有机酸型重负荷汽车发动机冷却液的研制

2019-11-26蔡淑红李占强谭凯锋刘波涛

山东化工 2019年21期

姜燕，蔡淑红，李占强，李杰，谭凯锋，刘波涛

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056027)

重负荷发动机是指允许在接近或等于最大输出功率的情况下连续运行的内燃发动机，已广泛应用于交通运输、电力、工程及军事等众多领域[1-2]。

重负荷发动机在结构设计、工作条件等方面具有输出功率大、产生热量大、工作条件差、工作频率高等特点，最主要的是大部分重负荷汽车发动机使用湿式套缸，套缸外表面与冷却液直接接触，工作中振动频繁且剧烈，极易导致套缸发生气穴腐蚀，严重时还会出现穿孔现象[1]。因此，重负荷发动机对冷却液的性能，尤其是缓蚀性能，要求极为严格。

重负荷发动机冷却液通常由水、防冻剂、缓蚀剂、阻垢剂、消泡剂、着色剂等添加剂组成。其中，缓蚀剂是重负荷发动机冷却液最核心部分，它能有效防止缸套气穴腐蚀和穿孔的发生。

目前，缓蚀剂主要分为两类，即无机盐型缓蚀剂和有机酸型缓蚀剂。无机盐型缓蚀剂在金属表面生成钝化膜，从而达到保护金属的作用，但该类缓蚀剂消耗速度快，需定期补充添加剂。有机酸缓蚀剂是通过吸附在金属表面来改变其电化学性质，来达到防止金属腐蚀效果的，其消耗速度较无机盐型缓蚀剂要缓慢很多，使用过程中无需补充添加剂，具有安全、长效、腐蚀抑制性能优异的优点。

本文通过对防冻剂、缓蚀剂、阻垢剂等添加剂种类的筛选，制备了一种具有优良防冻、防腐性能，且安全长效的重负荷汽车发动机冷却液。

1 试验部分

1.1 试剂及设备

乙醇(分析纯，95%)，全自动发动机冷却液冰点测试仪(FDY-0471，长沙富兰德实验分析仪器有限公司)，沸点试验装置，发动机冷却液腐蚀测定仪(DFYF-173D大连分析仪器厂)，铝合金传热面腐蚀测定仪(SX0620长沙首煊分析仪器公司)，20k超声波声化学设备(YPS17D-ZB杭州成功超声设备有限公司)。

1.2 冰点的测定

称取试样(75～100)mL于冷却管中，温度计插入深度为水银球底距冷凝管约60 mm，并用搅拌器将其套在中间，冷凝管放入冷浴内降温并打开搅拌开关；单臂试管取少量试样冷却备用。当温度比预期冰点高(0.5～1)℃时，用小勺从单臂试管中取一小块晶体放入冷却管中引导结晶，试验结束后，观察温度曲线并记录试样冰点[3]。

1.3 沸点的测定

将经过校正的温度计插入烧瓶的侧口中，插入的深度以水银球距烧瓶底部的中心6.5 mm为准。温度计与烧瓶侧口可用一小段橡胶管套上，形成密封，避免漏气。量取60 mL试样倒入烧瓶中，再放入三、四粒沸石。将清洁、干燥的冷凝管插入烧瓶中，并将它们放在垫有石棉网的喷灯或电加热器上，冷凝管的上部用夹子固定在铁支架上，在冷凝管的进、出水口分别接上乳胶管，并使冷凝管夹层充满水。

当以上准备工作完成之后，即可进行加热。调节加热速度，使试样在10 min之内达到沸腾。沸腾之后，缓慢地降低加热强度，使其在10 min之内回流速流达到每秒1～2滴。仔细观察回流速度，在保持规定的回流速度2 min后，再读取温度。同时，记录所观测到的温度和试验时的大气压力，并计算式样沸点[4]。

1.4 缓蚀性能测试

1.4.1 玻璃器皿腐蚀试验[5]

将发动机冷却系统使用的紫铜、黄铜、碳钢、铸铁、焊锡和铸铝六种典型金属试片，称重后连成试片束，然后完全浸没在750 mL、空气流量为(100±10) mL/min的试样中，高沸点冷却液和防锈剂在(88±2)℃，低沸点冷却液在(71±2)℃下试验(336±2) h。试验结束后取出试片，经清洗处理后再次称重，以校正后的试片试验前后质量变化值评价腐蚀。

1.4.2 铸铝合金传热腐蚀试验[6]

