汽车发动机水泵设计
汽车发动机水泵设计
—— 叶海见
一、 水泵分类
1、根据泵的工作原理和结构分：
叶片式泵、容积式泵 （和其他类型的泵）如：喷射泵、空气升液泵、电磁泵等
叶片式泵如：离心泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等
容积式泵如：往复泵、转子泵 两种
往复泵：电动泵、蒸气泵
电动泵:柱塞（活塞）泵、隔膜泵、计量泵
转子泵：齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、滑片泵等
2、根据介质上分：
清水泵、污水（污物）泵、油泵、耐腐蚀泵等；
3、从使用安装方式上分：
管道式泵、液下式泵、潜水式泵等。
二、 结构
三、 性能参数
1、流量Q
流量是泵在单位时间内输送出去的液体量（体积或质量）。
体积流量用Q表示，单位是：m3/s，m3/h，l/s等。
质量流量用Qm表示，单位是：t/h，kg/s等。
质量流量和体积流量的关系为：
Qm=ρQ
式中 ρ——液体的密度（kg/m3，t/m3），常温清水ρ=1000kg/m3。
2、扬程H
扬程是泵所抽送的单位重量液体从泵进口处（泵进口法兰）到泵出口处（泵出口法兰）能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是N·m/N=m，即泵抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。
3、转速n
转速是泵轴单位时间的转数，用符号n表示，单位是r/min。
4、汽蚀余量NPSH
汽蚀余量又叫净正吸头，是表示汽蚀性能的主要参数。汽蚀余量国内曾用Δh表示。
5、功率和效率
泵的功率通常是指输入功率，即原动机传支泵轴上的功率，故又称为轴功率，用P表示；
泵的有效功率又称输出功率，用Pe表示。它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。
因为扬程是指泵输出的单位重液体从泵中所获得的有效能量，所以，扬程和质量流量及重力加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输出的液体所获得的有效能量——即泵的有效功率：
Pe=ρgQH(W)=γQH(W)
式中 ρ——泵输送液体的密度（kg/m3）；
γ——泵输送液体的重度（N/m3）；
Q——泵的流量（m3/s）；
H——泵的扬程（m）；
g——重力加速度(m/s2)。
轴功率P和有效功率Pe之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比，用η表示。
四、 汽车柴油机水泵
理论 1：
（一）、输水量
根据发动机所需的散热量，利用热能计算
……………………………………………………………………… ①
……………………………………………………………………… ②
由①、②式可得
………………………………………………………… ③
要精确的计算比较困难，一般按下式估算：
……………………………………………………………………………… ④
考虑水泵叶轮与外壳间隙的泄露量，水泵的实际输水量应为：
…………………………………………………………………………… ⑤
由以上得水泵的实际输水量应为：
………………………………………………………… ⑥
式中：
—— 冷却系统每小时散热量，KJ/h；
—— 冷却液的比热，KJ/(kg·K)，水为4.187 KJ/(kg·K)；
—— 冷却液每小时流量， kg/h；
—— 发动机进水温度，℃，为防止气缸腐蚀，一般不低于75℃；
—— 发动机出水温度，℃；一般取85～90℃，为保证冷却均匀，
一般为5～7℃
—— 冷却液的比热，KJ/(kg·K)，水为4.187 KJ/(kg·K)；
—— 循环水量，m3/S
—— 冷却液的密度，kg/m3，水为1000 kg/m3；
—— 发动机额定功率，kJ/kW·h
P —— 发动机功率， kW
—— 水泵容积效率，
一般取1.2～1.5
其中，
可按下列范围取值：
分开式燃烧室：
非增压发动机 3100～3700
增压发动机 2500～3100
直接喷射式柴油机
非增压发动机 2200～2850
增压发动机 1650～2200
汽油机 4500～5700
理论 2：
1、冷却系统散走的热量按下式估算：
（kJ/S）
式中：
A —— 传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，汽油机0.23～0.30，柴油机0.18～0.25；
—— 内燃机燃料消耗率，kg/kW.h；
—— 内燃机功率，kW；
—— 燃料低热值，kJ/kg。
其中：
—— 如有机油散热器，且为水油散热器，另曾5～10％；
A —— 汽油机0.23～0.30，柴油机0.18～0.25；
—— 取
（**功率，额定工况）为计算值，
（**扭矩工况）为验算值；
—— 额定工况时，汽油机取0.21～0.27kg/kW.h，柴油机取0.30～0.34 kg/kW.h。
由以上可得简化公式：
汽油机
柴油机
其中：
低压缩比（ε＜8）的汽油机，冷却系统分配热量多，
取上限，即
；高压缩比（ε＞8）、燃烧室布置紧密的汽油机，
取下限，即
；
车用柴油机取
，增压直喷取
。
2、根据比热容计算冷却液循环量：
由上式得：
式中：
——内燃机温升，6～12℃；
——冷却液比重，水为1000kg/m3；
——冷却液比热，水为4.187kJ/kg.℃
3、冷却空气需要量：
由上式得：
式中：
——冷却空气温升，10～30℃；
——冷却空气比重，水为1.01kg/m3；
