順應時代發展的發動機冷卻水泵研發

宋健云

摘要：一個國家汽車工業的發展是衡量工業發展水平的重要指標，而發動機可以比作是車輛的心臟，發動機質量的好壞直接決定了整車性能的優劣。發動機冷卻水泵，也是發動機冷卻系統的核心部件。發動機冷卻水泵的作用是保證發動機始終工作在最佳溫度狀態。確保在發動機剛剛點火啟動時，能快速使發動機升溫，達到最適合的工作溫度，幫助機油達到合適的粘度，各運動機件的間隙達到最佳狀態，同時在車輛低轉速或大扭矩工作時（如重載或爬坡時）產生的高溫有足夠的冷卻量輸出快速冷卻，確保發動機溫度不會持續升高，保障發動機正常工作。現代發動機冷卻水泵設計，在原有保證可靠性的前提下，隨著發動機輕量化、小型化、冷卻量控制精確化的發展趨勢，要求發動機冷卻水泵設計結構更為緊湊、軸承承載能力更強、水封組件能適應更復雜的使用工況。同時為了適應現代生產模式的需求，要求零件通用化、結構簡單化。再者為了適應與發動機廠的同步開發和客戶個性化定制需求，CFD分析軟件對現代發動機冷卻水泵研發的幫助也越來越重要。本文主要闡述了現代發動機冷卻水泵研發發展的主要方向和特點，以及為適應時代發展，發動機冷卻水泵研發必須作相應提升和進步的方面，并舉例說明了CFD軟件在設計過程中發揮的重要作用。

關鍵詞：順應時代;發動機冷卻水泵;研發

1? 新時期發動機冷卻水泵研發的發展方向

汽車發動機，是汽車的核心部件，發動機質量的可靠性對整車的可靠性起著至關重要的作用。而發動機冷卻水泵，又是汽車發動機冷卻系統的關鍵零部件。

1.1 發動機冷卻水泵作用

發動機冷卻水泵承擔著發動機冷卻液強制循環的重要任務，有效地保證發動機始終保持工作在（90±5）℃的最佳溫度范圍內。保障汽車安全地、穩定地運行。冷卻液溫度過低時燃油進入燃燒室時無法充分霧化，整車動力性和燃油經濟差，并且冷卻液溫度低時各運動部件配合間隙過大，振動及其噪音都明顯增大。而冷卻液溫度過高也會對汽車發動機產生非常不利的影響，比如冷卻液溫度過高時機油粘度會開始變稀，不能有效地附著在運動部件例如齒輪的表面進行有效地潤滑，使機油的潤滑強度下降，容易使運動齒輪產生持續高溫，發生干磨或燒蝕現象，還有活塞、氣門等高速運動部件在高溫狀態下更容易產生變形，造成運動不靈活，從而引發發動機動力輸出不足。更嚴重的情況下，活塞由于高溫產生變形漲大，加上粘度下降的機油會使發動機缸套表面的潤滑油膜變薄甚至消失，摩擦系數變大最終導致拉缸、曲軸抱死等情況，產生十分嚴重的后果。

1.2 現代發動機冷卻水泵研發新的要求

1.2.1 合理才是最好，避免過度設計

任何產品的研發設計，合理的技術要求才是關鍵，發動機冷卻水泵也是如此。適應現在時代發展的發動機冷卻水泵設計，總成結構不是越復雜、技術要求越高越好。眾所周知，結構越復雜和精度要求越高的產品設計，需要在生產制造過程中，需要更高精度的加工設備和更復雜的加工工藝去保證。相應的研發和制造成本會增加，而且在后期客戶使用過程中，零件出現失效風險點的機率也就越大。成熟合理的發動機冷卻水泵設計，應該是結構最簡單、性能最可靠，制造成本最低的設計。盡可能避免高精度、嚴要求的過度設計。這樣才能適應當今社會提倡節能、環保低碳的時代需求。同時在選取零件材料、加工方法和表面處理要求時，要盡可能響應環保要求，盡可能摒棄污染嚴重、高耗能、有害公眾健康的材料和工藝手段。

1.2.2 總成輕量化和小型化的要求

發動機輕量化和小型化是發展過程中的必然趨勢。傳統的發動機設計首先是考慮其工作可靠性和使用壽命，往往取的安全系數都很大，如此以來，可能造成體積或重量上的龐大，搭載到整車以后，會造成車輛油耗增加。現代的發動機設計必須在保證可靠性和使用壽命的前提下，要求體積更小重量更輕。而且由于發動機冷卻水泵所驅動的負載越來越多，例如發電機、冷卻風扇、硅油離合器、空調等負載，對水泵的壽命和承載能力要求進一步提高。這諸多要求對發動機冷卻水泵的設計都提出了更高更大的挑戰。

