发动机冷却液的监测

摘要：40%以上的发动机维修问题与冷却系统维护不当有关，因此对冷却液的状态必须给予足够的重视。本文简要介绍了发动机冷却液的组成、分类和发动机冷却液监测的内容，并用案例说明了冷却液监测的意义和方法。

前言

发动机点火产生的热量可使温升高达2000℃，约30%热量必须通过冷却系统带走。风冷和水冷是两种最常用的散热方式，大多数发动机采用水冷方式。维护良好的冷却系统不仅能防止发动机过热，还可以保持正常的发动机运转温度。不良冷却系统引发的发动机温度异常将带来一系列的问题（见表1）

表1 不良冷却系统引发的问题

温度过高温度过低

z提前点火

z爆震/敲缸

z滑油变质、润滑失效导致非正常磨损z活塞和气阀烧损z过度磨损

z燃油经济性差

z曲轴箱内水分凝结和油泥形成

根据统计40%以上的发动机维修问题与冷却系统维护不当有关，因此对冷却液的状态必须给予足够的重视。

1 冷却液的作用和组成

发动机冷却液与润滑油一样，是发动机正常工作、运转必不可少的组成部分。冷却液是冷却系统的传热介质，具有冷却、防腐、防垢及防冻作用。冷却液由水、防冻剂和各种添加剂组成。

1.1 水

水占冷却液总体积的40~60%，最佳含量为50%。由于未经处理的水含有钙、镁、钾、钠、铁等阳离子和硫酸根、磷酸根、硅酸根、碳酸根、氯离子等阴离子，易形成水垢、加剧冷却系统的腐蚀，因此在生产冷却液和给冷却系统补加水的过程中，必须使用蒸馏水或去离子水。

1.2 防冻剂

由于水的冰点高，低温天气下易结冰，所以冷却液中都加入了一定量的防冻剂。一些盐类化合物如氯化物等有明显降低冰点的功效，但由于氯离子对铸铁、低碳钢和黄铜具有严重的腐蚀性，所以很少使用。通常使用的防冻剂有两种类型：乙二醇（ethylene glycol）简称EG和丙二醇(propylene glycol)简称PG。EG价格低廉，但对环境有污染而带来废液处理问题；PG价格较高，但具有低毒和长寿命的优点。有些冷却液供应商已开始将EG和PG两者同时与水混合，以延长冷却液的使用寿命并发挥各种液体的优点。

1.3 添加剂

冷却液浓缩液中使用的添加剂一般不超过5%，主要有缓蚀剂、缓冲剂、防垢剂、消泡剂和着色剂等。

缓蚀剂。缓蚀剂是冷却液中最主要的添加剂，通过在金属表面反应生成钝化膜或吸附在金属表面从而防止冷却系统金属管路腐蚀穿孔。常用的缓蚀剂有亚盐、钼酸盐、硅酸盐、巯基苯

并噻唑（MBT）、有机酸如癸二酸等。由于缓蚀剂具有严格的选择性，而冷却系统金属种类多，

因此必须进行缓蚀剂的复配，才能得到很好的保护效果。

缓冲剂。金属腐蚀不仅与缓蚀剂的浓度有关，而且与溶液的PH值有关，理想情况下PH值应控制在7.5~11的范围内。溶液呈碱性，易腐蚀非铁系材料如铝和铜；溶液呈酸性，易攻击铁

和铝。由于乙二醇在加热状态可与空气作用生成甲蚁酸和醋酸，另外酸性燃气有可能窜入冷却

液中，因此为防止酸化，冷却液中通常都加入缓冲剂，形成缓冲体系，具有一定的缓冲能力。

常用的缓冲剂有磷酸盐、硼酸盐和各种有机酸。

防垢剂。防垢剂的主要作用是防止矿物质和腐蚀产物的沉积，作用机理是阻止阴阳离子的结合或将形成的水垢分散成微小的颗粒悬浮在溶液中。通常使用的防垢剂有聚丙烯酸酯和各种水溶

性聚合物。

消泡剂。冷却液中的大量气泡不但影响传热效率，而且会加剧铝质水泵的气穴腐蚀。为了降低泡沫产生的危害，冷却液中通常都含有一定量的消泡剂。通常使用硅油、甲基丙烯酸酯等。

着色剂。着色剂的主要作用是使冷却液具有醒目的颜色，便于发现渗漏的位置。

2 冷却液的分类及补充添加剂

2.1 冷却液的分类

按照基础液组分划分，冷却液主要可以分为乙二醇型发动机冷却液和丙二醇发动机冷却液两种。按照缓蚀剂的化学组成将冷却液分为两类：以无机盐为主的常规型发动机冷却液和以有机酸为主的有机酸型发动机冷却液。无机盐性缓蚀剂主要是通过生成钝化膜达到对金属的保护，消耗速度快。而以有机酸为主的冷却液是通过在金属的活性表面发生吸附，改变金属表面的电化学性质，来防止金属的腐蚀，消耗速度慢。

