張衛(wèi)星，許阿妮，田遠，吳靈彥

(1.一拖(洛陽)潤滑油有限公司，河南洛陽 471003；2.一拖集團有限公司能源分公司，河南洛陽 471003)

發(fā)動機水箱的故障分析

張衛(wèi)星1，許阿妮1，田遠1，吳靈彥2

(1.一拖(洛陽)潤滑油有限公司，河南洛陽 471003；2.一拖集團有限公司能源分公司，河南洛陽 471003)

分析發(fā)動機水箱產(chǎn)生故障的常規(guī)原因。采用實境模擬，重現(xiàn)在通電或者有電位差的環(huán)境下，發(fā)動機冷卻液與電感式液位傳感器的相互作用。在此環(huán)境下，電位差會誘發(fā)鐵銹并吸附發(fā)動機冷卻液中的極性添加劑使其從發(fā)動機冷卻液中析出，造成導電能力下降，從而導致儀表報警。只有使用機械式液位傳感器或者使用添加了非常規(guī)添加劑的發(fā)動機冷卻液，才能避免類似故障。

發(fā)動機水箱；故障；發(fā)動機冷卻液；通電環(huán)境；電感式液位傳感器

0 引言

水箱是水冷式發(fā)動機的重要部件，目前拖拉機和汽車水箱材質(zhì)主要為銅或鋁，結(jié)構(gòu)形式通常為管帶式，由波紋狀散熱帶和冷卻管相間排列經(jīng)焊接而成。由于難以一體加工成形，因而材料中含有銅、鋁、鋼、鐵、錫其中的幾種或多種，如果使用冷卻介質(zhì)不當，極易產(chǎn)生水箱堵塞、滲漏或者其他故障[1]。水箱冷卻介質(zhì)目前為止主要是乙二醇型輕負荷發(fā)動機冷卻液。乙二醇型發(fā)動機冷卻液主要由防凍劑乙二醇、水、適合的防腐蝕添加劑、消泡劑及染料組成[2]。如使用濃縮液進行稀釋時，應該使用去離子水或蒸餾水，使氯含量和硬度達到相應要求。

2015年，作者接觸的汽車出現(xiàn)數(shù)起發(fā)動機水箱故障事件，與平常發(fā)生的水箱故障不一樣。平常水箱故障主要為水箱水垢堵塞、冷卻介質(zhì)腐蝕水箱造成水箱泄漏、水箱焊接問題。這幾起故障并非上述問題，而是更換發(fā)動機冷卻液后出現(xiàn)液位傳感器失靈。分析這一起非常規(guī)情況下的水箱故障原因，對于了解發(fā)動機冷卻液的使用環(huán)境、改進發(fā)動機冷卻液使用性能具有重要的實際意義。

1 問題分析

發(fā)動機水箱故障多種多樣，經(jīng)分析，造成故障的原因有以下幾種：發(fā)動機冷卻液的質(zhì)量問題、發(fā)動機水箱的原因、用戶自身使用的問題、發(fā)動機冷卻液和發(fā)動機水箱部件的配伍問題。

1.1 發(fā)動機冷卻液質(zhì)量分析

根據(jù)汽車維護人員描述，故障汽車加入某一品牌的-25 ℃LECⅡ發(fā)動機冷卻液(簡稱發(fā)動機冷卻液1)后不久，即出現(xiàn)發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)、警報閃亮的情況。初步分析，可能為該品牌發(fā)動機冷卻液的質(zhì)量問題造成了汽車液位傳感器的故障。發(fā)動機冷卻液有一項重要的指標為玻璃器皿腐蝕試驗，如果指標不合格，將會造成對發(fā)動機水箱銅、鋁、鋼、鐵、錫部件的腐蝕，造成生銹和沉淀，和故障中的液位傳感器腐蝕和沉淀現(xiàn)象相符合。

經(jīng)過協(xié)商，為故障汽車更換另一知名品牌的-25 ℃LECⅡ發(fā)動機冷卻液(簡稱發(fā)動機冷卻液2)進行試驗。經(jīng)過車輛持續(xù)運行，液位傳感器和發(fā)動機均正常運轉(zhuǎn)，并未發(fā)生上述問題。由此試驗結(jié)果排除了發(fā)動機水箱自身的原因。

