Технические жидкости для систем охлаждения двигателей

Антифриз (от англ. freeze — «замерзать») — это собирательное понятие, обозначающее любые низкозамерзающие жидкости, применяемые для охлаждения двигателей внутреннего сгорания, промышленных теплообменников и других установок (в том числе систем отопления), работающих при температурах ниже 0°С.

Автомобильные антифризы – низкозамерзающие охлаждающие жидкости (ОЖ) для системы охлаждения автомобиля.

Состав антифриза (упрощенно) состоит из следующих составляющих:

•основа;
•комплекс присадок.

Основа антифриза — водно-гликолевая смесь, от которой зависит способность антифриза не замерзать при низких температурах, его удельная теплоемкость, вязкость и воздействие на резину. Наиболее распространены ОЖ на основе этиленгликоля. Но его водный раствор агрессивен к материалам деталей системы охлаждения (стали, чугуну, алюминию, меди, латуни, припою).

Комплекс присадок — это набор противокоррозионных (ингибиторов), антивспенивающих, моющих и стабилизирующих компонентов. Кроме того, могут присутствовать ароматизирующие компоненты.

Наиболее часто в технике применяют антифризы, содержащие 52,6% и 66% этиленгликоля и ряд противокоррозионных присадок. Известны антифризы на основе водно-глицериновых растворов. Так, смесь 70% (по массе) глицерина и 30% воды замерзает при — 40 °С, однако уступает этиленгликолевым антифризам по вязкости и теплофизическим свойствам. Иногда применяют водные растворы метилового, этилового и изопропилового спиртов; 50%-ный раствор метанола замерзает при — 43 °С, имеет малую вязкость, однако легко испаряется. В ряде случаев, напр. в теплообменниках, в качестве антифризов используют водные растворы солей. Недостатки таких антифризов — высокая коррозионная активность и кристаллизация солей при испарении воды.

Наиболее распространенные современные антифризы – это низкозамерзающие водные растворы этиленгликоля. Чистый этиленгликоль – это маслянистая жидкость, сладковатая на вкус, с температурой кипения 196°С и замерзания минус 12,3°С. Количество этиленгликоля в ОЖ обычно составляет 52–64%, при этом температура замерзания полученных растворов составляет от минус 32 до минус 70°С. Для исключения таких недостатков ОЖ, как агрессивность по отношению к резине и металлам, низкие смазывающие свойства, в них вводят антикоррозионные, противопенные и другие присадки.

Свойства воды как теплоносителя (теплопроводность, теплоемкость и вязкость) существенно лучше, чем у этиленгликоля, что видно из таблицы сравнения их свойств. Однако использование гликолевых растворов позволяет существенно понизить температуру замерзания, в чем, собственно и заключается основной смысл использования антифризов.

Таблица 1.1

Сравнительная характеристика физико-химических свойств воды и моноэтиленгликоля

Механизм действия водных растворов этиленгликоля представлен на рис. 1.1, показывающем зависимость температуры замерзания антифриза от процентного содержания этиленгликоля (кривая кристализации). Свойства водных растворов этиленгликоля представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.2

Свойства водных растворов этиленгликоля

Рис. 1.1. Температура замерзания водно-гликолевой смеси

К автомобильным антифризам предъявляются следующие требования:

1.Высокая теплоемкость и теплопроводность.
2.Низкая температура замерзания (безопасная эксплуатация автомобиля практически при любых отрицательных температурах охлаждающего воздуха).
3.Высокая температура кипения (нормальная работа двигателя в летнее время).
4.Высокая температура воспламенения (обеспечивает безопасность при использовании).
5.Малая вязкость, особенно при низких температурах (высокая затрудняет циркуляцию и снижает теплопередачу).
6.Малая вспениваемость(при большой снижается теплопередача, возможет перегрев двигателя и образование паровых пробок).
7.Низкая коррозионная активность (этот показатель является одним из решающих при оценке качества антифриза).
8.Инертность к резиновым шлангам и уплотнителям.

Общепринятых классификаций (спецификаций) как, например, в области моторных масел (API, ACEA) не существует. Требования, достаточно сильно расходящиеся по некоторым пунктам, и официальные представления моторостроителей нельзя перекрыть одним (для всех типов двигателей) качеством. Охлаждающие жидкости можно подразделить на три типовые группы:

— Basic (основные);
— Средства, не содержащие нитритов — кроме того в них могут отсутствовать амины и/или фосфаты;
— Средства, не содержащие силикатов — кроме того в них могут отсутствовать амины и/или фосфаты, и/или нитриты.

Технические требования к зарубежным концентратам ОЖ для легковых автомобилей и легких грузовиков отражены в ASTM D 3306 («Технические условия для охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля для автомобиля с легкими условиями эксплуатации»), а для грузовых автомобилей и тяжелой техники — в ASTM D 4985 («Технические условия для охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля с низким содержанием силиката для двигателей с тяжелыми условиями эксплуатации»), требующие начального введения дополнительной добавки к охлаждающей жидкости Supplemental Coolant Additive (SCA).

Кроме общих стандартов, многие изготовители автомобилей применяют свои спецификации, с дополнительными требованиями. Например, нормы General Motors USA

— Antifreeze Concentrate GM 1899-M, GM 6038-M,
или система нормативов G концерна Volkswagen:
— G 11 — для легковых автомобилей или легких грузовиков (присадки неорганические, допускается присутствие силикатов);
— G 12 — для тяжелой техники или новой автотехники (присадки органические, включают карбоксилатные соединения, силикаты отсутствуют).

