基于理想點法的重負荷LNG發動機冷卻液的研制

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）發動機冷卻液的基礎液篩選和分析，由此評價出了研制冷卻液的最佳基礎液。然后通過玻璃器皿腐蝕試驗對緩蝕劑、防銹劑進行優選，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、防銹劑的最優添加量為0.8%～1.6%、0.7%～1.2%;最后對全配方的環境友好重負荷發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 ?鍵 ?詞：理想點法;LNG發動機;冷卻液;基礎液;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

隨著經濟的快速發展，溫室氣體效應和汽車尾氣排放對環境的影響日趨嚴重，極大推動了清潔能源和新能源汽車的技術進步，尤其是對液化天然氣（LNG）發動機的研究。商業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

展[1]。LNG是天然氣在常壓狀態下，經過預處理和系列脫烴、硫等雜質之后，再經溫度降到-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燃氣發動機的冷卻系統不同于普通燃料發動機，因為它需要吸收發動機熱量將LNG從液態轉變為氣態燃料供給發動機;重負荷LNG發動機通常需要長時間在接近額定功率狀況下運轉。因此，重負荷LNG發動機具有強化程度高、工作時間長、載重噸位大、燃燒產生的熱量多等特點。

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動機正常工作運行，是在發動機冷卻系統內循環的介質，起到防凍、冷卻、防銹、防垢、防腐蝕、改善散熱效果，提高發動機效率和延長使用壽命等作用。通常冷卻液由于生產廠家不同，而添加不同的顏色，以便觀察冷卻系統是否泄漏，并與發動機其他油液有所差別，避免混用。目前市場上銷售的發動機冷卻液通常是乙二醇-水溶液為基礎液，添加了不同種類的添加劑，來確保不同種類型號的發動機使用。因為不同使用工況，采用不同的添加劑配方技術，所以導致發動機冷卻液形成不同系統的冷卻液產品。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發動機正常工作必不可少的工作介質。它能抑制重負荷LNG發動機的相關部件腐蝕或產生的冷卻系統內沉積物，為及時使液態LNG轉化為氣態提供熱量，避免其不必要的能源消耗。選擇合適的冷卻液，既可以減少發動機機能損耗、減少腐蝕與磨損、延長發動機使用壽命，又可以減少對環境的排放污染。因此研制適用的重負荷LNG發動機冷卻液十分重要。

在研制過程中，基于理想點法，對冷卻液的基礎液進行優選，選擇出合適的基礎液，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，確定了新的重負荷LNG發動機冷卻液配方。

1 ?重負荷LNG發動機主要性能要求

在大多數情況下，重負荷LNG發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、高磨損等環境下。在這類特殊運行工況和運行環境下，重負荷LNG發動機的冷卻系統比其它類型發動機的綜合性能要求更加苛刻。

（1）防銹蝕與腐蝕性能

由于發動機內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發動機在苛刻的工作條件下，這類金屬材料容易發生銹蝕、腐蝕，使發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）適當的灰分

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

（3）良好的抗泡和抗氣穴蝕性能

LNG發動機在運行過程中，由于受到機體不斷產生的震動、泵送和發動機冷卻液中所含有的表面活性物質的共同作用，會無法避免地產生大量氣泡。極易導致冷卻系統的管路中流量減少，使冷卻系統的冷卻效果下降;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。當發動機快速運動時，帶動缸瓦震動，缸瓦內壁與發動機冷卻液接觸部分也會產生大量氣泡;所產生的氣泡隨著震動破裂，沖擊襯套的表面，產生氣穴效應，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發動機具有高溫度、長時間連續使用等特點，常常會導致發動機內部過熱，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，冷卻液在低溫環境下應不凍霜或結冰，以避免冷卻系統的管路受凍爆管和水箱脹裂泄露;同時必須保證發動機可以隨時啟動正常工作。因此，重負荷LNG發動機應具有抑沸和抗凍性能。