1.2.3 更精確的冷卻量控制要求

傳統的機械式發動機冷卻水泵由于沒有ECU控制單元，只依靠曲軸通過皮帶進行純機械傳動控制，所以是在發動機開始點火的那一刻起就開始工作的，發動機冷卻水泵的冷卻量輸出也是固定的。

發動機剛剛啟動的時刻由于需要冷卻液迅速升溫以達到最佳的工作溫度，往往對水泵的冷卻量輸出要求很低，水泵前端的風扇也是不需要開始工作的。這時如果發動機冷卻水泵和前端風扇一直持續地工作，一來造成發動機升溫較慢，無法快速進入最佳的工作狀態，再者也造成了不必要的能量消耗。另一個方面，車輛在爬坡、重載等情況下，由于長期低轉速、大扭矩輸出，各運動部件的發熱量進一步增加，此時則需要發動機冷卻水泵輸出比發動機正常工作時更大的冷卻量。

但是由于傳統機械冷卻水泵的轉速是恒定的，葉輪設計也是無法實現流量調節，所以無法滿足此時更大的冷卻量要求，造成發動機冷卻效果不足，嚴重時出現發動機拉缸或曲軸抱死等嚴重后果。

基于發動機工作時客觀存在的不同階段的冷卻量輸出要求，所以傳統的機械式水泵已經無法滿足需求，加上當今社會對節能環保、低碳排放的要求，冷卻水泵需要更精確的冷卻量輸出控制，電動控制的水泵和變排量水泵將是今后發展的重要趨勢。

電動水泵通過車載電腦控制。由發動機的實時溫度和使用工況決定是否啟動水泵。或控制前端風扇是否跟轉，或控制水泵葉輪葉翅的工作高度。保證發動機工作溫度正常的同時又不會增加多余的燃油消耗，達到節能降耗的目的。

1.2.4 現代化輔助設計工具的應用

現代化的發動機冷卻水泵設計，要合理運用輔助設計工具，例如CFturbo葉輪蝸殼設計工具和Pumplinx流體仿真工具等。

CFturbo工具主要用于發動機冷卻水泵的葉輪和蝸殼流道設計，在輸入轉速、流量、揚程等參數要求后，該工具能進行針對性的匹配設計。在設計完成概念模型后，CFturbo會根據已有經驗函數值進行性能預測，為設計人員提供設計參考。

Pumplinx工具主要用于對發動機冷卻水泵初步設計方案進行性能仿真預測。

預測包括流量、揚程、效率等基本性能參數，同時還可以分析泵腔壓力分布情況和預測汽蝕余量。

這些輔助設計工具的運用，與傳統經驗設計相比，最大的好處是使設計過程科學化、精確化，加上快速成型技術的應用，產品研發的周期縮短，研發成功率大為提升，同時這些工具的應用可以輔助分析現有產品設計存在的問題，快速掌握調整改進方向，從而實現快速、準確的設計方案優化。

2? 輔助設計工具應用舉例

前文中提到，PumpLinx工具可對發動機冷卻水泵的研發提供重要的理論支撐，下面舉例說明。

某冷卻水泵的性能模擬分析：

2.1 水泵流體域網格模型及邊界條件設置

PumpLinx此處使用Centrifugal通用計算模型，此次分析中，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型方法對葉輪工作區域進行穩態模擬計算，流體參數和邊界條件的設置如表1所示。

2.2 水泵性能預測

如圖1所示，在設計工況（轉速為2700r/min，流量為120L/min）下，經數值模擬分析得到，水泵揚程為10.48m，滿足設計要求（設計揚程為≥9.5m），水泵軸功率為0.63kW，水泵效率為31.7%。

綜上所述，適應新時代發展的發動機冷卻水泵的研發，必須深入研究傳統水泵結構設計的優缺點，在借鑒原有成熟設計經驗的基礎上，盡可能規避陳舊設計的技術缺陷，充分考慮產品的使用工況和用戶使用過程中的實際需求。同時不能單憑經驗設計，要科學合理地利用先進的輔助設計手段作為理論支撐，保證高效、科學的進行汽車發動機冷卻水泵研發。

參考文獻：

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