——冷却空气比热，水为1.047kJ/kg.℃。
理论1、2比较：
—— 叶海见
一、 水泵分类
1、根据泵的工作原理和结构分：
叶片式泵、容积式泵 （和其他类型的泵）如：喷射泵、空气升液泵、电磁泵等
叶片式泵如：离心泵、旋涡泵、混流泵、轴流泵等
容积式泵如：往复泵、转子泵 两种
往复泵：电动泵、蒸气泵
电动泵:柱塞（活塞）泵、隔膜泵、计量泵
转子泵：齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵、滑片泵等
2、根据介质上分：
清水泵、污水（污物）泵、油泵、耐腐蚀泵等；
3、从使用安装方式上分：
管道式泵、液下式泵、潜水式泵等。
二、 结构
三、 性能参数
1、流量Q
流量是泵在单位时间内输送出去的液体量（体积或质量）。
体积流量用Q表示，单位是：m3/s，m3/h，l/s等。
质量流量用Qm表示，单位是：t/h，kg/s等。
质量流量和体积流量的关系为：
Qm=ρQ
式中 ρ——液体的密度（kg/m3，t/m3），常温清水ρ=1000kg/m3。
2、扬程H
扬程是泵所抽送的单位重量液体从泵进口处（泵进口法兰）到泵出口处（泵出口法兰）能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是N·m/N=m，即泵抽送液体的液柱高度，习惯简称为米。
3、转速n
转速是泵轴单位时间的转数，用符号n表示，单位是r/min。
4、汽蚀余量NPSH
汽蚀余量又叫净正吸头，是表示汽蚀性能的主要参数。汽蚀余量国内曾用Δh表示。
5、功率和效率
泵的功率通常是指输入功率，即原动机传支泵轴上的功率，故又称为轴功率，用P表示；
泵的有效功率又称输出功率，用Pe表示。它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。
因为扬程是指泵输出的单位重液体从泵中所获得的有效能量，所以，扬程和质量流量及重力加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输出的液体所获得的有效能量——即泵的有效功率：
Pe=ρgQH(W)=γQH(W)
式中 ρ——泵输送液体的密度（kg/m3）；
γ——泵输送液体的重度（N/m3）；
Q——泵的流量（m3/s）；
H——泵的扬程（m）；
g——重力加速度(m/s2)。
轴功率P和有效功率Pe之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比，用η表示。
四、 汽车柴油机水泵
理论 1：
（一）、输水量
根据发动机所需的散热量，利用热能计算
……………………………………………………………………… ①
……………………………………………………………………… ②
由①、②式可得
………………………………………………………… ③
要精确的计算比较困难，一般按下式估算：
……………………………………………………………………………… ④
考虑水泵叶轮与外壳间隙的泄露量，水泵的实际输水量应为：
…………………………………………………………………………… ⑤
由以上得水泵的实际输水量应为：
………………………………………………………… ⑥
式中：
—— 冷却系统每小时散热量，KJ/h； —— 冷却液的比热，KJ/(kg·K)，水为4.187 KJ/(kg·K)； —— 冷却液每小时流量， kg/h； —— 发动机进水温度，℃，为防止气缸腐蚀，一般不低于75℃； —— 发动机出水温度，℃；一般取85～90℃，为保证冷却均匀，一般为5～7℃ —— 冷却液的比热，KJ/(kg·K)，水为4.187 KJ/(kg·K)； —— 循环水量，m3/S —— 冷却液的密度，kg/m3，水为1000 kg/m3； —— 发动机额定功率，kJ/kW·hP —— 发动机功率， kW
—— 水泵容积效率，一般取1.2～1.5其中，
可按下列范围取值：分开式燃烧室：
非增压发动机 3100～3700
增压发动机 2500～3100
直接喷射式柴油机
非增压发动机 2200～2850
增压发动机 1650～2200
汽油机 4500～5700
理论 2：
1、冷却系统散走的热量按下式估算：
（kJ/S）式中：
A —— 传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，汽油机0.23～0.30，柴油机0.18～0.25；
—— 内燃机燃料消耗率，kg/kW.h； —— 内燃机功率，kW； —— 燃料低热值，kJ/kg。其中：
—— 如有机油散热器，且为水油散热器，另曾5～10％；A —— 汽油机0.23～0.30，柴油机0.18～0.25；
—— 取（**功率，额定工况）为计算值，（**扭矩工况）为验算值； —— 额定工况时，汽油机取0.21～0.27kg/kW.h，柴油机取0.30～0.34 kg/kW.h。由以上可得简化公式：
汽油机
柴油机
其中：
低压缩比（ε＜8）的汽油机，冷却系统分配热量多，
取上限，即；高压缩比（ε＞8）、燃烧室布置紧密的汽油机，取下限，即；车用柴油机取
，增压直喷取。2、根据比热容计算冷却液循环量：
由上式得：
式中：
——内燃机温升，6～12℃；——冷却液比重，水为1000kg/m3；——冷却液比热，水为4.187kJ/kg.℃3、冷却空气需要量：
由上式得：
式中：
——冷却空气温升，10～30℃；——冷却空气比重，水为1.01kg/m3；——冷却空气比热，水为1.047kJ/kg.℃。理论1、2比较：
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