2018-01-24

С момента появления первых двигателей внутреннего сгорания встал вопрос об отводе выделяемого тепла от двигателя. Первой жидкостью применяемой для охлаждения двигателя стала вода. Например, в трехколесном автомобиле Карла Бенца произведенном в 1885 году был внедрен двигатель внутреннего сгорания с системой водяного охлаждения.

Сразу обнаружились недостатки воды как хладагента – высокая температура замерзания, образование накипи на поверхностях, коррозийная активность. Замерзая, вода увеличивается в объеме примерно на 9-10%, что может повлечь за собой разрушение патрубков, радиатора и других конструкционных элементов системы охлаждения. Поиски оптимальных рецептур охлаждающих жидкостей продолжались до 20-х годов ХХ века. В это время охлаждающие жидкости производились на основе глицерина — трехатомного спирта.

Раствор воды и глицерина 35:65 имеет температуру замерзания -40°С, температуру кипения 290°С. Проблемой стали высокая вязкость и недостаточная текучесть. Для их решения в состав раствора стали добавлять этанол. Иногда использовали водные растворы метилового, этилового и изопропилового спиртов. Замену этанолу вместе с глицерином нашли в 30-е годы XX века — основой охлаждающих жидкостей стал моноэтиленгликоль с температурой застывания -12°С. Прибавив к этиленгликолю всего 3% воды и температура замерзания раствора составит -22°С. Прибавив ещё больше воды и температура застывания раствора будет снижаться, вплоть до -70°С при содержании воды в растворе 65-70%. Раствор «вода плюс этиленгликоль» при замерзании образует кашеобразную массу, так называемую шугу, что незначительно увеличивает объем раствора. Раствор 40 % этиленгликоля и 60 % воды при замерзании увеличивается только на 1,5 %. Благодаря этим свойствам раствор моноэтиленгликоля и воды остаётся основным компонентом современных охлаждающих жидкостей.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

Большая часть энергии, содержащейся в топливе (до 70%) превращается в тепло. Охлаждение и обеспечение приемлемых рабочих температур ДВС главная задача системы охлаждения. Отвод тепла может осуществляться воздушным или жидкостным охлаждением. Воздушное охлаждение бывает естественным и принудительным. Естественное воздушное охлаждение встречается чаще всего в мотоциклах, когда двигатель охлаждается набегающим потоком воздуха. Принудительное воздушное охлаждение массово встречалось в легковых автомобилях с 50-х годов XX века, например, в VW Beetle, Citroen 2CV, Fiat 500, NSU Prinz, Porsche с 4-, 6- и 8-цилиндровымы моторами, которые вплоть до 1998 года охлаждались воздухом. Жидкостные системы охлаждения могут быть замкнутыми и незамкнутыми, в соответствии со способом использования теплоносителя в системе. Незамкнутые или открытые используются, например, для охлаждения речных и морских судов, где для охлаждения используется забортная вода. Замкнутые жидкостные системы охлаждения используются практически во всех ДВС, за исключением маломощных двигателей, где для отвода тепла используется воздушное охлаждение. (*Термические двигатели требуют охлаждения цилиндров. Только для слабых, бензиновых двигателей (скутеры, снегоходы, бензопилы и т.д.) достаточно воздушного охлаждения при помощи рубцов, прилитых к поверхности цилиндра; для более сильных необходима циркуляция охлаждающей жидкости с помощью насоса между двойными стенками цилиндров, охлаждаемой в особом трубчатом приборе (радиатор), помещаемом впереди автомобиля и обдуваемом струей встречного воздуха.)