經(jīng)過對兩種品牌的發(fā)動機冷卻液進行取樣和檢驗，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 兩種發(fā)動機冷卻液的性能參數(shù)

根據(jù)與GB 279743-2013[3]質(zhì)量標準對比：兩種品牌的發(fā)動機冷卻液符合標準，玻璃器皿腐蝕實驗中發(fā)動機冷卻液1性能反而略微優(yōu)于發(fā)動機冷卻液2。說明兩種發(fā)動機冷卻液均滿足發(fā)動機水箱一般常規(guī)要求。

1.2 用戶原因分析

故障汽車液位傳感器經(jīng)過短時間使用后，液位傳感器一端發(fā)生銹蝕，且上面附著一層淡黃色類似水垢的固體物質(zhì)，明顯未達到發(fā)動機冷卻液更換周期發(fā)動機冷卻液防腐蝕功能就已經(jīng)失效。故障汽車所用液位傳感器如圖1所示。

圖1 汽車液位傳感器

在這起問題中需要排除用戶添加自來水的原因。由于歷史原因，許多用戶往往在夏天往汽車水箱中添加自來水或者其他硬水，冬天再添加發(fā)動機冷卻液，以節(jié)省成本。但由于自來水鈣離子、鎂離子含量遠遠高于用于調(diào)制發(fā)動機冷卻液的去離子

水或蒸餾水，極易產(chǎn)生水垢，堵塞水箱和水箱部件，引發(fā)熱量傳導問題，造成發(fā)動機故障。加入自來水后，發(fā)動機冷卻液中的磷酸鹽防腐蝕劑由于與自來水中Mg2+、Ca2+離子進行反應生成固體沉淀，從防凍液中析出，而且自來水等硬水中氯離子含量偏高，容易造成對鐵、鋼部件的腐蝕。

現(xiàn)對故障汽車所用液位傳感器上的水垢狀物質(zhì)進行分析。輕輕刮下部分固體物質(zhì)，進行簡單的CaCO3成分分析試驗，使之與低濃度鹽酸反應，并未出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，說明固體物質(zhì)并非水垢。因此，此問題不是由于用戶自行往水箱添加自來水產(chǎn)生水垢引起。

1.3 發(fā)動機冷卻液和發(fā)動機水箱部件的配伍問題

經(jīng)以上分析，基本上可以確認發(fā)動機冷卻液1與發(fā)動機水箱相關(guān)元件配伍存在問題。由于發(fā)動機水箱內(nèi)發(fā)動機冷卻液溫度在常溫至100 ℃之間波動，元件成分復雜，同時擁有各種檢測回路，因而需要進行具體的實境模擬，以進行具體的原因分析。

2 實境模擬

現(xiàn)在繼續(xù)從發(fā)動機冷卻液的使用條件方面進行分析。經(jīng)了解，該液位傳感器采用電感式結(jié)構(gòu)，冷卻液液位傳感器用來監(jiān)測冷卻系統(tǒng)冷卻液液位，并通過發(fā)動機線束將信息傳輸給ECM。電路圖如圖2所示。

現(xiàn)使用發(fā)動機冷卻液1，將電感式液位傳感器放在通電電路環(huán)境(不含報警和液位信號檢測回路)和不通電環(huán)境下分別進行實驗，以測試防凍液的防腐蝕性能。

圖2 汽車液位傳感器電路圖

2.1 實驗儀器

主要儀器：玻璃器皿腐蝕測定儀、電子天平、空氣泵、溫度計、水冷卻循環(huán)裝置、氣體擴散管、回流冷凝管、干燥皿、電源轉(zhuǎn)換器。

2.2 不通電、通空氣環(huán)境下液位傳感器的測試

將全新的電感式液位傳感器放在電子天平上稱重；準備好試驗所用的高型燒杯、橡膠塞、溫度計、氣體擴散管和回流冷凝管；準備好空氣泵和連接管。使用玻璃器皿腐蝕測定儀的浴缸，模擬發(fā)動機冷卻液的使用環(huán)境溫度，調(diào)整浴缸溫度至(88±2)℃，空氣流量設置為(100±10)mL/min，高型燒杯內(nèi)倒入750 mL發(fā)動機冷卻液1，將全新的電感式液位傳感器置于高型燒杯內(nèi)，試驗時間設置為16 h。

