汽车发动机水冷系统到底是怎么回事

Question

如题所述

Answer 1

冷却系统对汽车发动机性能具有重要的影响，发动机冷却水泵已成为国内外的研究热点． 分析了离心式发动机冷却水泵的结构特点与能量特性，总结了制约汽车发动机冷却水泵发展的 关键影响因素． 由于发动机冷却水泵的空间结构受限、工作环境温度高、转速变化大，工作过程 极易发生汽蚀破坏，严重影响发动机冷却水泵及冷却系统的可靠及稳定运行，易出现轴承损坏、水封失效、振动噪声等问题． 从发动机冷却水泵水力性能、汽蚀性能以及可靠性等3 个方面综述 了近年来国内外研究取得的相关成果，对发动机冷却水泵技术研究的发展和趋势进行了展望， 提出未来需要进一步深入研究的内容和方向

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． 文中总结发动机冷却水泵的 结构特点，分别从能量性能、汽蚀性能以及可靠性 等3 个方面综述分析国内外研究现状和进展，指出 发动机冷却水泵研究中的不足和还需要进一步深 入研究的领域，为相关人员开展发动机冷却水泵的 研究提供技术参考．

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结构如图1 所示，主要由泵体、 叶轮、轴承、水封和带轮等组成．

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，如图 3a 所示． 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．

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．

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为了进一步优化提高发动机冷却水泵的水力 性能，OSMAN 等运用遗传算法对提高水泵设计 效率做了研究，他们首次将遗传算法应用于发动机 冷却水泵多参数设计的问题． 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． 由于发动机冷却水泵广泛采用半开 式、后弯叶轮，刘对前弯与后弯叶轮进行 了数值模拟，发现后弯叶片内的低速回流区域少于 前弯叶片，后弯叶片的损失小．研究发现 半开式与闭式叶轮相比，闭式叶轮具有圆盘摩擦损 失且随着比转速的减小而急剧增大，同时半开式叶 轮控制好与泵壳之间的侧向间隙

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．对3 个典型的发动机冷却水泵模 型进行了数值计算，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