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

Значимость охлаждающей жидкости и работоспособность системы охлаждения в целом обуславливается главной задачей системы охлаждения – отвод тепла. Охлаждающая жидкость должна обладать высокой теплоемкостью и теплопроводностью, для эффективного отвода тепла. Требования к низкой температуре замерзания и высокой температуре кипения обусловлены температурой окружающей среды при которой эксплуатируется техника. Охлаждающая жидкость должна сохранять свои свойства как в жарком климате, так и в арктических условиях. Низкие коррозионная и кавитационная активности охлаждающей жидкости напрямую влияют на срок службы двигателя и системы охлаждения. Коррозионная активность раствора моноэтиленгликоля и воды больше чем у воды, что может привести к выводу из строя системы охлаждения, а вслед за ней и двигателя в целом. Малая вспениваемость и вязкость (особенно при низких температурах) охлаждающей жидкости обеспечивают оптимальную теплопередачу и циркуляцию жидкости в системе охлаждения. При большой вспениваемости охлаждающей жидкости в трубках могут образовываться паровые пробки, что может привести к ухудшению теплоотвода от двигателя, что в свою очередь может вывести ДВС из строя. Инертность к резиновым шлангам и уплотнителям со стороны охлаждающей жидкости обеспечивает герметичность системы охлаждения и отсутствие утечек. В современные охлаждающие жидкости добавляют флуоресцентные красители, что позволяет быстро определить места протечки. Для этого достаточно просветить предполагаемое место ультрафиолетовой лампой.

Требования к охлаждающей жидкости

  • Малая вспениваемость
  • Низкая температура замерзания
  • Высокая температура кипения
  • Низкая кавитационная активность
  • Низкая корозионная активность
  • Малая вязкость
  • Инертность к резиновым шлангам и уплотнениям

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основа охлаждающих жидкостей — это низкозамерзающие водные растворы этиленгликоля. Чистый этиленгликоль – это маслянистая жидкость, сладковатая на вкус, с температурой кипения 196°С и замерзания минус 12°С. Количество этиленгликоля в охлаждающих жидкостях обычно составляет 52–64%, при этом температура замерзания полученных растворов составляет от минус 32 до минус 70°С, что позволяет эксплуатировать двигатели в самых суровых климатических условиях.

Таблица. Температура замерзания водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля.

Массовая концентрация гликоля %

Этиленгликоль замерзание °С

Этиленгликоль кипение °С

Пропиленгликоль замерзание °С

Пропиленгликоль кипение °С

10

-3

101,1

-3

103,3

15

-5

101,5

-5

103,6

20

-8

102,1

-7

103,9

25

-11

102,8

-10

104,5

30

-14

103,3

-13

105,2

40

-24

105

-21

107,1

50

-36

108,2

-33

108,9

60

-54

112,5

-51

110,7

 

Из таблицы видно, что основа охлаждающей жидкости, состоящая из этиленгликоля и воды в соотношении 60:40 будет иметь температуру замерзания около -50°C и температуру кипения порядка Сталь 110°C. Система охлаждения герметична и в ней повышенное давление, значит температура кипения будет ещё выше, для ДВС такой температуры кипения хватает с запасом.

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

В современных системах охлаждения используются разнообразные металлы, такие как сталь, чугун, алюминий, медь, латунь, припой и т.д. В связи с этим к охлаждающим жидкостям предъявляются высокие требования по защите от коррозии. Коррозионное воздействие на металлы различных теплоносителей, определяют по ASTM D 1384. В данном методе оценивается коррозионное воздействие охлаждающей жидкости на металлические образцы в обычной стеклянной посуде типа химического стакана на протяжении 336 часов, при 88°C.

Таблица. Коррозионное воздействие на металлы (г/м2) различных теплоносителей по ASTM D 1384. Antifrogen N – этиленгликолевый теплоноситель производства Clariant, 1:2 Водный раствор этиленгликоля (без присадок), 1:2 Водопроводная вода Раствор хлорида кальция (солевой теплоноситель), 21% Сталь (CK 22) < -0,5 -152 -76 -95 Чугун GG 25 < -0,5 -273 -192 -310 Медь -0.5 -2.8 -1 -11 Латунь (MS) -0.6 -7.6 -1 -36 Специальная сталь (1,4541) < -0,5 Не тестировался -0,5 Не тестировался Алюминиевый сплав (AlSi6Cu3) -1.4 -16 -32 -135 Алюминий (99,5) -2.0 Не тестировался -5 -660 Припой (WL 30) -2.4 -135 -11 -443

