基于理想点法的重负荷LNG发动机冷却液的研制

蒋海福 王国民 全嘉榕

摘      要： 针对重负荷液化天然气（LNG）发动机对冷却液的性能要求，采用理想点法对重负荷液化天然气（LNG）发动机冷却液的基础液筛选和分析，由此评价出了研制冷却液的最佳基础液。然后通过玻璃器皿腐蚀试验对缓蚀剂、防锈剂进行优选，研究了缓蚀剂、防锈剂与其他添加剂的配伍性，筛选出缓蚀剂、防锈剂的最优添加量为0.8%～1.6%、0.7%～1.2%;最后对全配方的环境友好重负荷发动机冷却液进行了综合性能测试。通过测试分析和实车验证表明： 其具有良好的抗蚀抗锈、热稳定、抗泡、抑沸、抗冻和阻垢性能，延长使用寿命，冷却效果突出等特点，可满足使用要求。

关  键  词：理想点法;LNG发动机;冷却液;基础液;添加剂

中图分类号：TK264.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）05-0977-06

Abstract： According to the performance requirements of heavy load liquefied natural gas （LNG） engine for coolant， the basic liquid of heavy load liquefied natural gas （LNG） engine coolant was screened and analyzed by ideal point method， and the optimum basic liquid for developing coolant was evaluated. Then the corrosion inhibitor and antirust agent were screened by glassware corrosion test， and the compatibility of corrosion inhibitor， antirust agent with other additives was studied. The optimum dosages of corrosion inhibitor and antirust agent were determined as 0.8% ～1.6% and 0.7%～1.2%. Finally， the comprehensive performance of the whole formula of environmentally friendly heavy load engine coolant was tested. The test analysis and real vehicle verification show that it has the characteristics of good corrosion and rust resistance， thermal stability， anti-foaming， boiling inhibition， anti-freezing and scale inhibition， prolonging service life， outstanding cooling effect and so on， which can meet the requirements of use.

Key words： Ideal point method; LNG engine; Coolant; Base liquid; Additive

随著经济的快速发展，温室气体效应和汽车尾气排放对环境的影响日趋严重，极大推动了清洁能源和新能源汽车的技术进步，尤其是对液化天然气（LNG）发动机的研究。商业运输车辆和大型工程机械车辆正向大吨位、高功率、重负荷等方向发

展[1]。LNG是天然气在常压状态下，经过预处理和系列脱烃、硫等杂质之后，再经温度降到-162 ℃以下，所形成的无毒、无色、无味的清洁液体燃料。LNG具有能量体积密度大、储运性能好、安全性好等特点[2]。与普通的汽油和柴油等液体燃料相比，LNG的优势在于可大幅度减少汽车尾气排放;同时，可降低燃料成本;LNG燃气发动机的冷却系统不同于普通燃料发动机，因为它需要吸收发动机热量将LNG从液态转变为气态燃料供给发动机;重负荷LNG发动机通常需要长时间在接近额定功率状况下运转。因此，重负荷LNG发动机具有强化程度高、工作时间长、载重吨位大、燃烧产生的热量多等特点。

冷却液（Engine cooling fluid）又称防冻液、抗冻液、水箱宝等，其主要作用是确保发动机正常工作运行，是在发动机冷却系统内循环的介质，起到防冻、冷却、防锈、防垢、防腐蚀、改善散热效果，提高发动机效率和延长使用寿命等作用。通常冷却液由于生产厂家不同，而添加不同的颜色，以便观察冷却系统是否泄漏，并与发动机其他油液有所差别，避免混用。目前市场上销售的发动机冷却液通常是乙二醇-水溶液为基础液，添加了不同种类的添加剂，来确保不同种类型号的发动机使用。因为不同使用工况，采用不同的添加剂配方技术，所以导致发动机冷却液形成不同系统的冷却液产品。例如，以巴斯夫（BASF）、GM通用冷却液为代表的有机酸冷却液不含磷、胺、硼、亚硝酸盐的冷却液;以日系冷却液为代表的含磷酸盐和硅酸盐型的冷却液;以复合型欧系为代表的不含胺、硼、磷、亚硝酸盐，含低量的硅酸盐的冷却液系列[3]。

冷却液是保证重负荷LNG发动机正常工作必不可少的工作介质。它能抑制重负荷LNG发动机的相关部件腐蚀或产生的冷却系统内沉积物，为及时使液态LNG转化为气态提供热量，避免其不必要的能源消耗。选择合适的冷却液，既可以减少发动机机能损耗、减少腐蚀与磨损、延长发动机使用寿命，又可以减少对环境的排放污染。因此研制适用的重负荷LNG发动机冷却液十分重要。

在研制过程中，基于理想点法，对冷却液的基础液进行优选，选择出合适的基础液，再通过对其他添加剂种类的筛选，特别是针对性的采用有机酸或者混合有机酸技术，确定了新的重负荷LNG发动机冷却液配方。

