基于理想點法的重負荷LNG發(fā)動機冷卻液的研制

蔣海福 王國民 全嘉榕

摘 ? ? ?要： 針對重負荷液化天然氣（LNG）發(fā)動機對冷卻液的性能要求，采用理想點法對重負荷液化天然氣（LNG）發(fā)動機冷卻液的基礎(chǔ)液篩選和分析，由此評價出了研制冷卻液的最佳基礎(chǔ)液。然后通過玻璃器皿腐蝕試驗對緩蝕劑、防銹劑進行優(yōu)選，研究了緩蝕劑、防銹劑與其他添加劑的配伍性，篩選出緩蝕劑、防銹劑的最優(yōu)添加量為0.8%～1.6%、0.7%～1.2%;最后對全配方的環(huán)境友好重負荷發(fā)動機冷卻液進行了綜合性能測試。通過測試分析和實車驗證表明： 其具有良好的抗蝕抗銹、熱穩(wěn)定、抗泡、抑沸、抗凍和阻垢性能，延長使用壽命，冷卻效果突出等特點，可滿足使用要求。

關(guān) ?鍵 ?詞：理想點法;LNG發(fā)動機;冷卻液;基礎(chǔ)液;添加劑

中圖分類號：TK264.1 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）05-0977-06

Abstract： According to the performance requirements of heavy load liquefied natural gas （LNG） engine for coolant， the basic liquid of heavy load liquefied natural gas （LNG） engine coolant was screened and analyzed by ideal point method， and the optimum basic liquid for developing coolant was evaluated. Then the corrosion inhibitor and antirust agent were screened by glassware corrosion test， and the compatibility of corrosion inhibitor， antirust agent with other additives was studied. The optimum dosages of corrosion inhibitor and antirust agent were determined as 0.8% ～1.6% and 0.7%～1.2%. Finally， the comprehensive performance of the whole formula of environmentally friendly heavy load engine coolant was tested. The test analysis and real vehicle verification show that it has the characteristics of good corrosion and rust resistance， thermal stability， anti-foaming， boiling inhibition， anti-freezing and scale inhibition， prolonging service life， outstanding cooling effect and so on， which can meet the requirements of use.

Key words： Ideal point method; LNG engine; Coolant; Base liquid; Additive

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，溫室氣體效應和汽車尾氣排放對環(huán)境的影響日趨嚴重，極大推動了清潔能源和新能源汽車的技術(shù)進步，尤其是對液化天然氣（LNG）發(fā)動機的研究。商業(yè)運輸車輛和大型工程機械車輛正向大噸位、高功率、重負荷等方向發(fā)

展[1]。LNG是天然氣在常壓狀態(tài)下，經(jīng)過預處理和系列脫烴、硫等雜質(zhì)之后，再經(jīng)溫度降到-162 ℃以下，所形成的無毒、無色、無味的清潔液體燃料。LNG具有能量體積密度大、儲運性能好、安全性好等特點[2]。與普通的汽油和柴油等液體燃料相比，LNG的優(yōu)勢在于可大幅度減少汽車尾氣排放;同時，可降低燃料成本;LNG燃氣發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)不同于普通燃料發(fā)動機，因為它需要吸收發(fā)動機熱量將LNG從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)燃料供給發(fā)動機;重負荷LNG發(fā)動機通常需要長時間在接近額定功率狀況下運轉(zhuǎn)。因此，重負荷LNG發(fā)動機具有強化程度高、工作時間長、載重噸位大、燃燒產(chǎn)生的熱量多等特點。

冷卻液（Engine cooling fluid）又稱防凍液、抗凍液、水箱寶等，其主要作用是確保發(fā)動機正常工作運行，是在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的介質(zhì)，起到防凍、冷卻、防銹、防垢、防腐蝕、改善散熱效果，提高發(fā)動機效率和延長使用壽命等作用。通常冷卻液由于生產(chǎn)廠家不同，而添加不同的顏色，以便觀察冷卻系統(tǒng)是否泄漏，并與發(fā)動機其他油液有所差別，避免混用。目前市場上銷售的發(fā)動機冷卻液通常是乙二醇-水溶液為基礎(chǔ)液，添加了不同種類的添加劑，來確保不同種類型號的發(fā)動機使用。因為不同使用工況，采用不同的添加劑配方技術(shù)，所以導致發(fā)動機冷卻液形成不同系統(tǒng)的冷卻液產(chǎn)品。例如，以巴斯夫（BASF）、GM通用冷卻液為代表的有機酸冷卻液不含磷、胺、硼、亞硝酸鹽的冷卻液;以日系冷卻液為代表的含磷酸鹽和硅酸鹽型的冷卻液;以復合型歐系為代表的不含胺、硼、磷、亞硝酸鹽，含低量的硅酸鹽的冷卻液系列[3]。

