發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)汽蝕問題分析

胡 攀 陳東亞 李連豹 韋 虹 李 軍 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)有限公司）

引言

在發(fā)動機(jī)工作過程中，冷卻系統(tǒng)的作用是帶走發(fā)動機(jī)本體熱量，避免發(fā)動機(jī)本體溫度過高而損壞零部件，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)不能正常工作。然而，在一定條件下，冷卻系統(tǒng)會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，不僅對過流部件產(chǎn)生破壞，還會導(dǎo)致水泵性能下降，產(chǎn)生噪聲和振動，使發(fā)動機(jī)不能有效散熱，導(dǎo)致事故發(fā)生。所以，冷卻系統(tǒng)的汽蝕問題必須予以重視。本文對冷卻系統(tǒng)汽蝕問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行解析，提出了防止和減輕發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)汽蝕問題的技術(shù)措施，為提高汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)抗汽蝕能力提供了有效的設(shè)計(jì)思路和改進(jìn)手段。

1 冷卻系統(tǒng)汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生

1.1 汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的過程

發(fā)動機(jī)水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，若其過流部件的局部區(qū)域（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處）因?yàn)槟撤N原因，抽送液體的絕對壓力下降到當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便在該處開始汽化，產(chǎn)生蒸汽，形成氣泡。這些氣泡隨液體在冷卻系統(tǒng)內(nèi)流動，達(dá)到某處高壓點(diǎn)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體使氣泡急劇縮小直至破裂（凝結(jié)）。在氣泡凝結(jié)時(shí)，液體高速填充空穴，發(fā)生相互撞擊而形成水擊。這種現(xiàn)象發(fā)生在零部件表面會造成腐蝕破壞，這種破壞過程便是冷卻系統(tǒng)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象的過程[1]。

1.2 汽蝕現(xiàn)象的表現(xiàn)形式

冷卻系統(tǒng)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象主要表現(xiàn)在3個方面[2]：

1）產(chǎn)生噪聲和振動。在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)發(fā)生汽蝕時(shí)，氣泡在高壓區(qū)連續(xù)擠壓破裂，產(chǎn)生噪聲和振動。

2）過流部件的腐蝕破壞。冷卻系統(tǒng)長期在汽蝕狀況下運(yùn)行，由于氣泡連續(xù)不斷地在金屬表面凝結(jié)，產(chǎn)生高頻沖擊，使金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)甚至擊穿。特別是發(fā)動機(jī)水泵，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致葉片斷裂。圖1為一臺發(fā)動機(jī)水泵汽蝕狀態(tài)圖，從圖1可以看出，葉片背面出現(xiàn)大面積麻點(diǎn)，并且殼體被擊穿，水泵葉片斷裂。

圖1 發(fā)動機(jī)水泵汽蝕狀態(tài)圖

3）水泵性能下降。在水泵發(fā)生汽蝕過程中，葉輪和液體之間的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上表現(xiàn)為水泵的性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致水泵中液體斷流，水泵無法工作。

2 汽蝕現(xiàn)象的原因分析

通常用汽蝕余量來判斷水泵是否發(fā)生汽蝕。水泵進(jìn)口處單位質(zhì)量液體所具有的超過汽化壓力的剩余能量，稱為有效汽蝕余量。有效汽蝕余量取決于水泵吸入側(cè)管路（水泵的進(jìn)水管路）中的絕對壓力、能量損失和冷卻水溫度，而與水泵本身無關(guān)。有效汽蝕余量的數(shù)值越大，越不容易產(chǎn)生汽蝕。在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中，水泵吸入側(cè)管路中的絕對壓力及能量損失與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)，包括零部件選配（水泵、水箱等的選配）及冷卻系統(tǒng)的布置，最終體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的壓力分布和流量分布上。決定水泵有效汽蝕余量的最主要因素是水泵進(jìn)口處的絕對壓力，所以在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中，影響有效汽蝕余量大小的因素有冷卻水溫度、冷卻系統(tǒng)壓力分布等。

單位質(zhì)量液體從水泵進(jìn)口處到水泵內(nèi)最低壓力點(diǎn)的壓力降，稱為必需汽蝕余量。它取決于水泵的結(jié)構(gòu)和性能，其數(shù)值越小，越不容易產(chǎn)生汽蝕。所以在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中，影響必需汽蝕余量大小的因素是水泵結(jié)構(gòu)。