按照使用寿命划分将对发动机冷却液分为两类：普通类型的发动机冷却液和长寿命型发动机冷却液。普通类型的发动机冷却液的使用年限一般为2~2.5年，当然可定期加入1%~2%的补充添加剂来延长冷却液的使用年限。由于有机酸消耗速度非常慢，因此以有机酸为主的冷却液一般是长寿命型冷却液。

按照发动机的负荷进行划分，冷却液可分为重负荷发动机冷却液和轻负荷发动机冷却液，这里的轻负荷发动机冷却液特指轻负荷卡车、轿车使用的冷却液。由于重负荷发动机热负荷大，冷却液添加剂消耗速度快，缸套衬里易发生点蚀，因此在冷却液中需使用补充添加剂抑制缸套衬里点蚀和补充添加剂的消耗。

2.2 补充添加剂

20世纪50年代中期，康明斯（Cummins）公司首先在冷却液中应用补充添加剂（Supplemental Coolant Additives简称SCA）来控制铸铁汽缸衬里的点蚀，随后SCA在重负荷冷却系统维护中得到了广泛的应用。

SCA的加入能够起到防止点蚀、结垢等作用，同时补充正常使用过程中消耗的添加剂，延长冷却液的寿命。SCA配方的主要组分为硼砂、亚盐、硅酸盐和钼酸盐同时还含有少量抗泡剂、表面活性剂、防垢剂等。

在使用SCA的过程中，应注意所使用的重负荷冷却液满足的规范。如果已是全配方重负荷冷却液，在使用前不需要预加。同时应注意预加量与维护过程中的维护剂量不同，一般预加量按照体积分数的3%使用，维护剂量比预加量低，一般为预加量的1/3，在使用过程中一定要按照SCA推荐的浓度进行使用。使用SCA时，不要超过建议的使用剂量，否则浓度过高会造成添加剂析出，堵塞散热器和加温器芯，同时过高的溶解固体含量还会引起水泵泄漏。不同重负荷车辆补充添加剂的使用方式可能有所不同，有的可直接加入，有的SCA是通过冷却液过滤器加入的，但必须注意预加与补充应使用不同的滤芯。

3 冷却液监测的目的和内容

3.1 冷却液监测的目的

冷却液监测的目的在于保证冷却系统处于良好的运行状态，从而避免造成发动机过热及由此带来的一系列问题。下面列出的是进行冷却液分析的具体理由：

（1）使用过程中冷却液添加剂会不断消耗，浓度不断降低，从而造成腐蚀和结垢。添加剂损失的原因如下：

z消耗。如与金属反应生成钝化膜、吸附、中和酸性物质、热降解等；

z析出。当冷却液中固体含量高、添加硬水或二元醇含量高时，硅酸盐不稳定会产生凝胶析出。

z稀释。如冷却液泄漏、蒸发损失等原因造成液面不够，单纯补加水所致。

（2）通过监测确定SCA的维护剂量，防止SCA的浓度过低或过高。如亚盐浓度过低，容易在材料表面产生局部腐蚀甚至腐蚀穿孔；但亚盐浓度过高对焊锡有侵蚀作用。

（3）防止冷却系统出现腐蚀和生锈。

（4）延长冷却液的使用寿命，减少环境污染。

因此，一些世界著名发动机制造商都要求对发动机冷却液进行定期分析，如Caterpillar公司推荐的冷却系统维护间隔期如下：

每250小时检查乙二醇含量、冰点/沸点、SCA浓度、PH和电导率；

每1000小时或一年至少二次除了检查以上项目外，还需检测金属腐蚀、污染物浓度和杂质含量。

3.2 冷却液监测的内容

冷却液监测包括冷却液中颗粒监测和冷却液状态监测。冷却液中颗粒监测是通过光谱分析监测冷却液所携带颗粒的成分和含量，从而获得冷却系统内部零件状态的重要信息，此时冷却液是一种有效的诊断介质。冷却液状态监测则是根据物理性能测试结果判断冷却液是否符合使用标准、SCA配方是否正确、冷却液是否受到固体颗粒或化学降解产物的污染，确定冷却液是否可继续使用。这两方面技术与趋势分析相结合即可提供完整的冷却液监测程序。

