顺应时代发展的发动机冷却水泵研发

宋健云

摘要：一个国家汽车工业的发展是衡量工业发展水平的重要指标，而发动机可以比作是车辆的心脏，发动机质量的好坏直接决定了整车性能的优劣。发动机冷却水泵，也是发动机冷却系统的核心部件。发动机冷却水泵的作用是保证发动机始终工作在最佳温度状态。确保在发动机刚刚点火启动时，能快速使发动机升温，达到最适合的工作温度，帮助机油达到合适的粘度，各运动机件的间隙达到最佳状态，同时在车辆低转速或大扭矩工作时（如重载或爬坡时）产生的高温有足够的冷却量输出快速冷却，确保发动机温度不会持续升高，保障发动机正常工作。现代发动机冷却水泵设计，在原有保证可靠性的前提下，随着发动机轻量化、小型化、冷却量控制精确化的发展趋势，要求发动机冷却水泵设计结构更为紧凑、轴承承载能力更强、水封组件能适应更复杂的使用工况。同时为了适应现代生产模式的需求，要求零件通用化、结构简单化。再者为了适应与发动机厂的同步开发和客户个性化定制需求，CFD分析软件对现代发动机冷却水泵研发的帮助也越来越重要。本文主要阐述了现代发动机冷却水泵研发发展的主要方向和特点，以及为适应时代发展，发动机冷却水泵研发必须作相应提升和进步的方面，并举例说明了CFD软件在设计过程中发挥的重要作用。

关键词：顺应时代;发动机冷却水泵;研发

1  新时期发动机冷却水泵研发的发展方向

汽车发动机，是汽车的核心部件，发动机质量的可靠性对整车的可靠性起着至关重要的作用。而发动机冷却水泵，又是汽车发动机冷却系统的关键零部件。

1.1 发动机冷却水泵作用

发动机冷却水泵承担着发动机冷却液强制循环的重要任务，有效地保证发动机始终保持工作在（90±5）℃的最佳温度范围内。保障汽车安全地、稳定地运行。冷却液温度过低时燃油进入燃烧室时无法充分雾化，整车动力性和燃油经济差，并且冷却液温度低时各运动部件配合间隙过大，振动及其噪音都明显增大。而冷却液温度过高也会对汽车发动机产生非常不利的影响，比如冷却液温度过高时机油粘度会开始变稀，不能有效地附着在运动部件例如齿轮的表面进行有效地润滑，使机油的润滑强度下降，容易使运动齿轮产生持续高温，发生干磨或烧蚀现象，还有活塞、气门等高速运动部件在高温状态下更容易产生变形，造成运动不灵活，从而引发发动机动力输出不足。更严重的情况下，活塞由于高温产生变形涨大，加上粘度下降的机油会使发动机缸套表面的润滑油膜变薄甚至消失，摩擦系数变大最终导致拉缸、曲轴抱死等情况，产生十分严重的后果。

1.2 现代发动机冷却水泵研发新的要求

1.2.1 合理才是最好，避免过度设计

任何产品的研发设计，合理的技术要求才是关键，发动机冷却水泵也是如此。适应现在时代发展的发动机冷却水泵设计，总成结构不是越复杂、技术要求越高越好。众所周知，结构越复杂和精度要求越高的产品设计，需要在生产制造过程中，需要更高精度的加工设备和更复杂的加工工艺去保证。相应的研发和制造成本会增加，而且在后期客户使用过程中，零件出现失效风险点的机率也就越大。成熟合理的发动机冷却水泵设计，应该是结构最简单、性能最可靠，制造成本最低的设计。尽可能避免高精度、严要求的过度设计。这样才能适应当今社会提倡节能、环保低碳的时代需求。同时在选取零件材料、加工方法和表面处理要求时，要尽可能响应环保要求，尽可能摒弃污染严重、高耗能、有害公众健康的材料和工艺手段。

1.2.2 总成轻量化和小型化的要求

发动机轻量化和小型化是发展过程中的必然趋势。传统的发动机设计首先是考虑其工作可靠性和使用寿命，往往取的安全系数都很大，如此以来，可能造成体积或重量上的庞大，搭载到整车以后，会造成车辆油耗增加。现代的发动机设计必须在保证可靠性和使用寿命的前提下，要求体积更小重量更轻。而且由于发动机冷却水泵所驱动的负载越来越多，例如发电机、冷却风扇、硅油离合器、空调等负载，对水泵的寿命和承载能力要求进一步提高。这诸多要求对发动机冷却水泵的设计都提出了更高更大的挑战。