在水泵吸入側(cè)管路系統(tǒng)確定后，有效汽蝕余量隨著流量的增大而降低。而在水泵的結(jié)構(gòu)固定時(shí)，必需汽蝕余量隨著流量的增大而增大。若想在水泵壓力最低點(diǎn)不發(fā)生汽蝕，必需使有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量。因此，引起冷卻系統(tǒng)汽蝕的主要參數(shù)是有效汽蝕余量和必需汽蝕余量，而影響有效汽蝕余量和必需汽蝕余量的主要因素有冷卻水溫度、冷卻系統(tǒng)壓力分布（水泵進(jìn)口壓力）、水泵結(jié)構(gòu)等[3]。

3 提高冷卻系統(tǒng)抗汽蝕能力的措施

如上所述，引起發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的主要因素有冷卻水溫度、冷卻系統(tǒng)壓力分布、水泵設(shè)計(jì)等。冷卻水溫度和冷卻系統(tǒng)壓力分布主要影響有效汽蝕余量，水泵設(shè)計(jì)主要影響必需汽蝕余量。所以，增加有效汽蝕余量、減少必需汽蝕余量是提高冷卻系統(tǒng)抗汽蝕能力的主要方向。

3.1 必需汽蝕余量的控制措施

3.1.1 水泵設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化

由于水泵的必需汽蝕余量只取決于水泵本身，若想減小必需汽蝕余量，必需在前期設(shè)計(jì)上對水泵汽蝕問題進(jìn)行規(guī)避。目前，除了憑借水泵的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對水泵汽蝕進(jìn)行規(guī)避外，還運(yùn)用基于STAR-CCM++軟件的仿真技術(shù)對水泵內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上做出改進(jìn)：

1）需對水泵的性能進(jìn)行仿真計(jì)算，確認(rèn)水泵流量、揚(yáng)程是否滿足設(shè)計(jì)要求；

2）不需對水泵汽蝕問題進(jìn)行仿真確認(rèn)。

圖2為一臺增壓發(fā)動機(jī)水泵改進(jìn)前的水泵汽蝕分析圖。

圖2 改進(jìn)前水泵汽蝕分析圖

從圖2可以看出，改進(jìn)前，水泵泵前流速過快，達(dá)到7m/s以上。流速過快導(dǎo)致泵前容易產(chǎn)生氣泡，造成汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)很大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是泵前存在“喉口”結(jié)構(gòu)，增大了泵前流速。

圖3為優(yōu)化后的泵前流道結(jié)構(gòu)圖，從圖3可以看出，優(yōu)化后的水泵，泵前流速降低，汽蝕風(fēng)險(xiǎn)隨之降低[4]。

圖3 改進(jìn)后水泵汽蝕分析圖

3.1.2 水泵汽蝕極限驗(yàn)證

在水泵處于樣件階段，除了驗(yàn)證水泵性能以外，還要對水泵汽蝕進(jìn)行驗(yàn)證。這時(shí)需引入臨界汽蝕余量（試驗(yàn)過程中水泵剛好開始汽蝕時(shí)的汽蝕余量）。臨界汽蝕余量的確定標(biāo)準(zhǔn)為：在揚(yáng)程與汽蝕余量的關(guān)系曲線上，揚(yáng)程下降2%的汽蝕余量即為臨界汽蝕余量。

水泵汽蝕試驗(yàn)是測定水泵在規(guī)定轉(zhuǎn)速、流量下的揚(yáng)程和汽蝕余量，繪制揚(yáng)程與汽蝕余量的關(guān)系曲線圖[5]，通過汽車?yán)鋮s水泵性能自動檢測系統(tǒng)自動輸出水泵汽蝕性能曲線。圖4為一臺水泵的汽蝕性能曲線，圖中的（NPSH）c為臨界汽蝕余量。從圖4可以看出，在同一發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，臨界汽蝕余量隨著流量的增加而增加。一般來說，（NPSH）c≤5m時(shí)，水泵具有良好的抗汽蝕能力。

圖4 水泵汽蝕性能曲線

3.2 有效汽蝕余量的控制措施

3.2.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中，有效汽蝕余量與冷卻水溫度以及冷卻系統(tǒng)壓力有關(guān)，在不同溫度下，冷卻水的汽化壓力不同。在一定轉(zhuǎn)速下，溫度不同，冷卻系統(tǒng)壓力也不同。隨著冷卻水溫度的升高，冷卻系統(tǒng)壓力升高。在一定的冷卻水溫度下，若想提高冷卻系統(tǒng)的抗汽蝕能力，必須提高冷卻系統(tǒng)壓力。經(jīng)過多次的模擬試驗(yàn)表明，提高冷卻系統(tǒng)壓力的主要手段有提高膨脹水壺高度和減小冷卻系統(tǒng)阻力[6]。

