姜 燕，蔡淑紅，李占強(qiáng)，李 杰，譚凱鋒，劉波濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)是指允許在接近或等于最大輸出功率的情況下連續(xù)運(yùn)行的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力、工程及軍事等眾多領(lǐng)域[1-2]。

重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作條件等方面具有輸出功率大、產(chǎn)生熱量大、工作條件差、工作頻率高等特點(diǎn)，最主要的是大部分重負(fù)荷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用濕式套缸，套缸外表面與冷卻液直接接觸，工作中振動(dòng)頻繁且劇烈，極易導(dǎo)致套缸發(fā)生氣穴腐蝕，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象[1]。因此，重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻液的性能，尤其是緩蝕性能，要求極為嚴(yán)格。

重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液通常由水、防凍劑、緩蝕劑、阻垢劑、消泡劑、著色劑等添加劑組成。其中，緩蝕劑是重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液最核心部分，它能有效防止缸套氣穴腐蝕和穿孔的發(fā)生。

目前，緩蝕劑主要分為兩類，即無(wú)機(jī)鹽型緩蝕劑和有機(jī)酸型緩蝕劑。無(wú)機(jī)鹽型緩蝕劑在金屬表面生成鈍化膜，從而達(dá)到保護(hù)金屬的作用，但該類緩蝕劑消耗速度快，需定期補(bǔ)充添加劑。有機(jī)酸緩蝕劑是通過(guò)吸附在金屬表面來(lái)改變其電化學(xué)性質(zhì)，來(lái)達(dá)到防止金屬腐蝕效果的，其消耗速度較無(wú)機(jī)鹽型緩蝕劑要緩慢很多，使用過(guò)程中無(wú)需補(bǔ)充添加劑，具有安全、長(zhǎng)效、腐蝕抑制性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。

本文通過(guò)對(duì)防凍劑、緩蝕劑、阻垢劑等添加劑種類的篩選，制備了一種具有優(yōu)良防凍、防腐性能，且安全長(zhǎng)效的重負(fù)荷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑及設(shè)備

乙醇(分析純，95%)，全自動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液冰點(diǎn)測(cè)試儀(FDY-0471，長(zhǎng)沙富蘭德實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司)，沸點(diǎn)試驗(yàn)裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液腐蝕測(cè)定儀(DFYF-173D大連分析儀器廠)，鋁合金傳熱面腐蝕測(cè)定儀(SX0620長(zhǎng)沙首煊分析儀器公司)，20k超聲波聲化學(xué)設(shè)備(YPS17D-ZB杭州成功超聲設(shè)備有限公司)。

1.2 冰點(diǎn)的測(cè)定

稱取試樣(75～100)mL于冷卻管中，溫度計(jì)插入深度為水銀球底距冷凝管約60 mm，并用攪拌器將其套在中間，冷凝管放入冷浴內(nèi)降溫并打開(kāi)攪拌開(kāi)關(guān)；單臂試管取少量試樣冷卻備用。當(dāng)溫度比預(yù)期冰點(diǎn)高(0.5～1)℃時(shí)，用小勺從單臂試管中取一小塊晶體放入冷卻管中引導(dǎo)結(jié)晶，試驗(yàn)結(jié)束后，觀察溫度曲線并記錄試樣冰點(diǎn)[3]。

1.3 沸點(diǎn)的測(cè)定

將經(jīng)過(guò)校正的溫度計(jì)插入燒瓶的側(cè)口中，插入的深度以水銀球距燒瓶底部的中心6.5 mm為準(zhǔn)。溫度計(jì)與燒瓶側(cè)口可用一小段橡膠管套上，形成密封，避免漏氣。量取60 mL試樣倒入燒瓶中，再放入三、四粒沸石。將清潔、干燥的冷凝管插入燒瓶中，并將它們放在墊有石棉網(wǎng)的噴燈或電加熱器上，冷凝管的上部用夾子固定在鐵支架上，在冷凝管的進(jìn)、出水口分別接上乳膠管，并使冷凝管夾層充滿水。

當(dāng)以上準(zhǔn)備工作完成之后，即可進(jìn)行加熱。調(diào)節(jié)加熱速度，使試樣在10 min之內(nèi)達(dá)到沸騰。沸騰之后，緩慢地降低加熱強(qiáng)度，使其在10 min之內(nèi)回流速流達(dá)到每秒1～2滴。仔細(xì)觀察回流速度，在保持規(guī)定的回流速度2 min后，再讀取溫度。同時(shí)，記錄所觀測(cè)到的溫度和試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，并計(jì)算式樣沸點(diǎn)[4]。

1.4 緩蝕性能測(cè)試

1.4.1 玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)[5]

將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)使用的紫銅、黃銅、碳鋼、鑄鐵、焊錫和鑄鋁六種典型金屬試片，稱重后連成試片束，然后完全浸沒(méi)在750 mL、空氣流量為(100±10) mL/min的試樣中，高沸點(diǎn)冷卻液和防銹劑在(88±2)℃，低沸點(diǎn)冷卻液在(71±2)℃下試驗(yàn)(336±2) h。試驗(yàn)結(jié)束后取出試片，經(jīng)清洗處理后再次稱重，以校正后的試片試驗(yàn)前后質(zhì)量變化值評(píng)價(jià)腐蝕。

1.4.2 鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗(yàn)[6]

將鑄鋁合金試件稱量，之后將試件的試驗(yàn)面浸在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液試樣中，用空氣對(duì)試樣施加壓力，將試件在135℃±1℃下恒溫168 h，試驗(yàn)結(jié)束后將試件進(jìn)行清洗處理后再次稱量，以校正后的試件質(zhì)量變化值評(píng)價(jià)腐蝕。

