冷卻液變黑問題原因分析

商中偉

(北汽集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300)

0 引言

隨著發(fā)動機(jī)性能的提高, 現(xiàn)代汽車均采用封閉式的冷卻系統(tǒng)。由于汽車在行駛時, 發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃料的燃燒以及運(yùn)動部件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量, 使零件受熱, 特別是直接與燃燒氣體接觸的部位溫度更高, 因此, 為了保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),延長使用壽命, 需要冷卻系統(tǒng)中的傳熱介質(zhì)——冷卻液將熱量傳遞到散熱器, 以保持發(fā)動機(jī)內(nèi)部溫度的最佳狀態(tài)。冷卻液的發(fā)展, 經(jīng)歷了從水到甲醇、乙醇, 再到現(xiàn)如今廣泛使用的乙二醇作為防凍劑的階段, 其在一定濃度范圍內(nèi)大大降低了水的冰點(diǎn)[1]。

汽車?yán)鋮s液系統(tǒng)是汽車油液循環(huán)中較復(fù)雜的，所用管件的材質(zhì)有EPDM(三元乙丙橡膠)、VMQ(硅膠)、PP(聚丙烯)、AL(鋁)、PA66+GF30(尼龍+30%玻纖)、HT250(灰鑄鐵)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(鋁合金)等材料，它們和冷卻液共同存在于高溫、高壓環(huán)境中，因系統(tǒng)同時涉及動力、底盤、電器等多個部分，所以一旦其中某種材料出現(xiàn)問題就很難排查。

2018年9月30日，北汽越野車試驗部反饋B40L-G01的4臺試驗車(LNBRCFBK0JB020693、 LNBRCFBK8JB020697、LNBRCFBH8JB236909、LNBRCFDK2JB020675)全部出現(xiàn)冷卻液變黑現(xiàn)象。當(dāng)時車輛正在進(jìn)行PT和可靠性試驗，行駛里程都在5000～8000 km。 冷卻液外觀如圖1所示。將變黑冷卻液排掉，沖洗循環(huán)系統(tǒng)兩遍，加注新冷卻液，繼續(xù)進(jìn)行路試。車輛行駛1000 km后，冷卻液變黑現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。

圖1 冷卻液變黑照片

1 原因分析

總體分析思路按照圖2 魚骨圖進(jìn)行。

圖2 冷卻液變黑魚骨圖

1.1 冷卻液變黑原因設(shè)想

冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，水冷系統(tǒng)均為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強(qiáng)制冷卻液在發(fā)動機(jī)中循環(huán)。包括水泵、散熱器、節(jié)溫器、膨脹水壺、發(fā)動機(jī)機(jī)體和氣缸蓋中的水套以及其他附加裝置。發(fā)動機(jī)冷卻分為大循環(huán)和小循環(huán)，通過節(jié)溫器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)動機(jī)冷啟動的時候，冷卻液溫度較低，此時冷卻液只在發(fā)動機(jī)內(nèi)部循環(huán)，不經(jīng)過散熱器，使發(fā)動機(jī)的溫度較快地升到其工作溫度，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作一段時間后，溫度達(dá)到一定溫度后，冷卻液開始進(jìn)行大循環(huán)。

圖3 冷卻液循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述過程中較熱的冷卻液(80～100 ℃)會和冷卻系統(tǒng)各個零部件接觸，這些零部件包含EPDM(三元乙丙橡膠)、VMQ(硅膠)、PP(聚丙烯)、AL(鋁)、PA66+GF30(尼龍+30%玻纖)、HT250(灰鑄鐵)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(鋁合金)等多種材質(zhì)，可能存在與冷卻液不匹配的材料，導(dǎo)致其變黑[2-5]。

目前所有車型上使用的冷卻液都是某廠家的全有機(jī)型乙二醇冷卻液。雖然有機(jī)酸型汽車防凍液對環(huán)境的保護(hù)功能非常顯著，對汽車防凍液的研發(fā)進(jìn)程非常有利，使用以后能夠利用微生物的降解作用保護(hù)并綠化環(huán)境[6]。但是如果配方設(shè)計有問題，添加劑或顏料不穩(wěn)定就有可能帶來不可預(yù)知的后果。

試驗過程中是按照正常保養(yǎng)手冊的要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的，保養(yǎng)不當(dāng)可能導(dǎo)致雜質(zhì)混入而造成冷卻液變黑。零部件在包裝、運(yùn)輸、儲存、裝配過程中因操作或處置不當(dāng)有可能導(dǎo)致雜質(zhì)混入，從而引起變黑[7-10]。

1.2 冷卻液變黑原因調(diào)查

對冷卻循環(huán)系統(tǒng)各零部件的包裝、運(yùn)輸、儲存、裝配過程進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的各零部件在運(yùn)輸、儲存、裝配過程中符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。通過與現(xiàn)場試驗工程師的交流以及保養(yǎng)記錄的查詢發(fā)現(xiàn)：上述4輛車的行駛里程還未到冷卻液的更換里程，未對冷卻液進(jìn)行過保養(yǎng)和其他處理。

1.2.1 冷卻液自身問題驗證

測試變黑冷卻液的常規(guī)理化性能指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 冷卻液常規(guī)理化指標(biāo)檢測結(jié)果

