汽车冷却系统黑色异物的成分分析及来源探究

刘帮毅，高朝乾，陈磊

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

引言

汽车的冷却系统干系重大，冷却系统的性能好坏直接关系到发动机的工作效率。所以对于冷却系统的研究一直饱受汽车技术部门的重视。

目前常用的汽车冷却系统主要分为液冷和气冷，对于液冷而言，保证冷却系统内的清洁是保证冷却系统冷却效率的基础。

本文研究了出现在某A，某B汽车冷却壶内的黑色异物，这种异物随着时间的积累沉积在冷却系统管路中，对冷却系统存在着不可估量的潜在威胁。这种异物在更换冷却液和清洗冷却系统管路后，2天内仍然会再次出现。且2.4 L发动机中出现的较少。

本文旨在将上述黑色异物的组成分析清楚，寻找这种黑色异物的来源和形成机理，以便能够对它的产生实施控制，从而保证冷却系统的稳定及发动机工作效率的稳定，意义重大。

1 分析数据与结果

1.1 黑色颗粒的红外光谱

图1是黑色异物的红外光谱图。

由图1可以看出，它的出峰与环氧树脂有着相似的出峰[1]。

图1 黑色异物的红外光谱图

1.2 黑色异物的SEM-EDS谱图

由杜邦公司测试的黑色异物的SEM-EDS谱图如图2所示[2-4]。

由索尔维测试的黑色异物的SEM-EDS谱图如图3所示。

通过上述两家公司的测试结果，我们可以看出样品中的微观结构尺寸在200 μm左右，主要由Al、Si、Fe、F等元素组成。

由于颗粒数量比较少，从冷却液里获取的颗粒，无法进行清洗，容易碎，故而颗粒表面吸附有冷却液的主成分乙二醇，这应该是C、O等元素的主要来源。

2 黑色异物的来源分析

2.1 汽车冷却系统简介

汽车冷却系统示意图如图4所示。

由图中可以看出，黑色异物有下列六种可能的来源：

1）冷却液物质析出。

2）加工过程引入的焊钎料导致。

3）发动机台架引入的颗粒。

4）金属表面电泳涂层脱落。

5）冷却系统对金属腐蚀形成的副产物。

图2 杜邦测试黑色异物的SEM-EDS谱图

图3 索尔维测试黑色异物的SEM-EDS谱图

图4 汽车冷却系统示意图

图5 钎焊剂的红外谱图

6）冷却液与橡胶管路化学反应形成的副产物析出。

本文将对上述六种可能的来源途径，做一一验证。

2.2 冷却液的成分解析及对黑色异物形成的影响

表1为冷却液成分解析结果，表2与表3为新旧冷却液的XRF测试结果，可以看出，冷却液中不含有Al、Si、Fe、F等元素。所以黑色异物应该不是由冷却液析出导致。其中，铜元素、硫元素为仪器自带元素，用过的冷却液比全新的冷却液多出了钾元素。

表1 冷却液的成分解析结果

表2 全新冷却液的XRF分析结果

表3 用过冷却液的XRF分析结果

2.3 钎焊剂的成分分析及其对黑色异物形成的影响

图3为钎焊剂的红外光谱图，可以看出，钎焊剂的主要成分为氟铝酸钾。其中的氟元素和钾元素与黑色颗粒的氟元素相对应，可以认为黑色异物的形成与钎焊剂有着莫大关系。

2.4 发动机台架的成分分析及其对黑色异物形成的影响

图6为发动机台架的EDS测试结果，由图中可以看出其中含Fe、Al、Si等元素，与黑色异物的元素组成及其吻合，这就说明，发动机的台架可能是黑色异物的来源之一。

2.5 金属件表面脱落涂层分析及其对黑色异物形成的影响

发动机补水管总成和暖风出水管组件均有黑色电泳漆涂装，表4列举了该电泳漆的配方组分，该电泳漆涂装的基础树脂为聚酰胺改性的环氧树脂及改性的聚酯树脂。这就佐证了黑色异物的红外谱图，这说明黑色异物的形成有金属件表面涂层脱落的嫌疑。

表4 电泳漆的组分列表

2.6 冷却系统金属腐蚀及其对黑色异物形成的影响

表5为冷却系统中的金属缸体的元素分析[5]，其中可以看到，硅含有相当的含量，这与黑色异物的元素分析能够对应起来，另一个金属件是机油冷却器，它的材质为铝合金，含有相当量的铝元素，也能与黑色异物的元素分析结果相对应。

图6 发动机台架的EDS测试结果

表5 金属缸体的元素分析列表

2.7 冷却液与橡胶化学反应析出异物的实验

表6列举了冷却系统中用到的各种橡胶管在经过冷却液浸泡后质量和硬度的变化，图7为浸泡在冷去液中的各种橡胶管，可以看出虽然浸泡前后，橡胶管质量有变化，但是并不能看到在冷却液中形成黑色异物颗粒，所以冷却壶中的黑色颗粒应该与冷却液与橡胶的化学反应没有关系。

表6 橡胶制品经过冷却液浸泡前后的变化

2.8 综合分析

综合上述分析可以得出以下结论：

图7 橡胶制品在冷却液中的图像(120 ℃×168 h)

1）黑色异物主要含有Fe，Al，Si，氟化物及含有聚酰胺固化剂的环氧树脂；

2）黑色异物与提供的发动机台架磨损产生的杂质颗粒有“相似”；

3）Fe，Al，Si元素的来源可由机油冷却器，进出水管（钢）发生腐蚀所致；

4）氟化物推测为钎焊剂与冷却液接触反应所致；

5）环氧树脂推测来至于水管电泳涂层的脱落。

3 结论

通过对黑色异物的组成分析，找到了这种黑色异物的来源和形成机理，以便能够对它的产生实施控制，保证冷却系统的稳定及发动机工作效率的稳定，为后续汽车冷却系统的研发和改进提供参考。