重负荷发动机冷却液的研制和性能评价

摘要：概述了重负荷发动机的特点和其冷却液的标准，利用正交设计试验，研究各添加剂的玻璃器皿腐蚀性能，然后进行因子最佳水平分析和因子重要性分析，确定每种添加剂对各种试片防腐蚀效果最好的剂量值以及找出对每种试片试验结果影响最大的添加剂。按照上述试验结果调制重负荷发动机冷却液，具有良好的超声波气穴腐蚀性能，同时满足GB 29743-2013中各项性能指标要求。

关键词：重负荷；冷却液；腐蚀；气穴

中图分类号：TE626.3文献标识码：A

Development and Performance Evaluation of Coolant for Heavy Duty Engine

ZHU Tian-yi， CHENG Liang， YANG Chuan-fu， LIU Xiao-lei， LIU Gong-de，

ZHU Jiang， SUN Xiao-ting， LAN Yi

（PetroChina Dalian Lubricating Oil R&D Institute， Dalian 11632， China）

Abstract：In this paper， the characteristics of heavy duty engine and the standard of its coolant are summarized. By using orthogonal design test， the glassware corrosion performance of various additives is researched， and then the factor optimally level analysis and factor importance analysis are proceeded. It is determined that the best dose for anti-corrosion effect of various test pieces by every additive， and the additive with the most influence to test results of every test piece is found out. According to aforementioned test results， the heavy-duty engine coolant is prepared with favorable ultrasonic cavitation corrosion performance， also it could satisfy the various performance index of GB 29743-2013.

Key words：heavy-duty； coolant； corrosion； cavitation

0引言

重负荷发动机是指长期在接近额定功率条件下运转的发动机，重负荷发动机强化程度高、气缸最高燃烧压力高、输出功率大、燃烧产生的热量多，因而通过冷却液散发的热量大（通常占柴油燃烧所产生的热量的1/3）；同时由于重负荷发动机采用的是湿式缸套――即发动机的气缸壁与冷却液直接相连，振动频繁且剧烈，容易导致缸套发生气穴腐蚀，甚至穿孔。同时，重负荷发动机工作环境严苛、负荷大，可靠性及耐久性要求高，这些条件都对发动机冷却液提出了更高的要求。本研究的目的是通过正交设计试验，研究各种添加剂的防腐蚀性能，并通过因子最佳水平分析和因子重要性分析，确定各种添加剂的最佳配比，并最终确定出重负荷冷却液配方，调制的重负荷冷却液满足国标GB 29743-2013中规定的性能要求。

1重负荷发动机冷却液产品质量指标

GB 29743-2013标准对重负荷发动机冷却液提出了亚硝酸根和钼酸盐的离子浓度限制，有以下两种方案，一种方案为亚硝酸盐，另一种方案为亚硝酸盐和钼酸盐的混合物，满足其中任意一种方案即可达到减少穴蚀的目的，小于最小加入量将不会对发动机提供长期的缸套穴蚀保护作用。ASTM协会正在制定关于气穴腐蚀和热表面锈蚀的试验方法，两个标准正式颁布后，将取消亚硝酸根和钼酸根离子浓度的限制。其元素限制要求见表1。

2研制部分

2.1基础液的选择

乙二醇黏度适中，毒性小，有良好的降低冰点性能，得到广泛应用，所以采用乙二醇为基础液。常用的自来水有大量的钙、镁等金属离子，还有硫酸根等阴离子，阴阳离子相结合，会产生大量的水垢，降低传热效率，所以必须采用去离子水来调合冷却液。

2.2配方开发及筛选

重负荷发动机冷却液的添加剂主要是各种缓蚀剂，常用的缓蚀剂可以分为有机型和无机型，其中无机型缓蚀剂包括硼砂、硅酸盐、硝酸钠、磷酸钠、钼酸盐、亚硝酸盐等，其中亚硝酸盐和钼酸盐互配可以有效防止缸套气穴腐蚀，钼酸盐可以对铝合金腐蚀提供良好的保护，磷酸盐、硼砂、钼酸盐任意互配，可以防止铸铁和铸铝腐蚀，无机型缓蚀剂由于成本低，防腐蚀性好，所以得到广泛应用，但是它们有各自的缺点，例如：硅酸盐不稳定，磷酸盐在较高硬水的情况下容易产生沉淀，亚硝酸盐是致癌物，不环保等等。有机型缓蚀剂有着使用寿命长、消耗慢、防腐蚀效果好等优点被广泛认可，主要有癸二酸、二乙基己酸、辛酸、壬酸等，一般认为碳原子为4以上的一元酸和碳原子为6以上的二元酸都具有缓蚀作用，但是脂肪二元酸对铝的局部腐蚀作用不佳，缺点也较明显，生产调配比较麻烦，成本较高。