 

Antifrogen N – этиленгликолевый теплоноситель производства Clariant, 1:2

Водный раствор этиленгликоля (без присадок), 1:2

Водопроводная вода

Раствор хлорида кальция (солевой теплоноситель), 21%

Сталь (CK 22)

< -0,5

-152

-76

-95

Чугун GG 25

< -0,5

-273

-192

-310

Медь

-0,5

-2,8

-1

-11

Латунь (MS)

-0,6

-7,6

-1

-36

Специальная сталь (1,4541)

< -0,5

Не тестировался

-0,5

Не тестировался

Алюминиевый сплав (AlSi6Cu3)

-1,4

-16

-32

-135

Алюминий (99,5)

-2,0

Не тестировался

-5

-660

Припой (WL 30)

-2,4

-135

-11

-443

Как видно из таблицы, раствор этиленгликоля и воды обладает ещё большей коррозионной активностью чем вода. В связи с этим приблизительно с 1939 года при производстве охлаждающих жидкостей начинают широко использовать ингибиторы коррозии - антикоррозионные присадки для подавления отрицательного воздействия этиленгликоля на металлы. В качестве антикоррозионных присадок чаще всего использовались силикаты, фосфаты, молибдаты и бораты щелочных металлов, KNO3, декстрин, бензоат К, меркаптобензотиазол, карбоксилаты и другие.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

1. Традиционная технология

Подразумевает использование неорганических присадок, таких как силикаты, амины, нитраты, нитриты, бораты, фосфаты. Основным недостатком этих присадок является их быстрая истощаемость из-за принципа работы, который заключается в том, чтобы покрыть всю систему охлаждения тонким слоем, препятствующим коррозионному воздействию этиленгликоля и воды. Именно этим фактором и обуславливается малый срок службы охлаждающих жидкостей, сделанных по традиционной технологии (также может называться, Classic, Conventional, Inorganic Acid (Additives) Technology (IAT)). Кроме этого, например, силикаты и нитриты могут образовывать гели и осадок, что ухудшает теплоотдачу. Фосфаты так же могут выпадать в осадок, в случае разбавления жёсткой водой могут образовывать накипь. Антикоррозионная плёнка в качестве побочного эффекта ухудшает теплоотдачу, то есть препятствует выполнению основной функции охлаждающей жидкости. По спецификации VW TL-774 C охлаждающие жидкости с неорганическими присадками, чаще всего силикатами относится к G11. Известный со времен СССР ТОСОЛ производится с применением неорганических присадок и соответствует спецификации G11.

2. Технология органических кислот

Развитием охлаждающих жидкостей стала технология, использующая соли карбоновых кислот (Organic Acid (или Additives) Technology) – карбоксилаты в качестве присадок. В противоположность традиционным охлаждающим жидкостям, карбоксилатные нейтрализуют только сам очаг коррозии, оставляя неповреждённый металл чистым, а значит не ухудшают теплообмен. Толщина плёнки составляет порядка 1 микрона (0,001 мм), тогда как неорганические присадки покрывают поверхность всей системы охлаждения слоем до 500 микрон (0,5 мм). Охлаждающие жидкости на основе органических кислот особенно хорошо взаимодействуют с легкими сплавами, применяемыми в современных двигателях. Обладают улучшенной защитой алюминия при высоких температурных и динамических нагрузках. Срок службы карбоксилатных ОЖ составляет до 5 лет или 250 000 км в легковых и 650 000 км в грузовых автомобилях.

