发动机水箱的故障分析

张卫星，许阿妮，田远，吴灵彦

(1.一拖(洛阳)润滑油有限公司，河南洛阳 471003；2.一拖集团有限公司能源分公司，河南洛阳 471003)

发动机水箱的故障分析

张卫星1，许阿妮1，田远1，吴灵彦2

(1.一拖(洛阳)润滑油有限公司，河南洛阳 471003；2.一拖集团有限公司能源分公司，河南洛阳 471003)

分析发动机水箱产生故障的常规原因。采用实境模拟，重现在通电或者有电位差的环境下，发动机冷却液与电感式液位传感器的相互作用。在此环境下，电位差会诱发铁锈并吸附发动机冷却液中的极性添加剂使其从发动机冷却液中析出，造成导电能力下降，从而导致仪表报警。只有使用机械式液位传感器或者使用添加了非常规添加剂的发动机冷却液，才能避免类似故障。

发动机水箱；故障；发动机冷却液；通电环境；电感式液位传感器

0 引言

水箱是水冷式发动机的重要部件，目前拖拉机和汽车水箱材质主要为铜或铝，结构形式通常为管带式，由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。由于难以一体加工成形，因而材料中含有铜、铝、钢、铁、锡其中的几种或多种，如果使用冷却介质不当，极易产生水箱堵塞、渗漏或者其他故障[1]。水箱冷却介质目前为止主要是乙二醇型轻负荷发动机冷却液。乙二醇型发动机冷却液主要由防冻剂乙二醇、水、适合的防腐蚀添加剂、消泡剂及染料组成[2]。如使用浓缩液进行稀释时，应该使用去离子水或蒸馏水，使氯含量和硬度达到相应要求。

2015年，作者接触的汽车出现数起发动机水箱故障事件，与平常发生的水箱故障不一样。平常水箱故障主要为水箱水垢堵塞、冷却介质腐蚀水箱造成水箱泄漏、水箱焊接问题。这几起故障并非上述问题，而是更换发动机冷却液后出现液位传感器失灵。分析这一起非常规情况下的水箱故障原因，对于了解发动机冷却液的使用环境、改进发动机冷却液使用性能具有重要的实际意义。

1 问题分析

发动机水箱故障多种多样，经分析，造成故障的原因有以下几种：发动机冷却液的质量问题、发动机水箱的原因、用户自身使用的问题、发动机冷却液和发动机水箱部件的配伍问题。

1.1 发动机冷却液质量分析

根据汽车维护人员描述，故障汽车加入某一品牌的-25 ℃LECⅡ发动机冷却液(简称发动机冷却液1)后不久，即出现发动机停止运转、警报闪亮的情况。初步分析，可能为该品牌发动机冷却液的质量问题造成了汽车液位传感器的故障。发动机冷却液有一项重要的指标为玻璃器皿腐蚀试验，如果指标不合格，将会造成对发动机水箱铜、铝、钢、铁、锡部件的腐蚀，造成生锈和沉淀，和故障中的液位传感器腐蚀和沉淀现象相符合。

经过协商，为故障汽车更换另一知名品牌的-25 ℃LECⅡ发动机冷却液(简称发动机冷却液2)进行试验。经过车辆持续运行，液位传感器和发动机均正常运转，并未发生上述问题。由此试验结果排除了发动机水箱自身的原因。

经过对两种品牌的发动机冷却液进行取样和检验，得到的结果如表1所示。

表1 两种发动机冷却液的性能参数

根据与GB 279743-2013[3]质量标准对比：两种品牌的发动机冷却液符合标准，玻璃器皿腐蚀实验中发动机冷却液1性能反而略微优于发动机冷却液2。说明两种发动机冷却液均满足发动机水箱一般常规要求。

1.2 用户原因分析

故障汽车液位传感器经过短时间使用后，液位传感器一端发生锈蚀，且上面附着一层淡黄色类似水垢的固体物质，明显未达到发动机冷却液更换周期发动机冷却液防腐蚀功能就已经失效。故障汽车所用液位传感器如图1所示。

图1 汽车液位传感器

在这起问题中需要排除用户添加自来水的原因。由于历史原因，许多用户往往在夏天往汽车水箱中添加自来水或者其他硬水，冬天再添加发动机冷却液，以节省成本。但由于自来水钙离子、镁离子含量远远高于用于调制发动机冷却液的去离子

水或蒸馏水，极易产生水垢，堵塞水箱和水箱部件，引发热量传导问题，造成发动机故障。加入自来水后，发动机冷却液中的磷酸盐防腐蚀剂由于与自来水中Mg2+、Ca2+离子进行反应生成固体沉淀，从防冻液中析出，而且自来水等硬水中氯离子含量偏高，容易造成对铁、钢部件的腐蚀。