冷卻液是保證重負荷LNG發(fā)動機正常工作必不可少的工作介質(zhì)。它能抑制重負荷LNG發(fā)動機的相關(guān)部件腐蝕或產(chǎn)生的冷卻系統(tǒng)內(nèi)沉積物，為及時使液態(tài)LNG轉(zhuǎn)化為氣態(tài)提供熱量，避免其不必要的能源消耗。選擇合適的冷卻液，既可以減少發(fā)動機機能損耗、減少腐蝕與磨損、延長發(fā)動機使用壽命，又可以減少對環(huán)境的排放污染。因此研制適用的重負荷LNG發(fā)動機冷卻液十分重要。

在研制過程中，基于理想點法，對冷卻液的基礎(chǔ)液進行優(yōu)選，選擇出合適的基礎(chǔ)液，再通過對其他添加劑種類的篩選，特別是針對性的采用有機酸或者混合有機酸技術(shù)，確定了新的重負荷LNG發(fā)動機冷卻液配方。

1 ?重負荷LNG發(fā)動機主要性能要求

在大多數(shù)情況下，重負荷LNG發(fā)動機不僅要在重負荷、中低速工況下運行，而且還處于高溫、高剪切力、高磨損等環(huán)境下。在這類特殊運行工況和運行環(huán)境下，重負荷LNG發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)比其它類型發(fā)動機的綜合性能要求更加苛刻。

（1）防銹蝕與腐蝕性能

由于發(fā)動機內(nèi)部零件采用含有鑄鐵、黃銅、鑄鋁等有色金屬合金材料制造，重負荷LNG發(fā)動機在苛刻的工作條件下，這類金屬材料容易發(fā)生銹蝕、腐蝕，使發(fā)動機的使用壽命大幅度的縮短。因此冷卻液必須具有良好的抗腐蝕、防銹蝕性能。

（2）適當?shù)幕曳?/p>

灰分是指在規(guī)定條件下，試樣被灼燒炭化后，所殘留物經(jīng)煅燒所得的無機物.灰分一般認為是一些金屬元素及其鹽類，其測定方法根據(jù)SH/T0067 -1991（2006年確認）標準以質(zhì)量百分數(shù)表示。

（3）良好的抗泡和抗氣穴蝕性能

LNG發(fā)動機在運行過程中，由于受到機體不斷產(chǎn)生的震動、泵送和發(fā)動機冷卻液中所含有的表面活性物質(zhì)的共同作用，會無法避免地產(chǎn)生大量氣泡。極易導致冷卻系統(tǒng)的管路中流量減少，使冷卻系統(tǒng)的冷卻效果下降;同時，由于采用濕式缸瓦冷卻方式，缸瓦與氣缸壁之間有冷卻液存在。當發(fā)動機快速運動時，帶動缸瓦震動，缸瓦內(nèi)壁與發(fā)動機冷卻液接觸部分也會產(chǎn)生大量氣泡;所產(chǎn)生的氣泡隨著震動破裂，沖擊襯套的表面，產(chǎn)生氣穴效應，進而導致金屬表面的保護膜被破壞，從而導致局部點蝕和穿孔。因此，要求所研制的冷卻液要有良好的抗泡沫性能。

（4）良好的抑沸、抗凍性能

重負荷LNG發(fā)動機具有高溫度、長時間連續(xù)使用等特點，常常會導致發(fā)動機內(nèi)部過熱，容易使冷卻液沸騰。因此，冷卻液必須具有良好抑沸性能，這樣才會使發(fā)動機冷卻液不易沸騰，保持良好的冷卻特性[4]。此外，冬季夜間氣溫下降后，冷卻液在低溫環(huán)境下應不凍霜或結(jié)冰，以避免冷卻系統(tǒng)的管路受凍爆管和水箱脹裂泄露;同時必須保證發(fā)動機可以隨時啟動正常工作。因此，重負荷LNG發(fā)動機應具有抑沸和抗凍性能。

（5）良好的環(huán)境友好性能

環(huán)保問題是社會大眾日益注重的問題，相關(guān)法律法規(guī)對保護環(huán)境提出了更嚴格的要求。因此，冷卻液應具有良好的環(huán)境友好性。

