ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ТЯЖЕЛЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК C09K5/10 

Изобретение относится к системам охлаждения двигателя внутреннего сгорания, в которых жидкостное охлаждение с охладителем достигает температуры кипения более высокой, чем температура кипения при атмосферном давлении.

Жидкостное охлаждение такого типа характерно для высокофорсированных или быстроходных двигателей внутреннего сгорания, в которых средняя скорость поршня достигает значений, больших 12 м/с, а литровая мощность достигает значений до 40 кВт/л.

К таким двигателям в настоящее время в России могут быть отнесены двигатели типов: ЯМЗ-840 (ОАО «Ярославский моторный завод»), КамАЗ-7403.10 (ОАО «КАМАЗ»), УТД-32 (ОАО «Барнаултрансмаш»), В-84МС (Челябинский тракторный завод «Уралтрак»).

Особенностью эксплуатации транспортных средств, укомплектованных такими двигателями, является использование их в тяжелых дорожных и климатических условиях, а также вне дорог.

Климатический диапазон использования транспортных средств лежит в пределах: минус 60...50°С. Характер выполняемых такими транспортными средствами работ требует от них высоких тягово-динамических показателей и показателей надежности в экстремальных условиях (жарко-пустынных местностях, пониженных температур приполярных областей, высокогорья, бездорожья, длительное использование холостого хода двигателя) и определяет комплекс специальных технических требований как к образцу двигателя в целом, так и к его составным частям.

Указанные условия работы создают повышенную тепловую и вибрационную нагруженность цилиндропоршневой группы, которые вызывают высокочастотные колебания втулки, а со стороны, омываемой охладителем или охлаждающей жидкостью, возникают вскипание и кавитация. Спектры вибрации деталей двигателя, подвергаемых кавитационному разрушению, расположены в широком диапазоне частот: от 5 до 22000 Гц. В зависимости от типа двигателя, контура втулки цилиндра и ряда других деталей количество и характер кавитационных разрушений может быть различным.

Однако все виды разрушений и вскипание жидкости могут быть в значительной мере предотвращены путем применения в них в качестве охладителя всесезонной охлаждающей жидкости, обладающей достаточным запасом защитной способности от кавитации.

Исходя из вышеизложенного при создании изобретения ставилась задача получения в качестве охладителя охлаждающей жидкости с улучшенными эксплуатационными свойствами, а именно защитой деталей системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания от воздействия кавитации [1], широким температурным интервалом работоспособности от минус 60 до 120°С при давлении 101,3 кПа (или 140°С при давлении не более 250 кПа) [2] и достаточной для обеспечения теплорассеивающей способности радиаторов теплоемкостью при рабочих температурах.

Анализ научно-технической литературы и патентной документации выявил ряд технических решений.

Известны общие технические условия на жидкости охлаждающие низкозамерзающие по российскому стандарту, которые содержат в себе технические требования и нормы для ряда физико-химических показателей и совместимости с конструкционными и уплотнительными материалами [1. - ГОСТ 28084-89, 1994, с.2-3].

Недостатком общих технических условий является то, что они не содержат в себе требования проведения оценки защитной способности охлаждающих жидкостей от кавитации и вскипания в тяжелых условиях эксплуатации.

Известными зарубежными стандартами на спецификации к охлаждающим жидкостям для двигателей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, предусматривается оценка кавитационных эрозионно-коррозионных характеристик [2. - ASTM D 4985-94; 3. - ASTM D 6210-04].

По данным спецификациям защитная способность охлаждающей жидкости от кавитации оценивается визуально по состоянию автомобильного алюминиевого насоса после 100-часовых испытаний в условиях гидродинамической кавитации.

Недостатком оценки эксплуатационных свойств жидкости по данным спецификациям является то, что результаты испытаний, полученные рекомендуемым методом, не могут быть распространены на степень разрушения втулок и стенок блоков цилиндра двигателя, подвергающихся воздействию вибрационной кавитации.