将铸铝合金试件称量，之后将试件的试验面浸在发动机冷却液试样中，用空气对试样施加压力，将试件在135℃±1℃下恒温168 h，试验结束后将试件进行清洗处理后再次称量，以校正后的试件质量变化值评价腐蚀。

1.4.3 振动空蚀试验[7]

试件在105℃烘箱中干燥恒重后，将其安装到设备中，开启设备和计时器。设备变频器采用20 kHz超声传感器，试验溶液温度为60℃，试验时间为8～12 h。试样结束后，取出试样，清洗后放入烘箱中在105℃下烘干恒重后称重，并计算该试验溶液的缓蚀率。

2 结果与讨论

2.1 防冻剂的选择

目前，常用的防冻剂主要有甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇和丙三醇等有机低碳醇类。

甲醇和乙醇在有机低碳醇类中降低冰点的效果最好，但其沸点低、闪点低，易挥发、易着火，且甲醇毒性大；丙三醇沸点高、闪点高、毒性低，但其粘度大，不易散热，且加热时易分解为酸性物质，加速金属腐蚀；乙二醇沸点高、闪点高、粘度适中、挥发性小、原料来源广且价格低廉，但具有一定毒性；丙二醇除具备乙二醇上述优点外，还兼具毒性低、易生物降解等优点，但价格较高[8]。

因此，综合考虑，本研究选择乙二醇作为本冷却液的防冻剂。

当乙二醇含量不同时，冷却液的冰点和沸点也不同。不同乙二醇含量的冷却液对应的冰点和沸点如图1所示[7]。

图1 乙二醇水溶液的冰点和沸点

2.2 缓蚀剂的选择

有机酸型缓蚀剂兼具抑制腐蚀、长效、环保等优点，综合性能优于无机盐型缓蚀剂。

常用的有机酸型缓蚀剂有三唑类、芳香酸盐类、脂肪酸盐类等[9]。众所周知，三唑类是铜系金属的特效缓蚀剂；苯甲酸、肉桂酸等多种芳香酸的盐类都可作为有机酸型缓蚀剂使用，其中苯甲酸钠是一种最常用的芳香酸盐类缓蚀剂，它对碳钢、铸铁、焊锡和铸铝都有很好的腐蚀抑制作用，且安全无毒；脂肪酸盐中5个以上C原子的一元羧酸盐和二元羧酸盐都具有缓蚀作用。

本研究选择三唑类、芳香酸盐和有机酸盐进行缓蚀性能实验。在其它试验条件不变的情况下通过改变缓蚀剂的添加量进行玻璃器皿腐蚀试验和铸铝合金传热腐蚀试验，试验结果如表1～3。该体系不仅缓蚀效果好，还具有长效、环保等优点。

表1 缓蚀性试验结果

表1(续)

由表1可以看出，芳香酸盐浓度增加后缓蚀性能有所增加，但不明显，芳香酸盐在0.5%和0.8%浓度条件下的缓蚀性能接近，故芳香酸盐浓度选择0.5%。继续对有机酸盐A和有机酸盐B的浓度进行优化。

表2 缓蚀性试验结果

由表2可以看出，当有机酸盐A浓度达到3.0%时，缓蚀效果明显好于浓度为2%和2.5%时，故有机酸盐A浓度选择3.0%。继续对有机酸盐B的浓度进行优化。

表3 缓蚀性试验结果

由表3可以看出，当有机酸盐B浓度为0.2%和0.5%时，缓蚀变化不大，但当其浓度升至1.0%时，缓蚀效果反而变差，故有机酸盐B浓度选择0.2%。

综上所述，本研究有机酸型缓蚀剂配方为三唑类0.02%、芳香酸盐0.5%、有机酸盐A3.0%及有机酸盐B0.2%。

2.3 性能测试

表4 重负荷汽车发动机冷却液性能测试结果

通过对抗冻剂和缓蚀剂的筛选，确定了有机酸型重负荷汽车发动机冷却液的配方。在该冷却液配制过程中，首先将水和乙二醇混合均匀，然后加入缓蚀剂，并用饱和氢氧化钠溶液将pH值调至7.5～11，之后加入消泡剂和染料等添加剂得到成品。按照GB 29743-2013的指标要求及方法对-45℃重负荷发动机冷却液进行了性能测试。另外，本研究还根据GJB 6027-2007《舰船柴油机冷却液规范》中振动空蚀指标要求对本冷却液配方进行了测试，该指标能更加充分地体现重负荷冷却液对气穴腐蚀的抑制效果。试验结果如表4。