2 ?環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機冷卻液的研制

2.1 ?基礎(chǔ)液的優(yōu)選

發(fā)動機冷卻液的綜合性能與基礎(chǔ)液有著重要關(guān)系?；A(chǔ)液不僅僅是其他添加劑的載體，而且是冷卻液的主要部分，在冷卻液中所占比例大于90%。通?？蛇x擇的冷卻液基礎(chǔ)液主要是丙二醇、醇醚類、甘油類水溶液和PEG400等材料。為了滿足環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機冷卻液的綜合性能要求，需要優(yōu)選出性能合適的、性價比高的基礎(chǔ)液。此外，通過大量的行車試驗可知，無水冷卻液更適合于重負荷LNG發(fā)動機，同時也能較好地滿足環(huán)保法規(guī)要求。

目前，在工程技術(shù)領(lǐng)域中，相關(guān)工作者已經(jīng)提出許多具有現(xiàn)實意義的發(fā)動機冷卻液綜合性能評價方法，如層次分析法[5]、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、模糊數(shù)學法[7]、多屬性評價法[8]、理想點法[9]等。由于影響冷卻液性能的因素是來自多方面的，多目標的因素評價出最優(yōu)解在實際應用中是非常困難的。理想點法較好地解決了多因素影響問題，它構(gòu)造出新的評價函數(shù)，可將開始的復雜問題轉(zhuǎn)化為單目標規(guī)劃問題，通過求解該單目標規(guī)劃問題就能間接得出開始復雜問題的最近值或最優(yōu)值[10]。

表1為丙二醇、PEG400的相關(guān)理化性質(zhì)。將丙二醇、PEG400、30%的丙二醇與70%的PEG400復合、50%的丙二醇與50%的PEG400復合進行比較，其基礎(chǔ)液基本特性評價如表2所示。

2.1.1 ?構(gòu)建基礎(chǔ)液理想點目標決策矩陣

設(shè)有n個影響評價的多屬性目標 ，即 ，并且確定有t個配方方案，記為U。根據(jù)多屬性目標方案F的方程問題，從而得到配方方案矩陣U：

2.1.7 ?基礎(chǔ)液的篩選結(jié)果分析

最后方案評價依次對應的基礎(chǔ)液是丙二醇、PEG400、30%的丙二醇與70%的PEG400復合、50%的丙二醇與50%的PEG400復合。則C1>C4>C3>C2，由此可以看出，丙二醇作為基礎(chǔ)液更能滿足發(fā)動機冷卻液的性能要求。

2.2 ?緩蝕劑的選擇

在發(fā)動機中，與冷卻液直接接觸的多種類有色金屬合金部件較多，對于大多數(shù)的有色金屬合金部件而言，這將在很大程度上加快有色金屬合金部件腐蝕速度，減少其使用壽命。為了確保發(fā)動機冷卻系統(tǒng)長時間的正常工作，冷卻液必須具備很好的防腐蝕能力。因此，為了延長有色金屬合金部件的使用壽命，減緩腐蝕速度，需要在冷卻液中加入適當?shù)慕饘倬徫g劑。隨著有機酸腐蝕抑制劑技術(shù)的不斷發(fā)展，在發(fā)動機冷卻液研制中，選擇采用芳香酸和脂肪酸。

苯甲酸鈉在空氣中穩(wěn)定，易溶于水，其水溶液呈弱堿性，具有殺菌、抑菌功能，常被用作冷卻液的緩蝕劑。甲基苯三唑?qū)︺~、鑄鋁、鑄鐵、鋼、鋅等金屬材料有防蝕作用，可與多種緩蝕劑復合使用，提高緩蝕效果。苯甲酸鈉與甲基苯三唑復合使用，具有良好的防腐蝕效果。采用40%～50%的苯甲酸鈉與60%～50%的甲基苯三唑復合的緩蝕劑，可以使研制的冷卻液滿足防腐蝕的性能要求。

采用發(fā)動機冷卻液玻璃器皿腐蝕測定方法SH/T0085方法進行試驗，確定出苯甲酸鈉與甲基苯三唑1∶1復合的添加量和考察其對金屬試片的影響。試驗結(jié)果如表3所示。