现对故障汽车所用液位传感器上的水垢状物质进行分析。轻轻刮下部分固体物质，进行简单的CaCO3成分分析试验，使之与低浓度盐酸反应，并未出现起泡现象，说明固体物质并非水垢。因此，此问题不是由于用户自行往水箱添加自来水产生水垢引起。

1.3 发动机冷却液和发动机水箱部件的配伍问题

经以上分析，基本上可以确认发动机冷却液1与发动机水箱相关元件配伍存在问题。由于发动机水箱内发动机冷却液温度在常温至100 ℃之间波动，元件成分复杂，同时拥有各种检测回路，因而需要进行具体的实境模拟，以进行具体的原因分析。

2 实境模拟

现在继续从发动机冷却液的使用条件方面进行分析。经了解，该液位传感器采用电感式结构，冷却液液位传感器用来监测冷却系统冷却液液位，并通过发动机线束将信息传输给ECM。电路图如图2所示。

现使用发动机冷却液1，将电感式液位传感器放在通电电路环境(不含报警和液位信号检测回路)和不通电环境下分别进行实验，以测试防冻液的防腐蚀性能。

图2 汽车液位传感器电路图

2.1 实验仪器

主要仪器：玻璃器皿腐蚀测定仪、电子天平、空气泵、温度计、水冷却循环装置、气体扩散管、回流冷凝管、干燥皿、电源转换器。

2.2 不通电、通空气环境下液位传感器的测试

将全新的电感式液位传感器放在电子天平上称重；准备好试验所用的高型烧杯、橡胶塞、温度计、气体扩散管和回流冷凝管；准备好空气泵和连接管。使用玻璃器皿腐蚀测定仪的浴缸，模拟发动机冷却液的使用环境温度，调整浴缸温度至(88±2)℃，空气流量设置为(100±10)mL/min，高型烧杯内倒入750 mL发动机冷却液1，将全新的电感式液位传感器置于高型烧杯内，试验时间设置为16 h。

试验时间结束后，观察试验后的液位传感器，液位传感器的不锈钢表面外观光洁如新，平整光滑，无附着物，无锈斑。置于去离子水中清洗，后经干燥皿干燥，最后使用电子天平称量。与试验前的电感式液位传感相比，质量变化极为轻微，基本无变化。

2.3 通电、通空气环境下液位传感器的测试

赵某散步时和刘某家的狗迎面相遇，刘某的狗突然蹿至赵某身后咬了一口，事后，赵某经就医治疗共花费数千元。经过民警调解，双方未达成一致意见，故赵某将刘某诉至法院，要求其赔偿医疗费等各项费用共计3000余元。

将全新的电感式液位传感器放在电子天平上称重；准备好试验所用的高型烧杯、橡胶塞、温度计、气体扩散管和回流冷凝管；准备好空气泵和连接管。准备好+5 V DC电源。使用玻璃器皿腐蚀测定仪的浴缸，模拟发动机冷却液的使用环境温度，调整浴缸温度至(88±2)℃，空气流量设置为(100±10)mL/min，高型烧杯内倒入750 mL发动机冷却液1，将全新的电感式液位传感器置于高型烧杯内，连接+5 V DC电源，形成一个电路回路，试验时间设置为16 h。

实验结束后，液位传感器表面结垢，且有点状锈斑,见图3。经置于去离子水中清洗，后经干燥皿干燥，最后使用电子天平称量。与试验前的电感式液位传感相比，质量变化+0.65 g，暗红色点状斑明显为铁锈。

已知金属被电化学腐蚀的条件之一是部件存在着电位差。液位传感器两端存在+5 V的电压，发动机冷却液即是电解液。因此，液位传感器处于电化学腐蚀的条件下，受到电解液的强烈腐蚀作用。电感液位传感器端部材质为不锈钢或钢质材质，处在有电位差的环境中，容易引起电化学腐蚀。铁元素在发动机冷却液中进行如下反应[4]：

(1)析氢腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较强时)电化学腐蚀

负极(Fe):Fe-2e-=Fe2+

Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+

正极(杂质)：2H++2e-=H2

电池反应：Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑

(2)吸氧腐蚀(钢铁表面吸附水膜酸性较弱时)