Близким техническим решением, или аналогом, является известная охлаждающая рабоче-консервационная жидкость для систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта и для обеспечения противокоррозионной защиты деталей системы охлаждения автомобильной техники длительного хранения, имеющая состав, мас.%:

Этиленгликоль66-69Натрий фосфорнокислый двузамещенный0,3-0,25Декстрин картофельный1,2-1,3Морфолин паранитробензойнокислый0,7-0,8Глицерин8-10Натрий олеиновокислый0,11-0,13Вода дистиллированная или паровой конденсатОстальное

[4. - Патент РФ №2206591, 2003 г.].

Данная жидкость обеспечивает противокоррозионную защиту металлов системы охлаждения в паровой фазе и не уступает по физико-химическим свойствам допущенной к применению в автомобильной технике жидкости.

Недостатком известной жидкости является то, что среди заявленных характеристик отсутствует защитная способность от кавитации и вскипания в тяжелых условиях эксплуатации. Использование данной известной жидкости в качестве прототипа не предоставляется возможным.

Другим близким техническим решением является ингибирующий коррозию антифриз, содержащий от 0,01 до 10 мас.% водной композиции, от 90 до 98,9 мас.% водно-спиртового раствора с температурой замерзания ниже 0°С, причем спирт относится к группе, состоящей из метанола, этанола, 2-пропанола, глицерина, этиленгликоля, диэтиленгликоля, пропиленгликоля, 1-метокси-2-пропанола, метил-, этил-, пропил- и бутиловых эфиров этиленгликоля [5. - Патент РФ №2249634, 2005].

Данный ингибирующий антифриз повышает защиту изделий из различных металлов от полиметаллической и кавитационной коррозии.

Недостатком известного ингибирующего антифриза является то, что он защищает металл в условиях испытаний, приводящих к локальным вариациям скорости и давления, а также температурным градиентам, природа которых обуславливает возникновение феномена кавитации, не являющегося типичным для условий работы высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания, поскольку данный феномен представляет собой кавитацию гидродинамическую, а не вибрационную. Вибрационная кавитация в высокофорсированных двигателях внутреннего сгорания приводит не к коррозии, а к эрозии, имеющей усталостный характер, иначе разрушению описанных выше определенных деталей системы охлаждения.

Кроме того, данное изобретение по заявленным характеристикам не улучшает эксплуатационные свойства, связанные с повышением температуры кипения и теплоемкости при рабочих температурах и обеспечивающие работоспособность двигателя в тяжелых условиях эксплуатации при ограниченных размерах теплорассеивающих устройств транспортной техники.

Наиболее близким по технической сущности и взятой за прототип является жидкость охлаждающая низкозамерзающая марки «65», выпускаемая рядом российских предприятий, используемая в настоящее время в качестве допущенной Госстандартом России к эксплуатации в транспортных средствах, укомплектованных высокофорсированными двигателями внутреннего сгорания, и имеющая следующий состав, мас.%:

Этиленгликоль66-69Натрий фосфорнокислый двузамещенный0,30-0,35Декстрин картофельный1,2-1,3Вода дистиллированная или паровой конденсат29,35-32,5

[6. - ГОСТ 159-52. Жидкость охлаждающая низкозамерзающая марки «40» и «65» - (прототип)].

Недостатком известной жидкости являются низкая защитная способность от кавитационного разрушения, или эрозии, деталей системы охлаждения, во-первых, и относительно низкая при давлении 101,3 кПа температура кипения, во-вторых. Применение такой жидкости в ряде высокофорсированных двигателей, указанных выше, по нормативной документации требует дополнительного введения ингибирующих присадок типа «Инкорт» (ТУ 113-07-013-90) и «Кавикор» (ТУ 2472-005-00148820-97), а также специальных теплорассеивающих устройств, как, например, водомасляный насос и охладитель наддувочного воздуха.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении эксплуатационных свойств охлаждающей жидкости, обеспечивающих защиту деталей двигателя внутреннего сгорания, омываемых охлаждающей жидкостью, в том числе втулок и стенок цилиндра, от кавитационного разрушения, и увеличение теплорассеивающей способности радиаторов за счет повышения температуры кипения охлаждающей жидкости до 140°С при давлении 250 кПа, что особенно характерно при ограниченных размерах радиаторов.