（5）良好的環境友好性能

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

2 ?環境友好重負荷LNG發動機冷卻液的研制

2.1 ?基礎液的優選

發動機冷卻液的綜合性能與基礎液有著重要關系。基礎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%。通常可選擇的冷卻液基礎液主要是丙二醇、醇醚類、甘油類水溶液和PEG400等材料。為了滿足環境友好重負荷LNG發動機冷卻液的綜合性能要求，需要優選出性能合適的、性價比高的基礎液。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發動機，同時也能較好地滿足環保法規要求。

目前，在工程技術領域中，相關工作者已經提出許多具有現實意義的發動機冷卻液綜合性能評價方法，如層次分析法[5]、 神經網絡法[6]、模糊數學法[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，它構造出新的評價函數，可將開始的復雜問題轉化為單目標規劃問題，通過求解該單目標規劃問題就能間接得出開始復雜問題的最近值或最優值[10]。

表1為丙二醇、PEG400的相關理化性質。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，其基礎液基本特性評價如表2所示。

2.1.1 ?構建基礎液理想點目標決策矩陣

設有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 ?基礎液的篩選結果分析

最后方案評價依次對應的基礎液是丙二醇、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，丙二醇作為基礎液更能滿足發動機冷卻液的性能要求。

2.2 ?緩蝕劑的選擇

在發動機中，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。為了確保發動機冷卻系統長時間的正常工作，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的金屬緩蝕劑。隨著有機酸腐蝕抑制劑技術的不斷發展，在發動機冷卻液研制中，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。甲基苯三唑對銅、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，各金屬試片失重質量逐漸趨向平穩，腐蝕的質量逐漸減少。根據圖中的曲線變化規律，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48 h，實驗結果如表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。根據各曲線變化規律，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、震蕩和受到發動機冷卻液中活性物質的影響，就會產生大量的氣泡。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，添加適當的消泡劑是非常重要的。二甲基硅油具有良好的化學穩定性、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，易導致冷卻系統內表面產生水垢。由于水垢導熱性較差，還會導致冷卻系統管路變窄。因此，水垢會嚴重影響冷卻系統傳熱效果。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境友好重負荷LNG發動機冷卻液，進行相關實驗測試，其主要的技術指標如表5所示。

4 ?結 論

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

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

參考文獻：

[1]原洋平. 某重型汽車機械式變速器設計與研究[D]. 吉林大學， 2011.

[2]王浩. 重型卡車LNG發動機潤滑油的研究[D]. 長安大學，2015.

[3] 余春松， 鄭波. 重負荷發動機冷卻液的發展與現狀[J]. 潤滑與密封， 2006，（4）：179-181.

[4]李紅波.機動車冷卻液的選擇和使用[J].物探裝備，2006，16（b08）：61-63.

[5]陳一帆， 魏雅男， 唐弓斌，等.采用模糊層次法的全配方重負荷發動機冷卻液研制[J]. 潤滑與密封， 2017，42（8）：115-119.

[6]朱慶鋒，徐中平，王力. 基于模糊綜合評價法和BP神經網絡法的企業控制活動評價及比較分析[J]. 管理評論，2013，25（8）：113-123.

[7]金婷，譚勝兵，汪成. 模糊數學法在煎餅感官評定中的應用[J]. 食品研究與開發，2017，38（3）：25-27.

[8] 陳敏慧， 封學軍， 王偉. 基于多屬性綜合評價法的港口節能減排水平評價*[J]. 水運工程， 2012，（4）：75-79

[9]劉愚. 基于熵權—理想點法的大壩安全評價模型及應用[J]. 水電能源科學， 2016，34（5）：73-76.

[10]田剛， 向波， 朱登軍. 理想點法在水庫水沙優化調度中的應用[J]. 華北水利水電學院學報， 2009， 30（2）：17-19.

[11]張衛紅， 劉永亮， 許炎義. 多屬性決策中決策矩陣的規范化研究[C].中國青年運籌與管理學者大會，2004.

[12]李秉， 王鳳山， 李煒，等. 基于理想點法的防空導彈抗電子干擾能力評價[J]. 兵工自動化， 2008， 27（3）：31-33.

[13]Tang G ， Hu X ， Huang F . Development of special lubricant for the zirconium alloy section cold rolling[J]. Journal of Alloys & Compounds， 2017， 717：116-120.