發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)水冷卻液的適用性探討

摘要：近些年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)水冷卻液逐漸出現(xiàn)在汽車后市場(chǎng)，具有保質(zhì)期長(zhǎng)、沸點(diǎn)高的優(yōu)點(diǎn)，但也有相關(guān)案例表明車輛在加注無(wú)水冷卻液后出現(xiàn)故障。本文就無(wú)水冷卻液在家用汽油機(jī)車輛上使用時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)無(wú)水冷卻液的雖然有沸點(diǎn)高、升溫快等優(yōu)點(diǎn)，但也可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)散熱不足導(dǎo)致過(guò)熱、機(jī)油溫度升高、與原車熱管理系統(tǒng)不匹配的不利影響。因此，在后市場(chǎng)應(yīng)該謹(jǐn)慎使用無(wú)水冷卻液。

Abstract： In recent years， waterless engine coolant has gradually appeared in the automotive aftermarket， with the advantages of long shelf life and high boiling point， but there are also relevant cases that show the failure of the vehicle after filling with waterless coolant. This paper discusses the effects of waterless coolant on engines when used in domestic gasoline engine vehicles. It is found that although waterless coolant has the advantages of high boiling point and fast temperature rise， it may also cause the adverse effects of insufficient engine heat dissipation leading to overheating， elevated oil temperature， and mismatch with the original thermal management system. Therefore， waterless coolant should be used with caution in the aftermarket.

關(guān)鍵詞：無(wú)水冷卻液;發(fā)動(dòng)機(jī);適用性

Key words： waterless coolant;engine;applicability

中圖分類號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0032-02

0? 引言

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量如果不及時(shí)冷卻的話，將造成發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。因此，現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)均需要冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)常用的冷卻液為水和乙二醇的混合液，再通過(guò)添加劑增加其防腐、防銹等性能。近些年來(lái)，無(wú)水冷卻液逐漸出現(xiàn)在汽車后市場(chǎng)。無(wú)水冷卻液由于不含水，可以做到無(wú)水垢，較低的蒸氣壓，升溫快等特點(diǎn)，且其主要成分丙二醇毒性低、易降解，相比傳統(tǒng)冷卻液中的乙二醇更加環(huán)保。

此前，由于無(wú)水冷卻液可以完全消除發(fā)動(dòng)機(jī)濕式缸套的點(diǎn)蝕、氣穴等現(xiàn)象，多用于重負(fù)荷柴油機(jī)、賽車和高性能車輛上;國(guó)外部分國(guó)家出于環(huán)保考慮，禁止采用乙二醇，丙二醇無(wú)水冷卻液在家用車領(lǐng)域也已經(jīng)使用多年。在我國(guó)，無(wú)水冷卻液的使用并不普遍，尚無(wú)主機(jī)廠在出廠車輛上原裝配備無(wú)水冷卻液，僅有愛(ài)溫等品牌在后市場(chǎng)推廣使用。

那么，對(duì)于當(dāng)前原裝為乙二醇冷卻液的車輛，使用丙二醇無(wú)水冷卻液的適用性如何，本文對(duì)此進(jìn)行研究。

1? 典型冷卻液簡(jiǎn)介

當(dāng)前常見(jiàn)的冷卻液分為三類：水、水與乙二醇按比例勾兌而成的含水冷卻液以及以丙二醇為主要成分的無(wú)水冷卻液。以純凈水、50%比例乙二醇冷卻液、愛(ài)溫品牌NPG+無(wú)水冷卻液為例，其物理性能見(jiàn)表1[1]。

由各類常見(jiàn)冷卻液的物理性質(zhì)可見(jiàn)，純水由于沸點(diǎn)低、冰點(diǎn)高，夏天易“開(kāi)鍋”，冬天易結(jié)冰導(dǎo)致缸體破裂，當(dāng)前已經(jīng)很少使用。NPG+的沸點(diǎn)高達(dá)191℃，比乙二醇冷卻液高約60℃，比純凈水高約90℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫時(shí)打開(kāi)冷卻液蓋，也不會(huì)導(dǎo)致蒸汽噴發(fā)，亦不會(huì)因產(chǎn)生高溫蒸汽導(dǎo)致冷卻液損失。其冰點(diǎn)-40℃，也低于傳統(tǒng)冷卻液，可以滿足在高寒地區(qū)使用的要求。同時(shí)，其較高的沸點(diǎn)決定了無(wú)水冷卻液可以工作在水箱蓋無(wú)壓力的條件下，甚至工作在高海拔低壓情況下。

