角可以有效提高发动机冷却水泵的抗汽蚀性能，相比原方案，临界汽蚀点降低约1.1m;而通过减少叶片数改善汽蚀性能时，扬程有所降低，但改善泵的空化性能更优，相比原方案，临界汽蚀点降低约1.4m，汽蚀性能得到明显改善。发动机冷却水泵发生汽蚀后产生大量气泡，随后气泡流动、溃灭，增加了泵内部压力脉动;同时，压力脉动不仅会产生噪声，还会在叶片上引起交变载荷，诱使泵发生“汽蚀”现象［6］．为了保证发动机冷却水泵稳定可靠运行，应避免汽蚀和汽蚀诱导的压力脉动。研究发现，压水室不对称导致流道内液体的压力分布不对称;同时，介质压力最低、气泡体积分数最大的区域均在叶片背面进口处，表明此区域易发生汽蚀现象，在无汽蚀、临界汽蚀和严重汽蚀3种状态下，隔舌附近的压力脉动可以看出:叶频依然是压力脉动的主要频率成分，压力脉动主要脉动源是叶轮与隔舌处的动静耦合;压力脉动幅值对汽蚀的变化较敏感，随着汽蚀程度的增强，压力脉动幅值明显增大。对某汽车冷却水泵的研究发现，在非汽蚀状态下，隔舌是产生压力脉动的主要脉动源，且随着流量的增大，压力脉动幅值逐渐减小;随着汽蚀的产生，蜗壳内脉动值明显增大，并出现低频成分脉动，同时离散脉动的强度增大，宽频脉动强度也增大，说明压力脉动强度随着汽蚀程度增强而增强。综上所述，对发动机冷却水泵汽蚀现象的研究大部分还不够深入，专门针对发动机冷却水泵内部汽蚀流态发生、发展机理的研究非常有限，且很少有对发动机冷却水泵内部汽蚀流态的试验研究．因此，发动机冷却水泵高温工作条件下空化空泡的动力学特性、汽蚀的产生机理尚未被完全掌握。

3.发动机冷却水泵的可靠性研究。发动机冷却水泵作为冷却系统的“心脏”，对可靠性的要求极高，为此，国内学者针对发动机冷却水泵结构可靠性方面的泄漏和振动噪声等主要故障开展了大量的研究。漏水是发动机冷却水泵的头号故障，超过90%的水泵更换是由于泄漏造成的。密封不良会使冷却液渗入到轴承，冲刷掉轴承润滑，使轴承损坏。汽车冷却水泵在高温、高速工况下，叶轮后盖板与机械密封之间出现了压力缺失，导致橡胶件处水封流动不充分，出现干烧现象而损伤。外部泄漏也会导致水泵故障:发动机密封或垫片老化，加热器芯部泄漏，油冷却器泄漏．因此，密封失效直接导致发动机冷却水泵的“漏水”现象，影响着发动机的可靠性以及性能．常见的提高发动机冷却水泵密封性能的措施包括:在满足启动力矩的情况下，轴连轴承唇口过盈量取大一点，选用合适的轴承润滑脂，限制水泵水封在最高转速下运行，以及改进水封结构及材料。发动机冷却水泵运行时产生的噪声振动直接影响发动机经济性能，当水泵转速达到临界转速时，产生共振，会对水泵产生较大的破坏。对发动机冷却水泵的叶轮同时考虑离心力、表面压力和过盈装配应力3种载荷下的强度进行了分析，研究表明，装配应力是发动机冷却水泵叶轮的主要应力，建议叶轮装配温度要高于叶轮工作时的极限温度，同时对发动机冷却水泵转子的临界转速和不平衡响应做了相关研究。建立了半消声室测试系统，并对发动机冷却水泵在不同转速、不同介质温度下的噪声总声压、声压谱及声功率进行了测试与分析结构不合理，装配不得当，轴承芯轴GCr15钢中存在严重的非金属杂物造成过早的扭转疲劳断裂．轴承系统作为发动机冷却水泵重要的组件，部分学者从轴承的装配设计和工艺、轴承密封圈的接触应力、轴承的设计测量优化和不平衡量对轴承的影响都做了详细的研究，通过优化热处理工艺和产品结构防止水泵轴承断裂，用轴承注胶来防止发动机冷却水泵在较大波动的轴向载荷作用下轴承轴向蹿动甚至脱出，检查芯轴淬火后组织不存在过热和磨削裂纹防止GCr15钢制发动机冷却水泵芯轴断裂等措施。通过对发动机冷却水泵叶轮强度、临界转速、轴承寿命以及水泵总成振动的分析研究，发现水泵的可靠性问题主要集中在轴承损坏、水封失效、振动噪声和叶轮或水腔内腐蚀，其中，轴承损坏和水封失效占80%左右。因此，优化发动机冷却水泵结构、合理选用零部件材料和提高零部件的制造工艺及精度是保障水泵可靠性的有效措施。

随着我国汽车制造技术的不断发展以及汽车的迅速普及，使得人们对于整个汽车的发动机有着越来越高的要求，而作为汽车发动机核心的冷却水泵系统，也需要相关研究人员进行不断的研究与探索。本文就发动机冷却水泵的结构型式与能量特性进行分析，并提出了制约整个冷却水泵发展的可靠性与汽蚀破坏这两个问题，在此基础上对整个发动机冷却水泵的研究趋势进行了展望，希望能够给我国的汽车发动机冷却水泵的研究提供一些帮助。

参考文献：

[1]张铁柱,张洪信.水冷柴油机最佳冷却液工作温度的试验研究[J].内燃机学报,2016,(4).

[2]苏忆.汽车发动机冷却系统智能控制技术研究[D].南京理工大学,2016.

[3]田少民.发动机冷却系统的维护[J];工程机械,2018,(8).