有機酸型重負荷汽車發(fā)動機冷卻液的研制

姜 燕，蔡淑紅，李占強，李 杰，譚凱鋒，劉波濤

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

重負荷發(fā)動機是指允許在接近或等于最大輸出功率的情況下連續(xù)運行的內(nèi)燃發(fā)動機，已廣泛應用于交通運輸、電力、工程及軍事等眾多領域[1-2]。

重負荷發(fā)動機在結(jié)構(gòu)設計、工作條件等方面具有輸出功率大、產(chǎn)生熱量大、工作條件差、工作頻率高等特點，最主要的是大部分重負荷汽車發(fā)動機使用濕式套缸，套缸外表面與冷卻液直接接觸，工作中振動頻繁且劇烈，極易導致套缸發(fā)生氣穴腐蝕，嚴重時還會出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象[1]。因此，重負荷發(fā)動機對冷卻液的性能，尤其是緩蝕性能，要求極為嚴格。

重負荷發(fā)動機冷卻液通常由水、防凍劑、緩蝕劑、阻垢劑、消泡劑、著色劑等添加劑組成。其中，緩蝕劑是重負荷發(fā)動機冷卻液最核心部分，它能有效防止缸套氣穴腐蝕和穿孔的發(fā)生。

目前，緩蝕劑主要分為兩類，即無機鹽型緩蝕劑和有機酸型緩蝕劑。無機鹽型緩蝕劑在金屬表面生成鈍化膜，從而達到保護金屬的作用，但該類緩蝕劑消耗速度快，需定期補充添加劑。有機酸緩蝕劑是通過吸附在金屬表面來改變其電化學性質(zhì)，來達到防止金屬腐蝕效果的，其消耗速度較無機鹽型緩蝕劑要緩慢很多，使用過程中無需補充添加劑，具有安全、長效、腐蝕抑制性能優(yōu)異的優(yōu)點。

本文通過對防凍劑、緩蝕劑、阻垢劑等添加劑種類的篩選，制備了一種具有優(yōu)良防凍、防腐性能，且安全長效的重負荷汽車發(fā)動機冷卻液。

1 試驗部分

1.1 試劑及設備

乙醇(分析純，95%)，全自動發(fā)動機冷卻液冰點測試儀(FDY-0471，長沙富蘭德實驗分析儀器有限公司)，沸點試驗裝置，發(fā)動機冷卻液腐蝕測定儀(DFYF-173D大連分析儀器廠)，鋁合金傳熱面腐蝕測定儀(SX0620長沙首煊分析儀器公司)，20k超聲波聲化學設備(YPS17D-ZB杭州成功超聲設備有限公司)。

1.2 冰點的測定

稱取試樣(75～100)mL于冷卻管中，溫度計插入深度為水銀球底距冷凝管約60 mm，并用攪拌器將其套在中間，冷凝管放入冷浴內(nèi)降溫并打開攪拌開關；單臂試管取少量試樣冷卻備用。當溫度比預期冰點高(0.5～1)℃時，用小勺從單臂試管中取一小塊晶體放入冷卻管中引導結(jié)晶，試驗結(jié)束后，觀察溫度曲線并記錄試樣冰點[3]。

1.3 沸點的測定

將經(jīng)過校正的溫度計插入燒瓶的側(cè)口中，插入的深度以水銀球距燒瓶底部的中心6.5 mm為準。溫度計與燒瓶側(cè)口可用一小段橡膠管套上，形成密封，避免漏氣。量取60 mL試樣倒入燒瓶中，再放入三、四粒沸石。將清潔、干燥的冷凝管插入燒瓶中，并將它們放在墊有石棉網(wǎng)的噴燈或電加熱器上，冷凝管的上部用夾子固定在鐵支架上，在冷凝管的進、出水口分別接上乳膠管，并使冷凝管夾層充滿水。

當以上準備工作完成之后，即可進行加熱。調(diào)節(jié)加熱速度，使試樣在10 min之內(nèi)達到沸騰。沸騰之后，緩慢地降低加熱強度，使其在10 min之內(nèi)回流速流達到每秒1～2滴。仔細觀察回流速度，在保持規(guī)定的回流速度2 min后，再讀取溫度。同時，記錄所觀測到的溫度和試驗時的大氣壓力，并計算式樣沸點[4]。

1.4 緩蝕性能測試

1.4.1 玻璃器皿腐蝕試驗[5]

將發(fā)動機冷卻系統(tǒng)使用的紫銅、黃銅、碳鋼、鑄鐵、焊錫和鑄鋁六種典型金屬試片，稱重后連成試片束，然后完全浸沒在750 mL、空氣流量為(100±10) mL/min的試樣中，高沸點冷卻液和防銹劑在(88±2)℃，低沸點冷卻液在(71±2)℃下試驗(336±2) h。試驗結(jié)束后取出試片，經(jīng)清洗處理后再次稱重，以校正后的試片試驗前后質(zhì)量變化值評價腐蝕。

1.4.2 鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗[6]

將鑄鋁合金試件稱量，之后將試件的試驗面浸在發(fā)動機冷卻液試樣中，用空氣對試樣施加壓力，將試件在135℃±1℃下恒溫168 h，試驗結(jié)束后將試件進行清洗處理后再次稱量，以校正后的試件質(zhì)量變化值評價腐蝕。