负极(Fe)：Fe-2e-=Fe2+

正极：O2+2H2O+4e-=4OH-

总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈。

反应式为：

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

4Fe(OH)3=2Fe2O3+6H2O

图3 液位传感器结垢

析氢腐蚀主要发生在强酸性环境中，而吸氧腐蚀发生在弱酸性或中性环境中。由于发动机冷却液产品pH值为7.5～11，发动机运行初期，水箱内环境偏碱性，因而主要以吸氧反应为主。电化学腐蚀的强烈程度不仅与发动机冷却液中含有氢和氧的浓度有关，而且还与温度有关。发动机冷却液中的氢、氧含量大时，电化学腐蚀加剧；发动机冷却液的温度越高，电化学腐蚀反应速度加快。其他腐蚀包括化学腐蚀、热化学腐蚀(氧扩散)和冲刷腐蚀。发动机冷却液中不可避免地含有硫化氢(H2S)、氧气 (O2)、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)等气体，这些物质都会和缸套金属发生化学反应，使金属发生化学腐蚀。有关试验证实：温度升高10 ℃，化学反应速度提高2～4倍。

除铁锈外，液位传感器表面还生成了薄薄一层淡黄色沉淀。经检验含钼酸根成分和磷酸根成分，与国内无机发动机冷却液的主要防腐蚀剂成分相吻合。由于这些防腐蚀剂的析出以及电位作用下产生的对防腐蚀剂离子的吸附作用，加剧了液位传感器中铁元素的腐蚀。两者叠加作用造成了发动机冷却液保护作用失灵，引起了液位传感器的生锈及沉淀。

综合当前获取的各种信息，分析问题的主要原因是：汽车在行驶过程中与液位传感器连接的有全车总线和仪表总线，汽车在行驶过程中仪表总线在液位传感器的金属触点上产生一个约5 V的电压，这个电压会吸附发动机冷却液中的极性添加剂使其从发动机冷却液中析出，与系统中由于吸氧腐蚀产生的铁锈共同粘附于这个金属触点，触点被包裹后导电能力下降，从而导致驾驶室仪表报警。

3 解决方案

3.1 更换不同型号的液位传感器

经上述原因分析明显可以看出：由于电路造成电化学反应，引起发动机冷却液失效。因而使用一种机械式的液位传感器，即可避免产生上述故障。经咨询若干个汽车服务点(含不同汽车品牌)，部分服务点使用和发动机冷却1同样品牌、同样型号的发动机冷却液，未产生异常。经了解，他们使用的传感器是机械式的(图4是其中两个服务站使用的机械式液位传感器)。因此，改用机械式液位传感器即可使用市面上常见型号的发动机冷却液，可避免液位传感器失灵故障产生。

图4 机械式液位传感器结垢

3.2 使用配伍的发动机冷却液

为避免发动机冷却液在电路环境中产生电化学反应，以适应电感液位传感器的广泛运用，可以在发动机冷却液中添加某种添加剂，如添加微量的特殊缓蚀剂或者绝缘添加剂，国内外已经有相应技术能够实现此要求，如某品牌的发动机冷却液2。

4 结论

发动机水箱在通电或者有电位差的环境下，易造成电感液位传感器与发动机冷却液的电化学作用，引起行车故障。只有使用机械式的液位传感器或者使用添加了绝缘剂的非常规发动机冷却液，才能避免类似故障。

【1】董芳.浅析影响发动机冷却液质量的相关因素[J].石油商技，2003，21(4)：25-27. DONG F.A Brief Analysis on Factors Relative to Quality of Engine Coolant[J].Petroleum Products Application Research,2003,21(4):25-27.

【2】HANNIGAN H J.A Review of Automotive Engine Coolant Technology[C]//Engine Coolant Testing:Third Volume,ASTM STP1192,1993:6-10.

【3】GB 29743-2013机动车发动机冷却液[S].

【4】中国腐蚀与防护学会.金属腐蚀手册[M].上海:上海科学技术出版社，1987:52-56.

Failure Analysis of Engine Tank

ZHANG Weixing1，XU Ani1，TIAN Yuan1，WU Lingyan2

(1.YTO (Luoyang) Lubricating Oil Co., Ltd., Luoyang Henan 471003, China；2.YTO Group Corporation Energy Branch，Luoyang Henan 471003,China)

Conventional reasons for failures of the engine tank were analyzed. Adopting scenario simulation, an electricity environment was reproduced, then the interactions between the engine coolant and the inductance type liquid level sensor could be seen. The potential difference caused rust and precipitation of the adsorbed polar additives from the engine coolant. It led to the decrease of the conductive ability. That resulted in alarm of the instrument. To avoid such kind of failure, mechanical level sensor or engine coolant with insulating material could be used.

Engine tank；Failures; Engine coolant； Electricity environment; Inductance type liquid level sensor

2016-07-11

张卫星(1974—)，男，硕士，从事润滑油和发动机冷却液的研究和应用。E-mail:249009073@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.016

U464.138+.2

B

1674-1986(2017)01-063-04