1  重负荷LNG发动机主要性能要求

在大多数情况下，重负荷LNG发动机不仅要在重负荷、中低速工况下运行，而且还处于高温、高剪切力、高磨损等环境下。在这类特殊运行工况和运行环境下，重负荷LNG发动机的冷却系统比其它类型发动机的综合性能要求更加苛刻。

（1）防锈蚀与腐蚀性能

由于发动机内部零件采用含有铸铁、黄铜、铸铝等有色金属合金材料制造，重负荷LNG发动机在苛刻的工作条件下，这类金属材料容易发生锈蚀、腐蚀，使发动机的使用寿命大幅度的缩短。因此冷却液必须具有良好的抗腐蚀、防锈蚀性能。

（2）适当的灰分

灰分是指在规定条件下，试样被灼烧炭化后，所残留物经煅烧所得的无机物.灰分一般认为是一些金属元素及其盐类，其测定方法根据SH/T0067 -1991（2006年确认）标准以质量百分数表示。

（3）良好的抗泡和抗气穴蚀性能

LNG发动机在运行过程中，由于受到机体不断产生的震动、泵送和发动机冷却液中所含有的表面活性物质的共同作用，会无法避免地产生大量气泡。极易导致冷却系统的管路中流量减少，使冷却系统的冷却效果下降;同时，由于采用湿式缸瓦冷却方式，缸瓦与气缸壁之间有冷却液存在。当发动机快速运动时，带动缸瓦震動，缸瓦内壁与发动机冷却液接触部分也会产生大量气泡;所产生的气泡随着震动破裂，冲击衬套的表面，产生气穴效应，进而导致金属表面的保护膜被破坏，从而导致局部点蚀和穿孔。因此，要求所研制的冷却液要有良好的抗泡沫性能。

（4）良好的抑沸、抗冻性能

重负荷LNG发动机具有高温度、长时间连续使用等特点，常常会导致发动机内部过热，容易使冷却液沸腾。因此，冷却液必须具有良好抑沸性能，这样才会使发动机冷却液不易沸腾，保持良好的冷却特性[4]。此外，冬季夜间气温下降后，冷却液在低温环境下应不冻霜或结冰，以避免冷却系统的管路受冻爆管和水箱胀裂泄露;同时必须保证发动机可以随时启动正常工作。因此，重负荷LNG发动机应具有抑沸和抗冻性能。

（5）良好的环境友好性能

环保问题是社会大众日益注重的问题，相关法律法规对保护环境提出了更严格的要求。因此，冷却液应具有良好的环境友好性。

2  环境友好重负荷LNG发动机冷却液的研制

2.1  基础液的优选

发动机冷却液的综合性能与基础液有着重要关系。基础液不仅仅是其他添加剂的载体，而且是冷却液的主要部分，在冷却液中所占比例大于90%。通常可选择的冷却液基础液主要是丙二醇、醇醚类、甘油类水溶液和PEG400等材料。为了满足环境友好重负荷LNG发动机冷却液的综合性能要求，需要优选出性能合适的、性价比高的基础液。此外，通过大量的行车试验可知，无水冷却液更适合于重负荷LNG发动机，同时也能较好地满足环保法规要求。

目前，在工程技术领域中，相关工作者已经提出许多具有现实意义的发动机冷却液综合性能评价方法，如层次分析法[5]、 神经网络法[6]、模糊数学法[7]、多属性评价法[8]、理想点法[9]等。由于影响冷却液性能的因素是来自多方面的，多目标的因素评价出最优解在实际应用中是非常困难的。理想点法较好地解决了多因素影响问题，它构造出新的评价函数，可将开始的复杂问题转化为单目标规划问题，通过求解该单目标规划问题就能间接得出开始复杂问题的最近值或最优值[10]。

表1为丙二醇、PEG400的相关理化性质。将丙二醇、PEG400、30%的丙二醇与70%的PEG400复合、50%的丙二醇与50%的PEG400复合进行比较，其基础液基本特性评价如表2所示。

2.1.1  构建基础液理想点目标决策矩阵

设有n个影响评价的多属性目标 ，即 ，并且确定有t个配方方案，记为U。根据多属性目标方案F的方程问题，从而得到配方方案矩阵U：

2.1.7  基础液的筛选结果分析

最后方案评价依次对应的基础液是丙二醇、PEG400、30%的丙二醇与70%的PEG400复合、50%的丙二醇与50%的PEG400复合。则C1>C4>C3>C2，由此可以看出，丙二醇作为基础液更能满足发动机冷却液的性能要求。

2.2  缓蚀剂的选择

在发动机中，与冷却液直接接触的多种类有色金属合金部件较多，对于大多数的有色金属合金部件而言，这将在很大程度上加快有色金属合金部件腐蚀速度，减少其使用寿命。为了确保发动机冷却系统长时间的正常工作，冷却液必须具备很好的防腐蚀能力。因此，为了延长有色金属合金部件的使用寿命，减缓腐蚀速度，需要在冷却液中加入适当的金属缓蚀剂。随着有机酸腐蚀抑制剂技术的不断发展，在发动机冷却液研制中，选择采用芳香酸和脂肪酸。

