汽车冷却系统的气蚀及影响因素浅析

汽车冷却系统的气蚀及影响因素浅析

孙婧

孙婧奇瑞汽车股份有限公司241006

摘要本文通过对气蚀形成机理的详细阐述，然后推理找出了影响气蚀形成的因素。最后提出了提高系统抗气蚀能力的措施。为冷却系统设计时，如何避免气蚀，提高抗气蚀能力，提供了有力的参考依据。

关键词气蚀水泵临界气蚀余量（NPSHc）饱和蒸汽压

引言

气蚀是汽车冷却系统常见的失效模式之一，危害性很大。气蚀时，冷却系统产生大量气泡，流量降低。系统散热能力下降，发动机温度过高，工作恶化。气泡破裂产生的高频水击，导致水腔壁面疲劳破坏，严重影响相关零部件的使用寿命，甚至报废。气蚀时，还会产生噪声和振动。为此，本文对汽车冷却系统气蚀的形成及影响因素进行了研究分析。

气蚀现象

在一定气压下加热液体，当温度上升到沸点时，发生沸腾，即汽化。如果液体温度保持不变，降低液面压力。当压力降低到某一数值时，液体同样会汽化，这个压力称为该液体在该温度下的饱和蒸汽压力，与温度和液体特性有关。

一定温度下，液体某处静态压力小于等于该温度下的饱和蒸汽压时，液体便发生汽化，液体表面和内部产生大量气泡。气泡在浮力作用下或随着液体流动被带到高于饱和蒸汽压的压力区时，会在高压的作用下迅速凝结而破裂。此时，周围流体质点高速冲向原气泡占有区，质点相互撞击形成高频水击。如果气泡破裂处远离水腔壁面时，水击对壁面的影响很小；如果接近水腔壁面，水击对壁面形成强大的冲击力。气泡不断破裂而形成的反复冲击，导致水腔壁面疲劳。疲劳累积到一定程度时，会产生疲劳裂纹。再经过一段时间，裂纹可能会演变成剥落，即穴蚀；也可能演变成开裂。这种现象称为气蚀现象。

冷却系统发生气蚀的条件

冷却系统发生气蚀的条件是首先发生汽化，然后在适当的条件下演变成气蚀。

冷却系统易发生汽化的位置分两种：一种是水泵叶轮入口稍后某端面处。另一种是冷却系统其它的某局部高温区域。

水泵入口稍后某端面处的汽化

冷却系统中压力最低点在水泵叶轮入口稍后某端面处。此处易因静态压力小于饱和蒸汽压而汽化。但一般试验时，测量水泵入水口压力更易操作。冷却液从水泵入口流到叶轮最低压力处所产生的压损，称为水泵的临界汽蚀余量，用NPSHc表示。与冷却液流速的平方，及水泵的结构有关。

当泵入水口压力超过该温度下饱和蒸汽压的压力余量低于水泵的临界气蚀余量时，会发生汽化。故水泵运行时汽化产生的条件，用公式表示为：

水泵入水口压力≤冷却液在某温度下的饱和蒸汽压力+水泵临界气蚀余量

冷却系统其它局部高温区域的汽化

当冷却系统水腔尤其是水套的局部水温很高时，冷却液的饱和蒸汽压也就很大，冷却液静态压力极易出现低于饱和蒸汽压，发生汽化。又或者在水套狭窄处，冷却液流速变快，静态压力下降，当下降至低于饱和蒸汽压时，同样会发生汽化。

以上几种情况发生的汽化，产生的气泡，当气泡流到高于该温度下的饱和蒸汽压的压力区时，气泡会破裂，破裂产生的压力波冲击水腔壁面，产生气蚀。如果气泡未流至高于饱和蒸汽压的高压区，便不会破裂，以气液两相混合存在，称为闪蒸。闪蒸不在此论文中赘述。

4.提高系统抗气蚀能力的措施4.1提高水泵本身抗气蚀性能改进从水泵入水口到叶轮最低压力点的结构设计。包括有增大入水口面积；增大叶轮进口段曲率半径；适当减少叶片进口处的厚度，并修圆；降低水腔壁面的表面粗糙度；采用前置诱导轮；增大叶片进口角等。还应尽量避免高流量长时间工作。流量越大，水泵的临界气蚀余量越大。采用耐疲劳强度高的材料，或进行适当的表面处理。

4.2提高水泵入水口压力包括有合理提高系统压力；减小泵的安装高度；膨胀箱内液位尽量保持在较高位置；减小泵前管路的压损，如尽量缩短管路，减少弯曲、节流、水流对冲等。4.3降低冷却液饱和蒸汽压力

选择合理配比的冷却液。还应尽量避免在较高温度下工作。温度越高，饱和蒸汽压越大。

4.4气泡的抑制

冷却液添加适当的消泡剂。冷却液保持纯净，无杂质颗粒。相关零部件水侧清洁，无杂质。降低相关零部件水腔壁面的粗糙度等。

4.5提高冷却系统其它相关零部件的材料耐疲劳强度

采用耐疲劳强度高的材料，或在材料中添加增强耐疲劳强度的合金。或进行适当的提高耐疲劳强度的表面处理。

5.结论

通过以上分析与研究，找到了汽化产生的关键因素，即静态压力小于饱和蒸汽压。只要此条件不成立，就能避免大量气泡的产生，也就杜绝了气蚀产生的源头。再加上抑制气泡、增强水腔壁面耐冲击疲劳强度等一些辅助办法，将气蚀的可能性或气蚀的影响降到最低。

参考文献

【1】朱仙鼎等，中国内燃机工程师手册，上海：上海科学技术出版社，2000。

【2】朱祖超等，低比转速高速离心泵的理论及设计应用机械工业出版社，2004