В технической литературе и в названиях ОЖ используются следующие термины для обозначения карбоксилатных технологий:

-nG12/G12+ (по спецификации VW)

- OAT (Organic Acid Technology)

- XLC (eXtended Life Coolant)

- SNF (Silicate Nitrite Free)

- SF (Silicate Free)

- LLC (Long Life Coolant)

3. Гибридная технология

Основана на применении технологий органических кислот и традиционной, где в качестве присадок используют карбоновые кислоты и неорганические присадки (в основном силикаты - по европейской технологии, фосфаты - по японской). Аббревиатура HOAT происходит от сочетания Hybrid-Organic Acid (Additives) Technology. Обладают повышенным сроком эксплуатации по сравнению с традиционными ОЖ, но меньшим по сравнению с карбоксилатными - до 3 лет. В технической литературе и в названиях ОЖ обозначаются как:

- NF (Nitrite Free)

- Hybrid Technology (HOAT).

Относятся к специальному ассортименту и не классифицируются по спецификации VW. Средний срок службы 150 - 200 т.км или 3 года. Низкая стоимость.

4. Лобридная технология

Low-hybrid - «малогибридная» технология, где изменено количественное сочетание карбоксилатов и силикатных присадок. Неорганических присадок в лобридных ОЖ существенно меньше, чем в гибридной технологии. За счет меньшего количества неорганические присадки расходуются в самом начале работы ОЖ и не успевают образовать «толстую» защитную пленку по всей системе охлаждения, что не ухудшает теплообмен. Далее работают карбоксилатные ингибиторы, реагирующие на очаги коррозии, которых, естественно, будет меньше после предварительной обработки неорганикой. Расход карбоксилатных ингибиторов уменьшается. Как следствие, ОЖ на лобридной технологии имеют срок службы сравнимый со сроком службы автомобиля и многими производителями позиционируются как «не требующие замены». В разных странах и у разных производителей возможен различный состав неорганических ингибиторов, что и выражается в сокращённых названиях используемых ими технологий (Si-OAT силикатно-карбоксилатная, P-OAT – фосфатно-карбоксилатная, и так далее). В технической литературе и в названиях ОЖ обозначаются как:

- G12++ (по спецификации VW)

- Low-hybrid

- Si-OAT

- P-OAT

Гибридные и лобридные ОЖ могут содержать в своем составе антикавитационные присадки. Если для легковых автомобилей это вопрос не первой важности и касается сохранности крыльчатки помпы, то для двигателей большой мощности (грузовики, карьерные машины, суда, тепловозы и т.д.) эта проблема выходит на первый план ввиду использования в них гильз цилиндра мокрого типа и больших развиваемых мощностей. Большой срок службы 500 т.км или 5 лет. Оптимизация под требования марок

СМЕШИВАНИЕ АНТИФРИЗОВ

При смешении лобридного антифриза с гибридным или традиционным перераспределяется количество присадки. Например, в G12++ изначально и условно 95% присадки карбоксилаты + 5% неорганика. Смешиваем с G11, где 100 неорганика, получаем перераспределение в объеме примерно 50% карбоксилатов на 50% неорганических присадок. Стандарт G12 устарел и в нем использовались соли карбоновых кислот отличные от тех которые применяются в G12+, G12++ и G13. Карбоксилаты из G12 и неорганика из G11 при смешении могут выпасть в осадок, что приведет к потере основных свойств антифриза.

ЗАЩИТА ОТ КАВИТАЦИИ

Физическое явление кавитации — это образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости, находящейся в состоянии, близком к кипению. Кавитацию можно увидеть в момент закипания воды в чайнике и услышать кавитацию как «гудение» чайника — звук схлопывающихся пузырьков. Когда пузырьки длительное время схлопываются вблизи металлической поверхности, то из нее высекаются микрочастицы металла, и поверхность покрывается ямками — подвергается эрозии. В больших дизельных двигателях с «мокрыми» гильзами, кавитация гильз является одной из главных проблем, влияющих на срок службы двигателя. Понятие «мокрые» означает, что между гильзой и телом блока находится охлаждающая жидкость из системы охлаждения. При поперечных колебаниях гильзы, вызванных движением поршня, в окружающей жидкости возникают волны разрежения и сжатия. Нагретая жидкость постоянно вскипает и прекращает кипеть при понижении и повышении давления. Это провоцирует кавитационную эрозию гильзы, и приводит к ее разрушению. От кавитации также страдает крыльчатка помпы, где кавитация (образование и схлопывание пузырьков) возникает на концах лопастей крыльчатки за счет уменьшения давления при повышении скорости. Эти пузырьки эродируют края лопастей, а в предельном случае крыльчатку целиком. Для предотвращения кавитационной эрозии в состав охлаждающих жидкостей вводят антикавитационные присадки. Обычно в качестве антикавитационных присадок используют нитриты, бораты, молибдаты щелочных металлов или аммония и другие.

ПРОТИВОПЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

При большой вспениваемости охлаждающей жидкости снижается теплопередача, возможен перегрев двигателя и образование паровых пробок. Вспениваемость охлаждающей жидкости может создать проблемы при первичной заливке на конвейере автопроизводителя. Для уменьшения пенообразования в состав охлаждающих жидкостей вводят противопенные присадки. Чаще всего используют силиконовые пеногасители, полиэтоксилированные спирты и т.д.

СОВМЕСТИМОСТЬ С УПЛОТНЕНИЯМИ

В системе охлаждения помимо металлов используются различные полимеры и резины. Охлаждающая жидкость должна оказывать незначительные воздействия на такие материалы. Инертность к резиновым шлангам и уплотнителям со стороны охлаждающей жидкости обеспечивает герметичность системы охлаждения и отсутствие утечек.

СТАНДАРТЫ ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ

На территории России и стран таможенного союза действует ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ ТАМОЖЕННОГО СОЮЗА 030/2012 «О требованиях к смазочным материалам, маслам и специальным жидкостям». Настоящий технический регламент разработан с целью установления на единой таможенной территории Таможенного союза единых обязательных для применения и исполнения требований к смазочным материалам, маслам и специальным жидкостям, к отработанным смазочным материалам, маслам и специальным жидкостям и к продуктам, полученным в результате переработки (утилизации) отработанной продукции на этапах жизненного цикла продукции, выпускаемых в обращение на единой таможенной территории Таможенного союза. Основными опасными факторами (рисками), возникающими при выпуске в обращение, обращении, использовании (эксплуатации) и переработке (утилизации) продукции, являются: пожаровзрывоопасность продукции; содержание воды и механических примесей, в количестве, превышающем установленные нормы; экологическое воздействие отработанной продукции при попадании ее в окружающую среду; вредное воздействие на организм человека.

Согласно ТР ТС 030/2012 охлаждающие жидкости относятся к специальным жидкостям и обязаны соответствовать следующим характеристикам: Наименоание показателя Специальные жидкости

Температура начала кристаллизации, °С, не выше: - для охлаждающих низкозамерзающих жидкостей минус 35

Содержание механических примесей, % масс не более 0,03

Водородный показатель (pH) от 6 до 10

Помимо ТР ТС 030/2012 крупнейшие производители охлаждающих жидкостей разрабатывают ТУ на основе российского ГОСТ 28084-89 или ориентируются на международные стандарты. Например, ТУ 2422-002-51140047-00 разработан на основе ГОСТ 28084-89.

В мире наиболее авторитетны стандарты ASTM, которые регламентируют свойства концентратов и антифризов исходя из их основы (этиленгликоля или пропиленгликоля) и условий эксплуатации.

В ASTM D 3306 «Технические условия для охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля для автомобиля с легкими условиями эксплуатации» отражены технические требования к концентратам антифризов для легковых автомобилей и легких грузовиков. При использовании объемных концентраций в воде от 40 до 70%, или при использовании предварительно разбавленной охлаждающей жидкости на основе гликоля (минимум 50% по объему) без дальнейшего разбавления, она будет эффективно обеспечивать защиту от замораживания, кипения и коррозии.

ASTM D 4656 «Технические условия для готовой к применению охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля для автомобилей с легкими условиями эксплуатации» охватывает требования к предварительно разбавленному водному этиленгликолю (50 об.%). Используется без дополнительного разбавления эти охлаждающие жидкости эффективно работает как летом, так и зимой в автомобильных и других системах охлаждения легконагруженных двигателей.