試驗時間結(jié)束后，觀察試驗后的液位傳感器，液位傳感器的不銹鋼表面外觀光潔如新，平整光滑，無附著物，無銹斑。置于去離子水中清洗，后經(jīng)干燥皿干燥，最后使用電子天平稱量。與試驗前的電感式液位傳感相比，質(zhì)量變化極為輕微，基本無變化。

2.3 通電、通空氣環(huán)境下液位傳感器的測試

趙某散步時和劉某家的狗迎面相遇，劉某的狗突然躥至趙某身后咬了一口，事后，趙某經(jīng)就醫(yī)治療共花費數(shù)千元。經(jīng)過民警調(diào)解，雙方未達成一致意見，故趙某將劉某訴至法院，要求其賠償醫(yī)療費等各項費用共計3000余元。

將全新的電感式液位傳感器放在電子天平上稱重；準備好試驗所用的高型燒杯、橡膠塞、溫度計、氣體擴散管和回流冷凝管；準備好空氣泵和連接管。準備好+5 V DC電源。使用玻璃器皿腐蝕測定儀的浴缸，模擬發(fā)動機冷卻液的使用環(huán)境溫度，調(diào)整浴缸溫度至(88±2)℃，空氣流量設置為(100±10)mL/min，高型燒杯內(nèi)倒入750 mL發(fā)動機冷卻液1，將全新的電感式液位傳感器置于高型燒杯內(nèi)，連接+5 V DC電源，形成一個電路回路，試驗時間設置為16 h。

實驗結(jié)束后，液位傳感器表面結(jié)垢，且有點狀銹斑,見圖3。經(jīng)置于去離子水中清洗，后經(jīng)干燥皿干燥，最后使用電子天平稱量。與試驗前的電感式液位傳感相比，質(zhì)量變化+0.65 g，暗紅色點狀斑明顯為鐵銹。

已知金屬被電化學腐蝕的條件之一是部件存在著電位差。液位傳感器兩端存在+5 V的電壓，發(fā)動機冷卻液即是電解液。因此，液位傳感器處于電化學腐蝕的條件下，受到電解液的強烈腐蝕作用。電感液位傳感器端部材質(zhì)為不銹鋼或鋼質(zhì)材質(zhì)，處在有電位差的環(huán)境中，容易引起電化學腐蝕。鐵元素在發(fā)動機冷卻液中進行如下反應[4]：

(1)析氫腐蝕(鋼鐵表面吸附水膜酸性較強時)電化學腐蝕

負極(Fe):Fe-2e-=Fe2+

Fe2++2H2O=Fe(OH)2+2H+

正極(雜質(zhì))：2H++2e-=H2

電池反應：Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2↑

(2)吸氧腐蝕(鋼鐵表面吸附水膜酸性較弱時)

負極(Fe)：Fe-2e-=Fe2+

正極：O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

由于吸收氧氣，所以也叫吸氧腐蝕。析氫腐蝕與吸氧腐蝕生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3脫水生成Fe2O3鐵銹。

反應式為：

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

4Fe(OH)3=2Fe2O3+6H2O

圖3 液位傳感器結(jié)垢

析氫腐蝕主要發(fā)生在強酸性環(huán)境中，而吸氧腐蝕發(fā)生在弱酸性或中性環(huán)境中。由于發(fā)動機冷卻液產(chǎn)品pH值為7.5～11，發(fā)動機運行初期，水箱內(nèi)環(huán)境偏堿性，因而主要以吸氧反應為主。電化學腐蝕的強烈程度不僅與發(fā)動機冷卻液中含有氫和氧的濃度有關(guān)，而且還與溫度有關(guān)。發(fā)動機冷卻液中的氫、氧含量大時，電化學腐蝕加劇；發(fā)動機冷卻液的溫度越高，電化學腐蝕反應速度加快。其他腐蝕包括化學腐蝕、熱化學腐蝕(氧擴散)和沖刷腐蝕。發(fā)動機冷卻液中不可避免地含有硫化氫(H2S)、氧氣 (O2)、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)等氣體，這些物質(zhì)都會和缸套金屬發(fā)生化學反應，使金屬發(fā)生化學腐蝕。有關(guān)試驗證實：溫度升高10 ℃，化學反應速度提高2～4倍。