1.4.3 振動空蝕試驗[7]

試件在105℃烘箱中干燥恒重后，將其安裝到設備中，開啟設備和計時器。設備變頻器采用20 kHz超聲傳感器，試驗溶液溫度為60℃，試驗時間為8～12 h。試樣結(jié)束后，取出試樣，清洗后放入烘箱中在105℃下烘干恒重后稱重，并計算該試驗溶液的緩蝕率。

2 結(jié)果與討論

2.1 防凍劑的選擇

目前，常用的防凍劑主要有甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇和丙三醇等有機低碳醇類。

甲醇和乙醇在有機低碳醇類中降低冰點的效果最好，但其沸點低、閃點低，易揮發(fā)、易著火，且甲醇毒性大；丙三醇沸點高、閃點高、毒性低，但其粘度大，不易散熱，且加熱時易分解為酸性物質(zhì)，加速金屬腐蝕；乙二醇沸點高、閃點高、粘度適中、揮發(fā)性小、原料來源廣且價格低廉，但具有一定毒性；丙二醇除具備乙二醇上述優(yōu)點外，還兼具毒性低、易生物降解等優(yōu)點，但價格較高[8]。

因此，綜合考慮，本研究選擇乙二醇作為本冷卻液的防凍劑。

當乙二醇含量不同時，冷卻液的冰點和沸點也不同。不同乙二醇含量的冷卻液對應的冰點和沸點如圖1所示[7]。

圖1 乙二醇水溶液的冰點和沸點

2.2 緩蝕劑的選擇

有機酸型緩蝕劑兼具抑制腐蝕、長效、環(huán)保等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)于無機鹽型緩蝕劑。

常用的有機酸型緩蝕劑有三唑類、芳香酸鹽類、脂肪酸鹽類等[9]。眾所周知，三唑類是銅系金屬的特效緩蝕劑；苯甲酸、肉桂酸等多種芳香酸的鹽類都可作為有機酸型緩蝕劑使用，其中苯甲酸鈉是一種最常用的芳香酸鹽類緩蝕劑，它對碳鋼、鑄鐵、焊錫和鑄鋁都有很好的腐蝕抑制作用，且安全無毒；脂肪酸鹽中5個以上C原子的一元羧酸鹽和二元羧酸鹽都具有緩蝕作用。

本研究選擇三唑類、芳香酸鹽和有機酸鹽進行緩蝕性能實驗。在其它試驗條件不變的情況下通過改變緩蝕劑的添加量進行玻璃器皿腐蝕試驗和鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗，試驗結(jié)果如表1～3。該體系不僅緩蝕效果好，還具有長效、環(huán)保等優(yōu)點。

表1 緩蝕性試驗結(jié)果

表1(續(xù))

由表1可以看出，芳香酸鹽濃度增加后緩蝕性能有所增加，但不明顯，芳香酸鹽在0.5%和0.8%濃度條件下的緩蝕性能接近，故芳香酸鹽濃度選擇0.5%。繼續(xù)對有機酸鹽A和有機酸鹽B的濃度進行優(yōu)化。

表2 緩蝕性試驗結(jié)果

由表2可以看出，當有機酸鹽A濃度達到3.0%時，緩蝕效果明顯好于濃度為2%和2.5%時，故有機酸鹽A濃度選擇3.0%。繼續(xù)對有機酸鹽B的濃度進行優(yōu)化。

表3 緩蝕性試驗結(jié)果

由表3可以看出，當有機酸鹽B濃度為0.2%和0.5%時，緩蝕變化不大，但當其濃度升至1.0%時，緩蝕效果反而變差，故有機酸鹽B濃度選擇0.2%。

綜上所述，本研究有機酸型緩蝕劑配方為三唑類0.02%、芳香酸鹽0.5%、有機酸鹽A3.0%及有機酸鹽B0.2%。

2.3 性能測試

表4 重負荷汽車發(fā)動機冷卻液性能測試結(jié)果

通過對抗凍劑和緩蝕劑的篩選，確定了有機酸型重負荷汽車發(fā)動機冷卻液的配方。在該冷卻液配制過程中，首先將水和乙二醇混合均勻，然后加入緩蝕劑，并用飽和氫氧化鈉溶液將pH值調(diào)至7.5～11，之后加入消泡劑和染料等添加劑得到成品。按照GB 29743-2013的指標要求及方法對-45℃重負荷發(fā)動機冷卻液進行了性能測試。另外，本研究還根據(jù)GJB 6027-2007《艦船柴油機冷卻液規(guī)范》中振動空蝕指標要求對本冷卻液配方進行了測試，該指標能更加充分地體現(xiàn)重負荷冷卻液對氣穴腐蝕的抑制效果。試驗結(jié)果如表4。

3 結(jié)論

本研究重負荷汽車發(fā)動機冷卻液由水、防凍劑、有機酸型緩蝕劑、消泡劑和染料等添加劑組成，其性能能夠滿足GB 29743-2013標準要求，且緩蝕性能優(yōu)異，緩蝕效果長效、安全。