1.4.3 振動(dòng)空蝕試驗(yàn)[7]

試件在105℃烘箱中干燥恒重后，將其安裝到設(shè)備中，開(kāi)啟設(shè)備和計(jì)時(shí)器。設(shè)備變頻器采用20 kHz超聲傳感器，試驗(yàn)溶液溫度為60℃，試驗(yàn)時(shí)間為8～12 h。試樣結(jié)束后，取出試樣，清洗后放入烘箱中在105℃下烘干恒重后稱重，并計(jì)算該試驗(yàn)溶液的緩蝕率。

2 結(jié)果與討論

2.1 防凍劑的選擇

目前，常用的防凍劑主要有甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇和丙三醇等有機(jī)低碳醇類。

甲醇和乙醇在有機(jī)低碳醇類中降低冰點(diǎn)的效果最好，但其沸點(diǎn)低、閃點(diǎn)低，易揮發(fā)、易著火，且甲醇毒性大；丙三醇沸點(diǎn)高、閃點(diǎn)高、毒性低，但其粘度大，不易散熱，且加熱時(shí)易分解為酸性物質(zhì)，加速金屬腐蝕；乙二醇沸點(diǎn)高、閃點(diǎn)高、粘度適中、揮發(fā)性小、原料來(lái)源廣且價(jià)格低廉，但具有一定毒性；丙二醇除具備乙二醇上述優(yōu)點(diǎn)外，還兼具毒性低、易生物降解等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高[8]。

因此，綜合考慮，本研究選擇乙二醇作為本冷卻液的防凍劑。

當(dāng)乙二醇含量不同時(shí)，冷卻液的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)也不同。不同乙二醇含量的冷卻液對(duì)應(yīng)的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)如圖1所示[7]。

圖1 乙二醇水溶液的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)

2.2 緩蝕劑的選擇

有機(jī)酸型緩蝕劑兼具抑制腐蝕、長(zhǎng)效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于無(wú)機(jī)鹽型緩蝕劑。

常用的有機(jī)酸型緩蝕劑有三唑類、芳香酸鹽類、脂肪酸鹽類等[9]。眾所周知，三唑類是銅系金屬的特效緩蝕劑；苯甲酸、肉桂酸等多種芳香酸的鹽類都可作為有機(jī)酸型緩蝕劑使用，其中苯甲酸鈉是一種最常用的芳香酸鹽類緩蝕劑，它對(duì)碳鋼、鑄鐵、焊錫和鑄鋁都有很好的腐蝕抑制作用，且安全無(wú)毒；脂肪酸鹽中5個(gè)以上C原子的一元羧酸鹽和二元羧酸鹽都具有緩蝕作用。

本研究選擇三唑類、芳香酸鹽和有機(jī)酸鹽進(jìn)行緩蝕性能實(shí)驗(yàn)。在其它試驗(yàn)條件不變的情況下通過(guò)改變緩蝕劑的添加量進(jìn)行玻璃器皿腐蝕試驗(yàn)和鑄鋁合金傳熱腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1～3。該體系不僅緩蝕效果好，還具有長(zhǎng)效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

表1 緩蝕性試驗(yàn)結(jié)果

表1(續(xù))

由表1可以看出，芳香酸鹽濃度增加后緩蝕性能有所增加，但不明顯，芳香酸鹽在0.5%和0.8%濃度條件下的緩蝕性能接近，故芳香酸鹽濃度選擇0.5%。繼續(xù)對(duì)有機(jī)酸鹽A和有機(jī)酸鹽B的濃度進(jìn)行優(yōu)化。

表2 緩蝕性試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，當(dāng)有機(jī)酸鹽A濃度達(dá)到3.0%時(shí)，緩蝕效果明顯好于濃度為2%和2.5%時(shí)，故有機(jī)酸鹽A濃度選擇3.0%。繼續(xù)對(duì)有機(jī)酸鹽B的濃度進(jìn)行優(yōu)化。

表3 緩蝕性試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，當(dāng)有機(jī)酸鹽B濃度為0.2%和0.5%時(shí)，緩蝕變化不大，但當(dāng)其濃度升至1.0%時(shí)，緩蝕效果反而變差，故有機(jī)酸鹽B濃度選擇0.2%。

綜上所述，本研究有機(jī)酸型緩蝕劑配方為三唑類0.02%、芳香酸鹽0.5%、有機(jī)酸鹽A3.0%及有機(jī)酸鹽B0.2%。

2.3 性能測(cè)試

表4 重負(fù)荷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液性能測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)抗凍劑和緩蝕劑的篩選，確定了有機(jī)酸型重負(fù)荷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的配方。在該冷卻液配制過(guò)程中，首先將水和乙二醇混合均勻，然后加入緩蝕劑，并用飽和氫氧化鈉溶液將pH值調(diào)至7.5～11，之后加入消泡劑和染料等添加劑得到成品。按照GB 29743-2013的指標(biāo)要求及方法對(duì)-45℃重負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行了性能測(cè)試。另外，本研究還根據(jù)GJB 6027-2007《艦船柴油機(jī)冷卻液規(guī)范》中振動(dòng)空蝕指標(biāo)要求對(duì)本冷卻液配方進(jìn)行了測(cè)試，該指標(biāo)能更加充分地體現(xiàn)重負(fù)荷冷卻液對(duì)氣穴腐蝕的抑制效果。試驗(yàn)結(jié)果如表4。

3 結(jié)論

本研究重負(fù)荷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液由水、防凍劑、有機(jī)酸型緩蝕劑、消泡劑和染料等添加劑組成，其性能能夠滿足GB 29743-2013標(biāo)準(zhǔn)要求，且緩蝕性能優(yōu)異，緩蝕效果長(zhǎng)效、安全。