隨著仿真軟件的不斷發(fā)展，系統(tǒng)仿真模擬在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中得到了很好的運(yùn)用。在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可通過GT-COOL一維冷卻系統(tǒng)模擬技術(shù)計(jì)算冷卻系統(tǒng)的壓力和流量分布，直觀判斷各點(diǎn)壓力和各零部件壓力損失的合理性。通過減小冷卻系統(tǒng)阻力以及提高膨脹水壺高度等方式，提高冷卻系統(tǒng)壓力，從而提高冷卻系統(tǒng)的抗汽蝕能力。圖5為利用GT-COOL仿真計(jì)算出的一臺增壓發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)壓力分布情況圖。

圖5 冷卻系統(tǒng)壓力分布

從圖5可以看出，在發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)口壓力保持在0.12MPa以上。根據(jù)進(jìn)口壓力必須大于水泵單體試驗(yàn)的汽蝕極限值要求，此水泵屬于較好的水泵。

除了通過提高冷卻系統(tǒng)壓力來提高系統(tǒng)抗汽蝕能力外，還需通過設(shè)置除氣管來提高系統(tǒng)除氣能力，從而降低冷卻系統(tǒng)汽蝕風(fēng)險(xiǎn)。圖6所示的除氣管設(shè)置在水套或散熱器的最高點(diǎn)。

圖6 冷卻系統(tǒng)除氣管布置

圖7 冷卻系統(tǒng)汽蝕極限

3.2.2 冷卻系統(tǒng)汽蝕驗(yàn)證

在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)中，汽蝕試驗(yàn)是判斷冷卻系統(tǒng)是否存在汽蝕現(xiàn)象的重要手段。在汽蝕試驗(yàn)中引入冷卻系統(tǒng)汽蝕極限和汽蝕余量的概念。冷卻系統(tǒng)汽蝕極限是指在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度一定的情況下，冷卻水循環(huán)流量下降3%時(shí)所對應(yīng)的水泵進(jìn)口壓力。圖7為該增壓發(fā)動機(jī)在不同出水溫度下的汽蝕極限。

冷卻系統(tǒng)汽蝕余量是指冷卻系統(tǒng)壓力建立過程中，相同冷卻水溫度下，水泵進(jìn)口壓力與汽蝕極限的壓力差。圖8所示為該增壓發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)壓力建立過程中水泵進(jìn)口壓力與汽蝕極限值。從圖8可以計(jì)算出相應(yīng)溫度下的汽蝕余量。冷卻系統(tǒng)汽蝕余量是判斷冷卻系統(tǒng)抗汽蝕能力的重要指標(biāo)，汽蝕余 量越大，說明冷卻系統(tǒng)抗汽蝕能力越好。

圖8 冷卻系統(tǒng)汽蝕余量

4 結(jié)論

本文從有效汽蝕余量和必需汽蝕余量等2大要素著手提高冷卻系統(tǒng)的抗汽蝕能力，運(yùn)用的主要措施有：

1）減少必需汽蝕余量。主要是運(yùn)用STAR-CCM++軟件進(jìn)行水泵內(nèi)流場仿真分析，改正水泵汽蝕缺陷，結(jié)合水泵單體汽蝕試驗(yàn)驗(yàn)證水泵抗汽蝕能力。

2）增加有效汽蝕余量。主要是運(yùn)用GT-COOL軟件對冷卻系統(tǒng)壓力分布進(jìn)行仿真計(jì)算，通過提高冷卻系統(tǒng)壓力來提高冷卻系統(tǒng)的抗汽蝕能力。同時(shí)，在冷卻系統(tǒng)增加除氣點(diǎn)，降低冷卻系統(tǒng)發(fā)生汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，通過冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)的抗汽蝕能力。

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2 廖乃堅(jiān)，謝代標(biāo).關(guān)于LJ465Q系列發(fā)動機(jī)水泵汽蝕的探討[J].裝備制造技術(shù)，2010（2）：177-179，183

3 王瑞杰.內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵的汽蝕工況分析和提高汽蝕性能設(shè)計(jì)方法的探討[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，5（1）：19-25

4 侯獻(xiàn)軍，金雪，劉志恩，等.基于Fluent的車用冷卻水泵內(nèi)流場分析及改進(jìn)[C]//中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會，中國汽車工程學(xué)會.APC聯(lián)合學(xué)術(shù)年會論文集.北京：中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會，中國汽車工程學(xué)會，2009：23-27

5 羅桂芳，鄭厚貴.內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵性能的自動檢測[J].大眾科技，2010（5）：134-135

6 畢乾邦，王湘卿，陳韶欣.發(fā)動機(jī)冷卻水泵的汽蝕研究[J].兵工學(xué)報(bào)·坦克裝甲車與發(fā)動機(jī)分冊，1994（3）：54-58