除鐵銹外，液位傳感器表面還生成了薄薄一層淡黃色沉淀。經(jīng)檢驗含鉬酸根成分和磷酸根成分，與國內(nèi)無機發(fā)動機冷卻液的主要防腐蝕劑成分相吻合。由于這些防腐蝕劑的析出以及電位作用下產(chǎn)生的對防腐蝕劑離子的吸附作用，加劇了液位傳感器中鐵元素的腐蝕。兩者疊加作用造成了發(fā)動機冷卻液保護作用失靈，引起了液位傳感器的生銹及沉淀。

綜合當前獲取的各種信息，分析問題的主要原因是：汽車在行駛過程中與液位傳感器連接的有全車總線和儀表總線，汽車在行駛過程中儀表總線在液位傳感器的金屬觸點上產(chǎn)生一個約5 V的電壓，這個電壓會吸附發(fā)動機冷卻液中的極性添加劑使其從發(fā)動機冷卻液中析出，與系統(tǒng)中由于吸氧腐蝕產(chǎn)生的鐵銹共同粘附于這個金屬觸點，觸點被包裹后導電能力下降，從而導致駕駛室儀表報警。

3 解決方案

3.1 更換不同型號的液位傳感器

經(jīng)上述原因分析明顯可以看出：由于電路造成電化學反應，引起發(fā)動機冷卻液失效。因而使用一種機械式的液位傳感器，即可避免產(chǎn)生上述故障。經(jīng)咨詢?nèi)舾蓚€汽車服務點(含不同汽車品牌)，部分服務點使用和發(fā)動機冷卻1同樣品牌、同樣型號的發(fā)動機冷卻液，未產(chǎn)生異常。經(jīng)了解，他們使用的傳感器是機械式的(圖4是其中兩個服務站使用的機械式液位傳感器)。因此，改用機械式液位傳感器即可使用市面上常見型號的發(fā)動機冷卻液，可避免液位傳感器失靈故障產(chǎn)生。

圖4 機械式液位傳感器結(jié)垢

3.2 使用配伍的發(fā)動機冷卻液

為避免發(fā)動機冷卻液在電路環(huán)境中產(chǎn)生電化學反應，以適應電感液位傳感器的廣泛運用，可以在發(fā)動機冷卻液中添加某種添加劑，如添加微量的特殊緩蝕劑或者絕緣添加劑，國內(nèi)外已經(jīng)有相應技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)此要求，如某品牌的發(fā)動機冷卻液2。

4 結(jié)論

發(fā)動機水箱在通電或者有電位差的環(huán)境下，易造成電感液位傳感器與發(fā)動機冷卻液的電化學作用，引起行車故障。只有使用機械式的液位傳感器或者使用添加了絕緣劑的非常規(guī)發(fā)動機冷卻液，才能避免類似故障。

【1】董芳.淺析影響發(fā)動機冷卻液質(zhì)量的相關(guān)因素[J].石油商技，2003，21(4)：25-27. DONG F.A Brief Analysis on Factors Relative to Quality of Engine Coolant[J].Petroleum Products Application Research,2003,21(4):25-27.

【2】HANNIGAN H J.A Review of Automotive Engine Coolant Technology[C]//Engine Coolant Testing:Third Volume,ASTM STP1192,1993:6-10.

【3】GB 29743-2013機動車發(fā)動機冷卻液[S].

【4】中國腐蝕與防護學會.金屬腐蝕手冊[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社，1987:52-56.

Failure Analysis of Engine Tank

ZHANG Weixing1，XU Ani1，TIAN Yuan1，WU Lingyan2

(1.YTO (Luoyang) Lubricating Oil Co., Ltd., Luoyang Henan 471003, China；2.YTO Group Corporation Energy Branch，Luoyang Henan 471003,China)

Conventional reasons for failures of the engine tank were analyzed. Adopting scenario simulation, an electricity environment was reproduced, then the interactions between the engine coolant and the inductance type liquid level sensor could be seen. The potential difference caused rust and precipitation of the adsorbed polar additives from the engine coolant. It led to the decrease of the conductive ability. That resulted in alarm of the instrument. To avoid such kind of failure, mechanical level sensor or engine coolant with insulating material could be used.

Engine tank；Failures; Engine coolant； Electricity environment; Inductance type liquid level sensor

2016-07-11

張衛(wèi)星(1974—)，男，碩士，從事潤滑油和發(fā)動機冷卻液的研究和應用。E-mail:249009073@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.016

U464.138+.2

B

1674-1986(2017)01-063-04