冷却液变黑问题原因分析

商中伟

(北汽集团越野车有限公司，北京 101300)

0 引言

随着发动机性能的提高, 现代汽车均采用封闭式的冷却系统。由于汽车在行驶时, 发动机内部燃料的燃烧以及运动部件之间的摩擦会产生大量的热量, 使零件受热, 特别是直接与燃烧气体接触的部位温度更高, 因此, 为了保证发动机的正常运转,延长使用寿命, 需要冷却系统中的传热介质——冷却液将热量传递到散热器, 以保持发动机内部温度的最佳状态。冷却液的发展, 经历了从水到甲醇、乙醇, 再到现如今广泛使用的乙二醇作为防冻剂的阶段, 其在一定浓度范围内大大降低了水的冰点[1]。

汽车冷却液系统是汽车油液循环中较复杂的，所用管件的材质有EPDM(三元乙丙橡胶)、VMQ(硅胶)、PP(聚丙烯)、AL(铝)、PA66+GF30(尼龙+30%玻纤)、HT250(灰铸铁)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(铝合金)等材料，它们和冷却液共同存在于高温、高压环境中，因系统同时涉及动力、底盘、电器等多个部分，所以一旦其中某种材料出现问题就很难排查。

2018年9月30日，北汽越野车试验部反馈B40L-G01的4台试验车(LNBRCFBK0JB020693、 LNBRCFBK8JB020697、LNBRCFBH8JB236909、LNBRCFDK2JB020675)全部出现冷却液变黑现象。当时车辆正在进行PT和可靠性试验，行驶里程都在5000～8000 km。 冷却液外观如图1所示。将变黑冷却液排掉，冲洗循环系统两遍，加注新冷却液，继续进行路试。车辆行驶1000 km后，冷却液变黑现象复现。

图1 冷却液变黑照片

1 原因分析

总体分析思路按照图2 鱼骨图进行。

图2 冷却液变黑鱼骨图

1.1 冷却液变黑原因设想

冷却液循环系统的结构图如图3所示，水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环。包括水泵、散热器、节温器、膨胀水壶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附加装置。发动机冷却分为大循环和小循环，通过节温器进行调节。当发动机冷启动的时候，冷却液温度较低，此时冷却液只在发动机内部循环，不经过散热器，使发动机的温度较快地升到其工作温度，当发动机工作一段时间后，温度达到一定温度后，冷却液开始进行大循环。

图3 冷却液循环系统结构

上述过程中较热的冷却液(80～100 ℃)会和冷却系统各个零部件接触，这些零部件包含EPDM(三元乙丙橡胶)、VMQ(硅胶)、PP(聚丙烯)、AL(铝)、PA66+GF30(尼龙+30%玻纤)、HT250(灰铸铁)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(铝合金)等多种材质，可能存在与冷却液不匹配的材料，导致其变黑[2-5]。

目前所有车型上使用的冷却液都是某厂家的全有机型乙二醇冷却液。虽然有机酸型汽车防冻液对环境的保护功能非常显著，对汽车防冻液的研发进程非常有利，使用以后能够利用微生物的降解作用保护并绿化环境[6]。但是如果配方设计有问题，添加剂或颜料不稳定就有可能带来不可预知的后果。

试验过程中是按照正常保养手册的要求进行维护保养的，保养不当可能导致杂质混入而造成冷却液变黑。零部件在包装、运输、储存、装配过程中因操作或处置不当有可能导致杂质混入，从而引起变黑[7-10]。

1.2 冷却液变黑原因调查

对冷却循环系统各零部件的包装、运输、储存、装配过程进行了调查，发现冷却循环系统的各零部件在运输、储存、装配过程中符合相关标准和操作规范要求，未发现异常现象。通过与现场试验工程师的交流以及保养记录的查询发现：上述4辆车的行驶里程还未到冷却液的更换里程，未对冷却液进行过保养和其他处理。

1.2.1 冷却液自身问题验证

测试变黑冷却液的常规理化性能指标，结果见表1。

表1 冷却液常规理化指标检测结果

由表1可知冷却液本身各常规指标都在要求范围内。对变黑冷却液和新冷却液进行元素分析，结果见表2。

表2 变黑冷却液和新冷却液元素检测结果 mg/kg

表2(续)

由表2可知，钠、钾、磷含量出现了较大变化，硅含量略有变化。分析认为硅含量变化可能是管路灰尘、水套沙模残留的沙子引起的，钠、钾、磷三种元素可能是发动机热试液残留引起的。从元素分析中未找到能使冷却液变黑的原因。

1.2.2 冷却液循环系统管路验证

橡胶管件属于化学制品，且冷却液中常有橡胶气味，所以考虑橡胶的加工过程、添加剂等因素。排查橡胶管与冷却液的匹配性有无异常，取新橡胶管，材质为EPDM(三元乙丙橡胶)10 cm，浸泡到新冷却液中，并放在80 ℃的环境中168 h，观察有无异常现象，见图4。通过图4发现冷却液外观无异常现象产生。

图4 橡胶管与冷却液相容性试验

对车辆循环系统各主要管件进行拆解，并检查状态，如图5所示。检查后发现各橡胶管状态正常，异味较大，而且黑色钢管内有黑色碎渣。钢管内有黑色漆类物质，并且出现剥落现象，如图6所示。

图5 循环系统主要管件

图6 发动机组合出水管剖切面

2 试验验证

对发动机组合出水管和发动机进水钢管调查，底盘部产品工程师为保证发动机舱内外观颜色统一，要求供应商对这两根钢管进行了电泳处理。电泳时没有合适的工装密封管口，导致两根钢管内壁距离管口长度约14 cm长度也同时被电泳处理。

取新的发动机组合出水管和发动机进水钢管进行剖切，见图7。由图7可以看出钢管内有黑色电泳漆存在，将其放入到新冷却液中并在105 ℃下保温一定时间。试验进行到144 h时，1号烧杯完全变为黑色，2号空白样颜色略微发深，见图8。将钢管切片取出后观察外观，见图9。

图7 发动机组合出水管、发动机进水钢管剖切

图8 冷却液和钢管切片匹配试验

图9 刚从冷却液中取出的钢管切片

由图9可以看出钢管切片上的黑色电泳漆出现严重的溶解现象，轻刮出现明显划痕(图9中画圈部位)。试验前后钢管状态对比见图10；取出钢管切片后的冷却液状态见图11。

图10 试验前后效果对比

图11 试验后冷却液状态

经过验证试验，本次4台试验车冷却液变黑原因是发动机组合出水管和发动机进水钢管上的黑色电泳漆，在高温、高压冷却液的浸泡、溶解、冲刷、剥离等作用下未充分交联固化的电泳漆返溶，黑色颜料脱落导致的。

3 结论及建议

本次试验车冷却液变黑现象是由发动机组合出水管和发动机进水钢管内腔表面涂装了黑色电泳漆，在高温高压冷却液的浸泡、溶解、冲刷、剥离等作用下，使电泳漆树脂、颜料等物质混入到冷却液后造成的。建议取消进水管和出水管的电泳涂装环节，直接装配即可[11-14]。

发动机冷却液在使用过程中，一般都要求加入一定的着色剂，使冷却液具有醒目的颜色。这样在冷却系统发生故障时，通过观察冷却系统外部管路就能容易判断出渗漏发生的位置[15]。冷却液颜色虽然看似用处单一，但循环系统的各零部件问题可能首先通过冷却液颜色表现出来，所以定期观察冷却液的外观至关重要，建议将冷却液外观列为路试试验的日常监控指标。