但無(wú)水冷卻液具有多種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也具有粘度大、比熱容小的問(wèn)題。在10℃時(shí)，傳統(tǒng)冷卻液的動(dòng)力粘度為5.0Pa·s×10-3，但無(wú)水冷卻液的粘度高達(dá)58Pa·s×10-3，是傳統(tǒng)冷卻液的10倍還多，是純凈水的近50倍;在100℃時(shí)，無(wú)水冷卻液的動(dòng)力粘度也達(dá)到傳統(tǒng)冷卻液粘度3倍多。

在比熱容上，100℃時(shí)，無(wú)水冷卻液的比熱容為傳統(tǒng)冷卻液的80%，在高負(fù)荷工況下，有散熱能力不足的風(fēng)險(xiǎn)。

2? 無(wú)水冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

2.1 對(duì)冷起動(dòng)性能的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)時(shí)，需要快速升溫，以盡快達(dá)到工作溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)關(guān)閉的節(jié)溫器的使得冷卻液進(jìn)行小循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)水溫快速上升。換用無(wú)水冷卻液后，由于其比熱容低于傳統(tǒng)冷卻液，吸收同樣多的熱量時(shí)，上升的溫度更高，因此升溫更快。同時(shí)，由于無(wú)水冷卻液的粘度更大低溫時(shí)流動(dòng)性差，進(jìn)一步縮短了其升溫時(shí)間。

因此，無(wú)水冷卻液可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)升溫過(guò)程，讓發(fā)動(dòng)機(jī)更快進(jìn)入工作溫度。

2.2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到工作溫度后，節(jié)溫器會(huì)打開(kāi)，冷卻液進(jìn)入大循環(huán)。在車輛熱車行駛時(shí)，由于無(wú)水冷卻液的比熱容低于傳統(tǒng)冷卻液，散熱能力會(huì)低于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，冷卻液和缸體的溫度也會(huì)使用傳統(tǒng)冷卻液的發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)差別的優(yōu)點(diǎn)在于，由于冷卻液的溫度較高，在一定程度上可以降低熱損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，理論上可以降低油耗。

但較低的比熱容將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)載的工況下，冷卻液的散熱能力低于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，冷卻液的回水口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、機(jī)油溫度均會(huì)上升，發(fā)動(dòng)機(jī)總體的熱負(fù)荷也會(huì)上升，如果發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留的余量不足的話，可能導(dǎo)致部件損壞。此前，有使用無(wú)水冷卻液導(dǎo)致橡膠件在高溫下?lián)p壞的案例及發(fā)動(dòng)機(jī)高溫報(bào)警的案例。

2.3 對(duì)機(jī)油溫度的影響

但是，在具有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，由于冷卻液冷卻能力低，使用無(wú)水冷卻液會(huì)導(dǎo)致機(jī)油溫度上升5-10℃。這種機(jī)油溫度上升的情況，將導(dǎo)致機(jī)油的散熱壓力增大，且粘度隨溫度的上升而下降，以某品牌5W-30機(jī)油為例，如果機(jī)油溫度從110℃上升到120℃的話，其運(yùn)動(dòng)粘度將從8.592mm2/s下降到7.171mm2/s，粘度下降了16%，過(guò)低的粘度可能導(dǎo)致潤(rùn)滑不良。同時(shí)機(jī)油溫度升高也會(huì)導(dǎo)致在同一轉(zhuǎn)速和壓力下，機(jī)油泵流量降低[2]。再加上本身就升溫的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，三個(gè)因素共同作用，有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)磨損加劇。

2.4 對(duì)油耗的影響

之間有實(shí)驗(yàn)證明，使用無(wú)水冷卻液，對(duì)柴油機(jī)有降低油耗的效果[3]，但在家用汽油車領(lǐng)域，尤其是在熱管理系統(tǒng)復(fù)雜的高端汽車領(lǐng)域，并無(wú)實(shí)驗(yàn)證明其節(jié)油效果。