ASTM D 4985 - спецификация на охлаждающую жидкость для двигателей большой мощности, изготовляемую на основе этиленгликоля с низким содержанием силикатов и требующую предварительного ввода дополнительной антикавитационной присадки Supplemental Coolant Additive (SCA).

ASTM D 5345 - спецификация, охватывающая требования к предварительно разбавленным охлаждающим жидкостям с низким содержанием силикатов на основе этиленгликоля (минимум 50 об. %) и требующую предварительного ввода дополнительной антикавитационной присадки (SCA). Для систем охлаждения двигателей большой мощности.

ASTM D 6210 - спецификация на полностью формулированные охлаждающие жидкости на основе гликоля, предназначенные для мощных двигателей. Не требуют предварительного ввода дополнительной антикавитационной присадки (SCA). Стандарты ASTM постоянно дополняются новыми требованиями, исходя из потребностей производителей двигателей, например, начиная с ASTM D 4985-03 вступило в действие ограничение на количество силикатов – до 125 ppm. Это ограничение оставляет возможность соответствовать ASTM D 4985 только бессиликатным или низкосиликатным (гибридным и лобридным) охлаждающим жидкостям. На этот стандарт в своих бюллетенях ссылаются такие производители двигателей как Caterpillar и Cummins.

ОДОБРЕНИЯ ВЕДУЩИХ OEM

Кроме «национальных» стандартов, многие автопроизводители имеют свои спецификации, с дополнительными требованиями. Запреты на использование определенных видов ингибиторов сформулированы в спецификациях автопроизводителей на охлаждающие жидкости вместе с перечнем испытаний, которые должна пройти охлаждающая жидкость для получения допуска к применению. Так, спецификация Ford WSS-V97B44-D запрещает использование силикатов, фосфатов и боратов, а спецификация Hyundai MS 591-08 запрещает также амины и нитриты, оставляя дорогу только антифризам нового поколения.

На сегодняшний день самыми распространенными спецификациями, которые стали стандартом в Европе являются спецификации концерна Volkswagen:

VW TL 774-C или G11 на основе этиленгликоля —содержит неорганический пакет присадок и по своим эксплуатационным свойствам практически полный аналог советского ТОСОЛа. Окрашивается в сине-зеленый цвет.

VW TL 774-D или G12 на основе этиленгликоля — имеет карбоксилатный пакет присадок, окрашивается в красный цвет, категорически не рекомендуется производителем для смешивания с G11.

VW TL 774-F или G12+ на основе этиленгликоля — имеет усовершенствованный карбоксилатный пакет присадок, окрашивается в фиолетовый цвет и допускает (правда, с частичной потерей антикоррозийных свойств) смешивание и с G11, и с G12. Рекомендован для автомобилей Volkswagen (а также Audi, Skoda, Seat), изготовленных с 2001 года.

VW TL-774 G или G12++ на основе этиленгликоля, лобридный – полностью заменяет антифризы G12 и G12+. Разработан в 2006г. Имеет свой оригинальный набор присадок, благодаря лобридной технологии применяемой в антифризах G12++ антикоррозионные присадки расходуются очень медленно, что допускает использование антифриза в течении всего срока службы автомобиля (не менее 10 лет и 300000 км). Может смешиваться с антифризами ранних спецификаций (G12, G12+), при условии, что смесь будет эксплуатироваться согласно требований самого раннего из допусков.

VW TL 774 J или G13 — на основе пропиленгликоля, лобридный. Разработан в 2012 году. Основное отличие G13 от G12++ — это повышенная экологичность, более высокая цена и длительный срок службы антифриза. По другим критериям, между этими жидкостями разница практически отсутствует. Окрашивается в желтый или оранжевый цвет. Рекомендуется широкое применение в двигателях автомобилей Volkswagen производства 2010 года и моложе.