苯甲酸钠在空气中稳定，易溶于水，其水溶液呈弱碱性，具有杀菌、抑菌功能，常被用作冷却液的缓蚀剂。甲基苯三唑对铜、铸铝、铸铁、钢、锌等金属材料有防蚀作用，可与多种缓蚀剂复合使用，提高缓蚀效果。苯甲酸钠与甲基苯三唑复合使用，具有良好的防腐蚀效果。采用40%～50%的苯甲酸钠与60%～50%的甲基苯三唑复合的缓蚀剂，可以使研制的冷却液满足防腐蚀的性能要求。

采用发动机冷却液玻璃器皿腐蚀测定方法SH/T0085方法进行试验，确定出苯甲酸钠与甲基苯三唑1∶1复合的添加量和考察其对金属试片的影响。试验结果如表3所示。

由图1可知，随着添加量的增加，各金属试片失重质量逐渐趋向平稳，腐蚀的质量逐渐减少。根据图中的曲线变化规律，确定苯甲酸钠与甲基苯三唑复配的合适的添加量为0.8%～1.6%。

2.3  缓蚀助剂的选择

由于重负荷LNG发动机，工况恶劣，工作时间长，对冷却液可靠性和耐久性有十分严格要求。因此，对缓蚀性能提出严格要求。在研制冷却液过程中，需要添加缓蚀助剂来增强缓蚀能力。为了保证冷却液的防蚀性能，通过实验确定采用50%的以精制蓖麻油制取的癸二酸与50%的二乙基乙酸复合作为缓蚀助剂。

2.4  防锈剂的选择

为了减少金属的腐蚀，需要在冷却液中加入防锈剂。其主要机理是在金属表面形成一层致密保护膜，使金属表面与空气、水隔离[13]。T703（十七烯基咪唑啉烯基丁二酸盐）具有良好的酸中和及油溶性能，能在金属表面形成保护膜，对金属如铜、铝及其合金、各种镀层有极好的防锈性能，对其他添加剂有助溶作用。考虑到溶解度方面，T703与T702复合使用作为防锈剂。

T703与T702复合进行玻璃器皿腐蚀试验，试验条件为：恒温88 ℃，空气流量为100 mL/min，实验时间持续48 h，实验结果如表4所示。

由图2可知，随着T703与T702的添加量的增加，各试片的失重趋势逐步向零集中，紫铜、钢、黄铜、铸铝、焊锡腐蚀量逐渐减小，而铸铁失重变化很明显，腐蚀量趋向于零。根据各曲线变化规律，确定T703与T702复合的添加量为0.7%～1.2%。

2.5  消泡剂的选择

冷却液在工作过程中，由于不断泵循环、震荡和受到发动机冷却液中活性物质的影响，就会产生大量的气泡。气泡不仅会阻碍冷却液流动，而且还会导致传热性能下降，甚至还可能加剧气穴腐蚀，损坏气缸壁和水箱壁。严重时，使水泵不能正常工作。因此，添加适当的消泡剂是非常重要的。二甲基硅油具有良好的化学稳定性、电绝缘性、疏水性好，并具有较高的抗剪切能力，可在-50～200 ℃下长期使用，可直接用于防潮绝缘、阻尼、减震、消泡、润滑等方面，被广泛用于作消泡添加剂。添加50～100 ppm的二甲基硅油到研制的冷却液中，能满足冷却液对消泡性能的技术要求。

2.6  阻垢分散剂和储备碱度（RA）的选择

冷却液中通常存在有钙、镁等离子，易导致冷却系统内表面产生水垢。由于水垢导热性较差，还会导致冷却系统管路变窄。因此，水垢会严重影响冷却系统传热效果。加入阻垢分散剂，可以使水垢分散成微小的颗粒不易结垢。研究中采用氨基三亚甲基磷酸，可以获得满意的效果。此外，冷却液还常要求有一定的儲备碱度，将根据有机酸的溶解度采用浓度45%氢氧化钾溶液。

2.7  染色剂的选择

为方便显示冷却系统泄露的具体位置，一般要求冷却液具有比较醒目的颜色。研究中采用带荧光绿色的染色剂。

3  研制的冷却液的性能测试

对制作出了一种新型的环境友好重负荷LNG发动机冷却液，进行相关实验测试，其主要的技术指标如表5所示。

4  结 论

（1）针对环境友好重负荷LNG发动机的工作环境和特点，基于理想点法，对环境友好重负荷LNG发动机冷却液的组分进行筛选，选出了以丙二醇作为基础液，研发出相应添加剂配方，研制的冷却液具有良好的抗蚀抗锈性、热稳定性、抗泡沫性、

（2）通过实验对冷却液相关性能的检测结果表明：基于理想点的环境友好重负荷LNG发动机冷却液的配方技术是可行的，并且在实车运行试验中取得良好效果。

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