雖然較高的工作溫度在一定程度上可以提高熱效率，但由于冷卻液溫度較高，散熱器電子扇會(huì)更早開(kāi)始工作，且無(wú)水冷卻液粘度較大，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)阻力較大，多個(gè)因素相互左右，油耗并不會(huì)明顯下降，甚至可能會(huì)上升。

2.5 對(duì)抗腐蝕性的影響

無(wú)水冷卻液相比純凈水和早期的乙二醇冷卻液，在抗腐蝕性能上有較大優(yōu)勢(shì)，但是相比于添加有機(jī)酸的長(zhǎng)效乙二醇冷卻液而言，其抗腐蝕效果并無(wú)明顯差異。當(dāng)前較為先進(jìn)的乙二醇冷卻液也可以做到10萬(wàn)公里以上的壽命，甚至可以實(shí)現(xiàn)終身免維護(hù)。

2.6 對(duì)沸騰溫度的影響

無(wú)水冷卻液的沸點(diǎn)可以達(dá)到190℃以上，可以實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)在低壓下工作，防止冷卻液“開(kāi)鍋”。但從某種程度上將，“開(kāi)鍋”本身是一種冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的故障狀態(tài)，使用無(wú)水冷卻液后，如果發(fā)生同類故障，冷卻液雖然不會(huì)開(kāi)鍋，但是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的溫度仍然會(huì)上升，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)油失效，燒瓦抱軸，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整體報(bào)廢。

2.7 對(duì)帶高級(jí)熱管理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

早期的發(fā)動(dòng)機(jī)只能通過(guò)打開(kāi)與關(guān)閉節(jié)溫器及控制散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，在節(jié)溫器設(shè)計(jì)好以后，冷卻液的工作溫度不會(huì)有大的變化。現(xiàn)在很多車輛具有相對(duì)復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，比如有的車配備了電子水泵，有的車配備了電子節(jié)溫器，還有的車配備了關(guān)閉氣缸冷卻液循環(huán)的功能。對(duì)于配備了這些高級(jí)熱管理系統(tǒng)的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液可以在不同的溫度下工作，在需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率以降低油耗時(shí)，可以通過(guò)提高電子節(jié)溫器打開(kāi)溫度等方式，提高冷卻液工作溫度。此時(shí)，如果換用了無(wú)水冷卻液發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仍會(huì)將冷卻液水溫控制在標(biāo)定溫度附近，此時(shí)可能會(huì)有散熱不足的情況發(fā)生，油耗也無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。

2.8 對(duì)配備了水冷空調(diào)和水冷中冷器的車輛的影響

當(dāng)前大部分車輛的空調(diào)冷凝器為風(fēng)冷冷凝器，渦輪增壓中冷器也多為風(fēng)冷。但當(dāng)前寶馬等高端品牌的車輛也逐漸開(kāi)始配備水冷的空調(diào)冷凝器[4]和水冷的增壓中冷器。這些車輛的空調(diào)制冷劑及增壓后的進(jìn)氣，并不直接通過(guò)吹風(fēng)散熱，而是與冷卻液進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)間接的冷卻。

如果換用了無(wú)水冷卻液，可能會(huì)破壞原廠設(shè)計(jì)好的工作溫度，從而影響空調(diào)系統(tǒng)的工作，也可能使得進(jìn)氣溫度上升。

3? 結(jié)論

無(wú)水冷卻液雖然具有沸點(diǎn)高等優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前市面上家用車的發(fā)動(dòng)機(jī)在原廠設(shè)計(jì)時(shí)匹配的均是乙二醇冷卻液，在沒(méi)有進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和匹配的情況下，自行更換為無(wú)水冷卻液，并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，還可能破壞原車設(shè)計(jì)的熱平衡。加之當(dāng)前無(wú)水冷卻液售價(jià)高昂，更換復(fù)雜，沒(méi)有特殊要求，應(yīng)該謹(jǐn)慎更換使用。

參考文獻(xiàn)：

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