为了更全面、更系统地研究配方中各种添加剂的玻璃器皿腐蚀性能，采用正交试验法对冷却液配方中常用添加剂进行评价。首先确定各主要添加剂的种类和剂量，由于重负荷冷却液中钼酸盐及亚硝酸盐等防腐蚀添加剂的引入，正交试验中适当降低了防冻液中其他添加剂的剂量。

采用冷却液配方体系常用的七种添加剂，每种添加剂三种剂量（A1、A2、A3、B1、B2、B3...），按照表2 L18（3.7）正交设计试验表来调制重负荷发动机冷却液，每一组配方都进行玻璃器皿腐蚀试验。

试验结果表明，经正交设计试验，得出的重负荷发动机冷却液配方，调制重负荷发动机冷却液在玻璃腐蚀试验中表现出较好的防腐蚀性能，满足产品质量指标要求。

上述重负荷发动机冷却液，进行铸铝传热腐蚀试验，结果为0.4 mg/cm2，满足并远低于GB 29743-2013标准的指标±1.0要求。试验后试块见图2。

2.3铝泵气穴腐蚀台架试验和模拟使用腐蚀台架试验

经正交设计试验，得出的重负荷发动机冷却液配方，调制重负荷发动机冷却液进行铝泵气穴腐蚀台架，评级为9级，通过GB 29743-2013标准中的指标要求，试验后铝泵气穴腐蚀图见图3。

上述重负荷发动机冷却液进行模拟使用腐蚀试验，其试验结果见表11，满足并远低于GB 29743-2013标准的指标限值要求。

2.4超声波气穴腐蚀性能试验

气穴腐蚀是重负荷发动机冷却系统发生故障的主要因素之一。气穴腐蚀是指由于车辆的行驶以及活塞的往复运动，气缸套与冷却液发生剧烈的碰撞，在其表面形成大量气泡，气泡在振动中受压破裂，产生冲击波，对金属材料表面形成一束巨大的冲击力在缸套表面形成穴蚀凹坑。如果穴蚀严重，会造成气缸套穿孔，冷却液会进入燃油系统，影响整个发动机的使用寿命，所以重负荷发动机冷却液气穴腐蚀性能研究是十分重要的，其中图4显示出冷却液对发动机缸套发生穴蚀的部位，图5为穴蚀形成图，从左到右依次为冲击、挤压，破裂，穴蚀。

为模拟重负荷发动机在使用过程中发生的气穴腐蚀现象，参照ASTM G32《用振动装置测量气穴腐蚀的标准方法》以及国家专利（CN101135633A）《发动机冷却液抗振动穴蚀评价装置》，实验室设计了一台超声波气穴腐蚀试验仪。

使用设计出的超声波气穴腐蚀试验仪，改变仪器的试验参数，最终确定试验温度为80 ℃，试验时间8 h。试验设备具有良好的区分性与重复性，能满足重负荷发动机冷却液抗穴蚀性能的研究。 试验装置见图6，铸铁试块试验8 h前后对比图见图7。

设计调制几组重负荷发动机冷却液，进行超声波气穴腐蚀试验。样品1是经过正交设计试验得出的性能最优配方所调制的重负荷发动机冷却液，样品2和样品3以及样品4是其他品牌重负荷发动机冷却液，进行超声波气穴腐蚀试验，试验结果如表12所示。

结果表明，经过正交设计试验得出的性能最优的重负荷发动机冷却液，具有良好的防气穴腐蚀性能，优于其他品牌重负荷发动机冷却液。

3结论

利用正交设计试验，进行玻璃器皿腐蚀性能研究，然后进行因子最佳水平分析和因子重要性分析，确定每种添加剂对各种试片防腐蚀效果最好的剂量值以及找出对每种试片试验结果影响最大的添加剂，按照正交设计试验分析结果调制重负荷发动机冷却液满足GB 29743-2013中所有性能指标要求，且有较好的防超声波气穴腐蚀性能。

参考文献：

[1] 张春辉，张凯蛟，李万英，等.发动机冷却液抗振动穴蚀性能评价装置：CN，101135633A[P].2008.

[2]周建军，李庆年，冷观俊，等.汽车冷却液[M].北京：化学工业出版社，2003.