1.2.3 更精确的冷却量控制要求

传统的机械式发动机冷却水泵由于没有ECU控制单元，只依靠曲轴通过皮带进行纯機械传动控制，所以是在发动机开始点火的那一刻起就开始工作的，发动机冷却水泵的冷却量输出也是固定的。

发动机刚刚启动的时刻由于需要冷却液迅速升温以达到最佳的工作温度，往往对水泵的冷却量输出要求很低，水泵前端的风扇也是不需要开始工作的。这时如果发动机冷却水泵和前端风扇一直持续地工作，一来造成发动机升温较慢，无法快速进入最佳的工作状态，再者也造成了不必要的能量消耗。另一个方面，车辆在爬坡、重载等情况下，由于长期低转速、大扭矩输出，各运动部件的发热量进一步增加，此时则需要发动机冷却水泵输出比发动机正常工作时更大的冷却量。

但是由于传统机械冷却水泵的转速是恒定的，叶轮设计也是无法实现流量调节，所以无法满足此时更大的冷却量要求，造成发动机冷却效果不足，严重时出现发动机拉缸或曲轴抱死等严重后果。

基于发动机工作时客观存在的不同阶段的冷却量输出要求，所以传统的机械式水泵已经无法满足需求，加上当今社会对节能环保、低碳排放的要求，冷却水泵需要更精确的冷却量输出控制，电动控制的水泵和变排量水泵将是今后发展的重要趋势。

电动水泵通过车载电脑控制。由发动机的实时温度和使用工况决定是否启动水泵。或控制前端风扇是否跟转，或控制水泵叶轮叶翅的工作高度。保证发动机工作温度正常的同时又不会增加多余的燃油消耗，达到节能降耗的目的。

1.2.4 现代化辅助设计工具的应用

现代化的发动机冷却水泵设计，要合理运用辅助设计工具，例如CFturbo叶轮蜗壳设计工具和Pumplinx流体仿真工具等。

CFturbo工具主要用于发动机冷却水泵的叶轮和蜗壳流道设计，在输入转速、流量、扬程等参数要求后，该工具能进行针对性的匹配设计。在设计完成概念模型后，CFturbo会根据已有经验函数值进行性能预测，为设计人员提供设计参考。

Pumplinx工具主要用于对发动机冷却水泵初步设计方案进行性能仿真预测。

预测包括流量、扬程、效率等基本性能参数，同时还可以分析泵腔压力分布情况和预测汽蚀余量。

这些辅助设计工具的运用，与传统经验设计相比，最大的好处是使设计过程科学化、精确化，加上快速成型技术的应用，产品研发的周期缩短，研发成功率大为提升，同时这些工具的应用可以辅助分析现有产品设计存在的问题，快速掌握调整改进方向，从而实现快速、准确的设计方案优化。

2  辅助设计工具应用举例

前文中提到，PumpLinx工具可对发动机冷却水泵的研发提供重要的理论支撑，下面举例说明。

某冷却水泵的性能模拟分析：

2.1 水泵流体域网格模型及边界条件设置

PumpLinx此处使用Centrifugal通用计算模型，此次分析中，采用MRF（Multiple Reference Frame）模型方法对叶轮工作区域进行稳态模拟计算，流体参数和边界条件的设置如表1所示。

2.2 水泵性能预测

如图1所示，在设计工况（转速为2700r/min，流量为120L/min）下，经数值模拟分析得到，水泵扬程为10.48m，满足设计要求（设计扬程为≥9.5m），水泵轴功率为0.63kW，水泵效率为31.7%。

综上所述，适应新时代发展的发动机冷却水泵的研发，必须深入研究传统水泵结构设计的优缺点，在借鉴原有成熟设计经验的基础上，尽可能规避陈旧设计的技术缺陷，充分考虑产品的使用工况和用戶使用过程中的实际需求。同时不能单凭经验设计，要科学合理地利用先进的辅助设计手段作为理论支撑，保证高效、科学的进行汽车发动机冷却水泵研发。

参考文献：

[1]机械设计手册编委会主编.机械设计手册[M].三版.北京： 机械工业出版社，2004年08月（2007年1月重印）.

[2]关醒凡主编.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995年9月.

[3][日]泵技术者联盟水泵手册编辑委员会主编.水泵手册[M].严登丰，译.北京：水利电力出版社，1983.

[4]汽车工程手册编辑委员会主编.汽车工程手册[M].北京： 人民交通出版社，2001.