Информация об отсутствии силикатов (free of silicate или silicate free) имеет важное значение при использовании охлаждающей жидкости в двигателях тяжелой техники. При высокой температуре силикаты способны превращаться в гелеобразные отложения, забивающие узкие каналы системы охлаждения. Такие документы часто запрещают вводить в антифриз ингибиторы коррозии, содержащие нитриты, нитраты, амины, фосфаты, и оговаривают предельно допустимые концентрации силикатов, буры и хлоридов. Нитрит-нитраты, взаимодействуя с аминами, образуют токсичные соединения, причем некоторые из них канцерогенные. Ограничение содержания фосфатов, силикатов, боратов уменьшает отложение накипи в системе охлаждения, увеличивает срок службы уплотнений водяного насоса (меньше нерастворимых осадков), улучшает защиту от кавитационной коррозии (более подробно характеристика присадок приведена в соответствующем пункте главы).

В России слова исторически сложившимся синонимом слова антифриз является тосол. Зачастую под антифризом понимают импортный аналог тосолов. Собственно само слово «ТОСОЛ» — название первого автомобильного антифриза, разработанного специально для использования в системе охлаждения «Жигулей» и получившего широкую известность.

ТОСОЛ предназначен для охлаждения двигателей автомобилей в любое время года при любых температурах, до минус 65°С. Внешне стандартный ТОСОЛ-40 представляет собой жидкость голубого цвета, ТОСОЛ-65 — красный, впрочем, цвет — исключительно вопрос пристрастий производителя, никак не влияющий на свойства. Так, в Германии антифриз темно-зеленого цвета, а в Италии — красный. Основным назначением окрашивания современных ОЖ является информирование потребителя о составе ОЖ — органическая основа пакета присадок или неорганическая – с целью определения возможностей смешивания разных ОЖ.

В России ГОСТ 28084-89 «Жидкости охлаждающие низкозамерзающие. Общие технические условия» нормирует основные показатели ОЖ на основе этиленгликоля (концентрата, ОЖ-40, ОЖ-65): внешний вид, плотность, температуру начала кристаллизации, коррозионное воздействие на металлы, вспениваемость, набухание резины и т.д. Но он не оговаривает состав и концентрацию присадок, а также смешиваемость жидкостей. Это, а также цвет ОЖ (синий, зеленый, желтый и т.п.) выбирает изготовитель. ГОСТов, регламентирующих срок службы антифриза и условия ресурсных испытаний, пока нет. Техническая сертификация ОЖ необязательна. Технические требования на антифризы изложены в ТТМ 1.97.0717-2000 и ТТМ 1.97.0731-99.

Технические требования на различные виды охлаждающих жидкостей для наиболее популярной в средней полосе России жидкости с температурой замерзания минус 40oС согласно ГОСТ 28084-89 представлены ниже.

Таблица 1.3.

Технические характеристики охлаждающих жидкостей (согласно ГОСТ 28084-89)

Области применения антифризов

Антифризы в целом находят широкое применение в различных областях использования. Основных направлением использования является жидкостное охлаждение двигателей внутреннего сгорания. К данному сектору относится использование охлаждающих жидкостей в легковых и грузовых автомобилях с бензиновыми и дизельными двигателями.

Помимо этого, охлаждающие жидкости используются в сельскохозяйственной, строительной и др. спецтехнике, а также в военной технике. В этих областях представлена преимущественно техника с дизельными двигателями.

В двигателях мототехники также используются охлаждающие жидкости, но этот сектор существенно менее емкий. Необходимо отметить, что для мототехники выпускаются специализированные охлаждающие жидкости, которые на данный момент в России не производятся.

Помимо автотранспортных средств, охлаждающие жидкости используются в промышленности для охлаждения дизельных и газовых двигателей электростанций, в добывающей промышленности и пр. в соответствующих климатических условиях. Выпускаются специализированные антифризы для промышленности, в т.ч. на основе МЭГ и ПЭГ.

Антифризы применяются в качестве теплоносителя в системах индивидуального теплоснабжения домов, теплиц, коттеджей, пассажирских вагонов железнодорожного транспорта. Но ввиду высокой токсичности моноэтиленгликоля, в данном секторе находят все более широкое применение антифризы на основе пропиленгликоля, этилкарбиола и др. нетоксичных веществ. В частности, на таких объектах, как железнодорожные вагоны, пивоваренные и др. пищевые заводы применение этиленгликолевых антифризов вообще противопоказано. В России выпускаются специальные линии теплоносителей для использования в системах отопления. Это отдельный, имеющий свои особенности рынок. Но необходимо отметить, что в незначительных количествах антифризы в этой области также используются.

Особенности эксплуатации

В России эксплуатируется некоторое число автомобилей с воздушной системой охлаждения, но подавляющее число (>96%) автотранспортных средств оборудованы жидкостной системой охлаждения. Большинство поломок автомобиля, требующих дорогостоящего ремонта, связано с отказом именно системы охлаждения, приводящим к перегреву двигателя. Основными причинами отказа системы охлаждения являются: ухудшение теплоотдачи от поверхности к охлаждающей жидкости из-за загрязнения системы накипью, ржавчиной, отложениями; потеря герметичности системы из-за разрушения сальников водяного насоса, вследствие наличия в охлаждающей жидкости образованных частиц накипи и ржавчины.

Рис. 1.2. Схема жидкостной системы охлаждения

Таблица 1.4

Причины и последствия неисправностей системы охлаждения

Причины

Последствия Коррозия — Грязь — Ржавчина — Песок — Отложения — Разрушение лопастей, прокладок и корпуса помпы — Заклинивание термостата. — Забивают радиатор и запекаются на корпусе блока, препятствуя теплообмену. Осадок на поверхности металлов Примеси в воде:накипь (магний, кальций) Осадок, накипь на горячих поверхностях препятствует теплообмену Кавитационная эрозия Кавитационные пузырьки на поверхности металла приводят к его разрушению