由圖1可知，隨著添加量的增加，各金屬試片失重質(zhì)量逐漸趨向平穩(wěn)，腐蝕的質(zhì)量逐漸減少。根據(jù)圖中的曲線變化規(guī)律，確定苯甲酸鈉與甲基苯三唑復配的合適的添加量為0.8%～1.6%。

2.3 ?緩蝕助劑的選擇

由于重負荷LNG發(fā)動機，工況惡劣，工作時間長，對冷卻液可靠性和耐久性有十分嚴格要求。因此，對緩蝕性能提出嚴格要求。在研制冷卻液過程中，需要添加緩蝕助劑來增強緩蝕能力。為了保證冷卻液的防蝕性能，通過實驗確定采用50%的以精制蓖麻油制取的癸二酸與50%的二乙基乙酸復合作為緩蝕助劑。

2.4 ?防銹劑的選擇

為了減少金屬的腐蝕，需要在冷卻液中加入防銹劑。其主要機理是在金屬表面形成一層致密保護膜，使金屬表面與空氣、水隔離[13]。T703（十七烯基咪唑啉烯基丁二酸鹽）具有良好的酸中和及油溶性能，能在金屬表面形成保護膜，對金屬如銅、鋁及其合金、各種鍍層有極好的防銹性能，對其他添加劑有助溶作用。考慮到溶解度方面，T703與T702復合使用作為防銹劑。

T703與T702復合進行玻璃器皿腐蝕試驗，試驗條件為：恒溫88 ℃，空氣流量為100 mL/min，實驗時間持續(xù)48 h，實驗結(jié)果如表4所示。

由圖2可知，隨著T703與T702的添加量的增加，各試片的失重趨勢逐步向零集中，紫銅、鋼、黃銅、鑄鋁、焊錫腐蝕量逐漸減小，而鑄鐵失重變化很明顯，腐蝕量趨向于零。根據(jù)各曲線變化規(guī)律，確定T703與T702復合的添加量為0.7%～1.2%。

2.5 ?消泡劑的選擇

冷卻液在工作過程中，由于不斷泵循環(huán)、震蕩和受到發(fā)動機冷卻液中活性物質(zhì)的影響，就會產(chǎn)生大量的氣泡。氣泡不僅會阻礙冷卻液流動，而且還會導致傳熱性能下降，甚至還可能加劇氣穴腐蝕，損壞氣缸壁和水箱壁。嚴重時，使水泵不能正常工作。因此，添加適當?shù)南輨┦欠浅Ｖ匾?。二甲基硅油具有良好的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、疏水性好，并具有較高的抗剪切能力，可在-50～200 ℃下長期使用，可直接用于防潮絕緣、阻尼、減震、消泡、潤滑等方面，被廣泛用于作消泡添加劑。添加50～100 ppm的二甲基硅油到研制的冷卻液中，能滿足冷卻液對消泡性能的技術(shù)要求。

2.6 ?阻垢分散劑和儲備堿度（RA）的選擇

冷卻液中通常存在有鈣、鎂等離子，易導致冷卻系統(tǒng)內(nèi)表面產(chǎn)生水垢。由于水垢導熱性較差，還會導致冷卻系統(tǒng)管路變窄。因此，水垢會嚴重影響冷卻系統(tǒng)傳熱效果。加入阻垢分散劑，可以使水垢分散成微小的顆粒不易結(jié)垢。研究中采用氨基三亞甲基磷酸，可以獲得滿意的效果。此外，冷卻液還常要求有一定的儲備堿度，將根據(jù)有機酸的溶解度采用濃度45%氫氧化鉀溶液。

2.7 ?染色劑的選擇

為方便顯示冷卻系統(tǒng)泄露的具體位置，一般要求冷卻液具有比較醒目的顏色。研究中采用帶熒光綠色的染色劑。

3 ?研制的冷卻液的性能測試

對制作出了一種新型的環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機冷卻液，進行相關(guān)實驗測試，其主要的技術(shù)指標如表5所示。

4 ?結(jié) 論

（1）針對環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機的工作環(huán)境和特點，基于理想點法，對環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機冷卻液的組分進行篩選，選出了以丙二醇作為基礎(chǔ)液，研發(fā)出相應添加劑配方，研制的冷卻液具有良好的抗蝕抗銹性、熱穩(wěn)定性、抗泡沫性、

（2）通過實驗對冷卻液相關(guān)性能的檢測結(jié)果表明：基于理想點的環(huán)境友好重負荷LNG發(fā)動機冷卻液的配方技術(shù)是可行的，并且在實車運行試驗中取得良好效果。

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