冷却液超低冰点测试方法研究

朱天一

中国石油大连润滑油研究开发中心

目前,发动机冷却液冰点的测试方法是SH/T 0090-91(2000)《发动机冷却液冰点测定法》,具体操作过程为:将一定量试样注入带有机械搅拌装置的冷却管中,降低试样温度,降温速率控制在1 ℃/min,观察其试样温度。该方法同时规定了判断冷却液冰点的方法,即以冷却液开始结晶即开始缓慢降温的温度为试样的冰点(方法一),或以冷却液最初形成结晶后迅速回升所达到的最高温度为试样的冰点(方法二)。

如今,随着机械工业的发展,一些特殊行业领域对冷却液的要求越来越高,尤其是冷却液的超低冰点性能,一般要求冰点在-50 ℃以下或者更低。因此,有必要对冷却液超低冰点的测试方法开展研究。

冷却液超低冰点测试试验

样品调制

冷却液由乙二醇、水和复合剂等组成。乙二醇与水以不同比例混合会使冷却液有不同的冰点,随着乙二醇浓度的增加,冷却液的冰点也随之降低,但乙二醇达到一定浓度时,冷却液的冰点反而会升高。因此,乙二醇与水的合适配比十分重要。乙二醇型冷却液中乙二醇浓度与冰点之间的关系见表1［1］。

表1 乙二醇浓度与冰点关系

参照表1调制了超低冰点冷却液,各组分剂量见表2。应指出的是,复合剂中的水和添加剂也会对冷却液的冰点产生一定的影响。

试验仪器

利用实验室现有的冷却液自动冰点测试仪(图1)进行超低冰点测试方法研究,此设备满足SH/T 0090-91(2000)方法要求,为自动型,利用冷却液形成冰点的温度变化工作原理,可以自动判断冷却液冰点值，也可以手动测试冰点值即人工通过温度计数值判断冷却液的冰点值。

经过咨询仪器厂家,结合多次试验经验,将冷却液结晶后温度回升至最高点作为试样的冰点值,或者利用冷却液开始结晶时缓慢降温即连续3个10 s试样温度没有变化则判断为冰点值。

结果及讨论

分别按照手动方式和自动方式进行冷却液冰点测试试验。其中手动方式按照试样开始结晶温度和结晶后回升到最高温度2种方法考察冷却液冰点值,见表3。

表2 调制超低冰点冷却液各组分剂量

图1 冷却液自动冰点测试仪

手动、自动方式测试试样冰点值的比较

对于冷却液1和冷却液2,按照手动方式测试试样冰点值,试样开始结晶温度分别是-46.8 ℃和-49.4 ℃,自动方式判断其冰点值为-51.0 ℃和-51.5 ℃。2种方式判断的试验结果不同,自动方式测得的冰点值比手动方式低,这是因为它们在开始结晶后15 min,仪器出现缓慢降温即“连续3个10 s没有温度变化”现象,自动判断此温度为冷却液冰点值,之后随着结晶的增多,温度有一定回升,但是由于试样温度较低,不足以使试样温度回升到刚开始的结晶温度。

对于冷却液3、冷却液4、冷却液5、冷却液6和冷却液7,按照手动方式测试冰点值,试样开始结晶温度为 -53.7 ℃、-55.3 ℃、-57.3 ℃、-59.2 ℃、-63.3 ℃,但是5个试样在出现结晶后温度并没有回升,其原因是冷却液温度很低,结晶产生的热量不足以使温度回升。按照自动方式测试冷却液3、冷却液4、冷却液5、冷却液6和冷却液7冰点值,分别为-52.3 ℃、-53.9 ℃、-56.1 ℃、-56.4 ℃,-60.5 ℃,这5个冰点值与手动方式测得的冰点值不同且偏高,这是由于这5个冷却液的冰点值比冷却液1、冷却液2更低,试样结晶前20 min左右,降温速度就很缓慢,出现“3个连续10 s温度不变化”现象,所以仪器自动判断此温度为试样冰点值。

冷却曲线分析

根据SH/T 0090-91(2000)要求,针对冷却液5、冷却液7的超低冰点试验过程,绘制了冷却液温度随试验时间变化的冷却曲线,见图2、图3。

图2 冷却液5超低冰点试验过程的冷却曲线

图3 冷却液7超低冰点试验过程的冷却曲线

从图2可以看出,随着试验时间增加,冷却液温度逐渐降低。当冷却液温度降低到-50 ℃及以下,它的降温速率变得越来越缓慢,试样结晶后并无温度回升或者明显的降温速率变化。此时,自动方式判断冷却液冰点不准确。

从图3可以看出,由于冷却液7的冰点达到-63.3℃,其在-52 ℃以下降温缓慢,基本呈一条直线,同样试样结晶后并无温度回升或者降温速率变化。此时,自动方式判断冷却液冰点值比实际冰点值偏高。

小结

自动方式判断冷却液冰点值,是根据冷却液开始结晶缓慢降温(仪器自身程序)或者出现结晶后温度上升来判断的。试样温度在-50 ℃左右及以下本身下降缓慢,不同冰点的冷却液结晶后降温速率也不一致,大部分冷却液结晶后温度无回升且降温速率无明显变化,因此,自动方式利用缓慢降温速率来判断冷却液冰点值不准确。根据SH/T 0090-91(2000)中规定的冰点判断方式,即冰点值为试样开始结晶的温度或结晶后温度回升的最高温度,认为手动测试中开始结晶温度即是冷却液的实际冰点值,即冷却液1～冷却液7的冰点值分别为-46.8 ℃、-49.4 ℃、-53.7 ℃、-55.3 ℃、-57.3 ℃、-59.2 ℃、-63.3 ℃。

重复性与再现性验证

重复性试验

对7个冷却液试样进行了超低冰点测试重复性试验(手动方式),结果见表4。

由表4可见,所有7个试样的冰点测试结果均满足重复性要求。

再现性试验

将实验室调制的超低冰点的冷却液送至外部实验室测试冷却液超低冰点。外部实验室冰点仪器X通过手动方式测试冷却液超低冰点值再现性试验结果见表5。

由表5可见,通过将外部/内部实验室数据进行比对,所有7个试样的冰点测试结果均满足试验方法再现性要求。

表4 冷却液超低冰点测试重复性试验

表5 冷却液超低冰点测试再现性试验

结论与建议

☆冷却液在-50 ℃左右及以下,由于其试样本身降温缓慢,冰点仪器自动判断超低冰点值并不准确。对于冷却液超低冰点值,可以采用手动方式,利用试样开始结晶的温度进行判断,即将冷却液出现第一个“冰晶”时的温度作为冷却液的冰点。但是由于在低温环境下,冷却液的黏度也逐渐增大,存在着搅拌较困难、开始结晶不明显等现象,所以研究一种自动测试冷却液超低冰点的方法极为关键。

☆研究一种可以自动测试冷却液超低冰点的方法,对冷却液超低冰点测试及研究工作有着重大意义。建议未来探索冷却液超低冰点自动测试方法时,可以考虑利用温度和光电结合的方法,进行冷却液超低冰点性能研究。当试样开始出现结晶时,针对试样的状态变化,利用光反射原理进行冷却液超低冰点的判断,以较准确地判断其冰点值。