由表1可知冷卻液本身各常規(guī)指標(biāo)都在要求范圍內(nèi)。對變黑冷卻液和新冷卻液進(jìn)行元素分析，結(jié)果見表2。

表2 變黑冷卻液和新冷卻液元素檢測結(jié)果 mg/kg

表2(續(xù))

由表2可知，鈉、鉀、磷含量出現(xiàn)了較大變化，硅含量略有變化。分析認(rèn)為硅含量變化可能是管路灰塵、水套沙模殘留的沙子引起的，鈉、鉀、磷三種元素可能是發(fā)動機(jī)熱試液殘留引起的。從元素分析中未找到能使冷卻液變黑的原因。

1.2.2 冷卻液循環(huán)系統(tǒng)管路驗證

橡膠管件屬于化學(xué)制品，且冷卻液中常有橡膠氣味，所以考慮橡膠的加工過程、添加劑等因素。排查橡膠管與冷卻液的匹配性有無異常，取新橡膠管，材質(zhì)為EPDM(三元乙丙橡膠)10 cm，浸泡到新冷卻液中，并放在80 ℃的環(huán)境中168 h，觀察有無異?，F(xiàn)象，見圖4。通過圖4發(fā)現(xiàn)冷卻液外觀無異?，F(xiàn)象產(chǎn)生。

圖4 橡膠管與冷卻液相容性試驗

對車輛循環(huán)系統(tǒng)各主要管件進(jìn)行拆解，并檢查狀態(tài)，如圖5所示。檢查后發(fā)現(xiàn)各橡膠管狀態(tài)正常，異味較大，而且黑色鋼管內(nèi)有黑色碎渣。鋼管內(nèi)有黑色漆類物質(zhì)，并且出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，如圖6所示。

圖5 循環(huán)系統(tǒng)主要管件

圖6 發(fā)動機(jī)組合出水管剖切面

2 試驗驗證

對發(fā)動機(jī)組合出水管和發(fā)動機(jī)進(jìn)水鋼管調(diào)查，底盤部產(chǎn)品工程師為保證發(fā)動機(jī)艙內(nèi)外觀顏色統(tǒng)一，要求供應(yīng)商對這兩根鋼管進(jìn)行了電泳處理。電泳時沒有合適的工裝密封管口，導(dǎo)致兩根鋼管內(nèi)壁距離管口長度約14 cm長度也同時被電泳處理。

取新的發(fā)動機(jī)組合出水管和發(fā)動機(jī)進(jìn)水鋼管進(jìn)行剖切，見圖7。由圖7可以看出鋼管內(nèi)有黑色電泳漆存在，將其放入到新冷卻液中并在105 ℃下保溫一定時間。試驗進(jìn)行到144 h時，1號燒杯完全變?yōu)楹谏?號空白樣顏色略微發(fā)深，見圖8。將鋼管切片取出后觀察外觀，見圖9。

圖7 發(fā)動機(jī)組合出水管、發(fā)動機(jī)進(jìn)水鋼管剖切

圖8 冷卻液和鋼管切片匹配試驗

圖9 剛從冷卻液中取出的鋼管切片

由圖9可以看出鋼管切片上的黑色電泳漆出現(xiàn)嚴(yán)重的溶解現(xiàn)象，輕刮出現(xiàn)明顯劃痕(圖9中畫圈部位)。試驗前后鋼管狀態(tài)對比見圖10；取出鋼管切片后的冷卻液狀態(tài)見圖11。

圖10 試驗前后效果對比

圖11 試驗后冷卻液狀態(tài)

經(jīng)過驗證試驗，本次4臺試驗車?yán)鋮s液變黑原因是發(fā)動機(jī)組合出水管和發(fā)動機(jī)進(jìn)水鋼管上的黑色電泳漆，在高溫、高壓冷卻液的浸泡、溶解、沖刷、剝離等作用下未充分交聯(lián)固化的電泳漆返溶，黑色顏料脫落導(dǎo)致的。

3 結(jié)論及建議

本次試驗車?yán)鋮s液變黑現(xiàn)象是由發(fā)動機(jī)組合出水管和發(fā)動機(jī)進(jìn)水鋼管內(nèi)腔表面涂裝了黑色電泳漆，在高溫高壓冷卻液的浸泡、溶解、沖刷、剝離等作用下，使電泳漆樹脂、顏料等物質(zhì)混入到冷卻液后造成的。建議取消進(jìn)水管和出水管的電泳涂裝環(huán)節(jié)，直接裝配即可[11-14]。

發(fā)動機(jī)冷卻液在使用過程中，一般都要求加入一定的著色劑，使冷卻液具有醒目的顏色。這樣在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過觀察冷卻系統(tǒng)外部管路就能容易判斷出滲漏發(fā)生的位置[15]。冷卻液顏色雖然看似用處單一，但循環(huán)系統(tǒng)的各零部件問題可能首先通過冷卻液顏色表現(xiàn)出來，所以定期觀察冷卻液的外觀至關(guān)重要，建議將冷卻液外觀列為路試試驗的日常監(jiān)控指標(biāo)。