3.2.1 冷却液的颗粒监测

冷却液中颗粒可能来源于金属磨损腐蚀、污染和降解产物（见表2）。目前可采用电感耦合等离子激发原子发射光谱仪（ICP/AES）和转盘电极原子发射光谱仪（RDE/AES）进行检测，但若采用RDE/AES 进行水样测试，必须采用冷却液标样进行标定。ICP/AES和RDE/AES对水样进行分析，主要差别在于：z RDE/AES可达到的检测下限不如ICP/AES低，但对于冷却液分析而言接近PPM的检测下限已足够；

z当使用RDE/AES分析冷却液样品时，磨损金属和污染物的测定值比ICP/AES的高，这是因为在检测大颗粒的能力方面，前者比后者具有显著的优越性。

3.2.2 冷却液的状态监测

冷却液状态是整个冷却液监测程序的另一个重要组成部分，其目的是通过周期性的取样分析，判断冷却液的效能和剩余寿命。用于冷却液状态监测的试验方法不是一成不变的。表3列出了实验室经常采用的典型物理性能试验方法。

表3 冷却液监测的典型物理性能试验

外观颜色应透明，无明显沉淀或浑浊。如果有油或大颗粒物存在，应立即告知维修人员。

PH 值测定冷却液的酸碱度。测定方法：SH/T 0069、ASTM D1287，也可采用PH计在非实验室条件下快速精确测定。多数发动机制造商推荐PH值：7.5~11。

物理性能检测

储备碱值/ml 测定冷却液碱性缓冲剂的含量，测试方法：SH/T0091、ASTM D 1121。如果缓冲剂浓度不够，则导致PH值降低。推荐值：8.0~20/ml。

亚盐/钼酸盐（mg/kg）可采用不同方法测定作为主要缓蚀剂的亚盐/钼酸盐浓度，最精确方法是实验室的离子色谱分析，也可采用试纸条快速测定。在用冷却液亚盐/钼酸盐浓度应不低于新冷却液的10%，否则会导致水套的穴蚀和腐蚀。

氯离子含量（mg/kg）氯离子具有很强的侵蚀作用，能使不锈钢活化，容易诱发铝表面产生点蚀，出现浓度腐蚀点坑甚至腐蚀穿孔，因此冷却液中氯离子过高对冷却系统的危害非常严重，一般应小于25PPM。测试方法：SH/T 0621、ASTM D3634。

总溶解固体物含量（TDS）% 冷却液溶解固体物包括：碱性缓冲剂的化学物质、硅酸盐、活性和失效的补充添加剂、污染物和硬水化合物，可用电导仪进行测试，最大不能超过5%，否则会导致水泵密封故障。

防冻液含量 v/v% 用折光仪测定冷却液中EG/PG的含量。防冻液的合适范围：40-60%。浓度超过65%将导致SCA析出，水泵损坏和发动机过热。

冰点℃EG/PG百分比确定后，即可利用冷却液供应商提供的图表计算出冰点和沸点，也可比重计测定冷却液比重后计算出冰点。精确测试方法：SH/T0090、ASTM D 1177。

4、案例分析

4.1 案例一

某公司在发动机台架试验过程中，发现汽缸盖有大量沉积物，后取样送我公司进行分析，冷却液样品蓝色透明，底部有较多粉末状沉淀颗粒。对冷却液和沉积物进行分析，结果如下：

（1） 冷却液光谱分析，发现Ca、Mg偏高，定性测试含Cl；

（2） 沉积物光谱分析，发现Fe、Cu、Pb、 Zn、 Si高；

（3） 物理性能测试水质量分数为35.85%，其余指标正常。

综合以上信息，可以得出以下结论：

（1） 该冷却液采用硬水配制；

（2） 添加了过量的SCA及水含量偏低，导致硅酸盐析出；

（3） 冷却系统已发生腐蚀，特别是黄铜部件的脱锌腐蚀。

建议更换冷却液，冲洗系统，采用蒸馏水或去离子水配置冷却液，在补加SCA时，应严格按照厂家说明进行。

4.2 案例二

某公司对发动机冷却液进行例行分析，发现某水样测试结果如下：

（1） Fe 、Cu、 Pb含量（mg/kg）分别是：15、11和10；

（2） PH值为6.8，储备碱值为1.9 /ml;

（3） 防冻液体积分数为25%

综合以上信息，可以判断冷却系统已腐蚀，储备碱值偏低，建议更换冷却液并冲洗。

5 结论

（1）40%以上的发动机维修问题与冷却系统维护不当有关，因此对冷却液的状态必须给予足够的重视，应定期进行取样分析。

（2）冷却液监测包括冷却液中颗粒监测和冷却液状态监测，两方面技术与趋势分析相结合即可提供完整的冷却液监测程序。

参考文献

1 Daniel P. Anderson, Malte Lukas. Diesel engine coolant analysis, new application for established instrumentation.

2 周建军等.汽车冷却液.化学工业出版社,2003.

3 Neil Robinson. Keep your cool. WEARCHECK technical bulletin.