Этот технический результат достигается тем, что охлаждающая жидкость для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания и тяжелых условий эксплуатации на водной основе согласно изобретению дополнительно содержит пропиленгликоль, триэтаноламин, натрий олеиновокислый, морфолин паранитробензойной кислоты, антивспениватель при следующем соотношении, мас.%:

Пропиленгликоль63-80Триэтаноламин1Натрий олеиновокислый0,1Морфолин паранитробензойной кислоты0,8Антивспениватель0,05Вода дистиллированная или паровой конденсатдо 100

Качество компонентов, выпускаемых российскими предприятиями, соответствует нормативной документации: пропиленгликоль - по ТУ 6-01-926-79, триэтаноламин по ТУ 6-09-2448-92, морфолин по ТУ 6-09-649-85, паранитробензойная кислота по ТУ 6-02-12-73-83, натрий олеиновокислый по ТУ 6-09-1224-83.

В качестве антивспенивателя используются блоксополимеры окиси этилена и окиси пропилена с молекулярной массой 4000-10000 (проксанолы или пропинолы по ТУ 6-14-1486-75).

Морфолиновую соль паранитробензойной кислоты получают смешением в эквимолярном соотношении морфолина и паранитробензойной кислоты.

Предлагаемую охлаждающую жидкость готовят следующим образом.

В емкость загружают сначала воду, потом пропиленгликоль и морфолин паранитробензойной кислоты. Полученную смесь перемешивают в течение 1 час и нагревают до 50°С. Затем при перемешивании вводят триэтаноламин, олеат натрия. Полученную смесь перемешивают в течение 3 часов при поддержании температуры 50°С. Затем в смесь вводят антивспениватель и снова перемешивают в течение 2 часов и фильтруют. Полученная охлаждающая жидкость готова к употреблению.

Для обоснования качественного и количественного состава компонентов были приготовлены 3 примера заявляемой композиции с различным содержанием пропиленгликоля и его аналогом - этиленгликолем, представленные в таблице 1.

Эти примеры и прототип испытывались на защитные свойства в тяжелых условиях эксплуатации, а именно: защитная способность от кавитации определялась в соответствии с методическими указаниями [7. - Стативкин Г.П. Ультразвуковые методы испытаний деталей дизелей на износ. М. ЦНИИТЭИтяжмаш, 1991, - 32 с.] и по способу определения защитной способности охлаждающих и гидравлических жидкостей от кавитации [8. - Патент РФ №2276346, 2006. Бюл.13].

Показатели защитной способности от кавитации определялись при использовании ультразвукового диспергатора УЗДН-А с рабочей частотой 22 кГц при температуре 90°С на образцах из конструкционного материала - алюминиевого сплава АК7М2МГ. Показатели температуры начала кипения и температуры замерзания определялись по ГОСТ 28084-89.

Как видно из таблицы 2, где представлены результаты оценки защитной способности, фазовых характеристик и теплоемкости примеров и прототипа, наиболее оптимальным составом обладает пример 3. Значения показателей его защитной способности от кавитации в 16 раз выше, чем у прототипа. Температура кипения примера 3 выше, чем у прототипа, и будучи равна 120°С при давлении 101,3 кПа соответствует требованиям, предъявляемым к высокофорсированным двигателям внутреннего сгорания. Температура замерзания примера 3, равная минус 67°С, не выше, чем у прототипа. Теплоемкость при рабочей температуре 100°С примеров 2 и 3 выше, чем у прототипа, что повышает теплорассеивающую способность охлаждающей жидкости.

Опытная партия охлаждающей жидкости, приготовленная по рецептуре примера 3, прошла лабораторные испытания в сравнении с прототипом [6]. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемая охлаждающая жидкость для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания и тяжелых условий эксплуатации не уступает известной жидкости по эксплуатационным (табл.2) и физико-химическим свойствам (табл.3) и проявляет следующие преимущества (или отличительные признаки):

- обеспечивает высокую защиту от кавитационного разрушения алюминиевых сплавов (табл.2, строка 1);

- обеспечивает повышенную теплорассеивающую способность системы охлаждения за счет температуры кипения, равной 120°С при 101,3 кПа, большей, чем у прототипа.

Кроме того, известная жидкость, являясь водным раствором этиленгликоля, при выкипании воды становится подверженной резкому снижению температуры замерзания, так как температура замерзания этиленгликоля равна минус 13°С. Водно-пропиленгликолевый раствор предлагаемой охлаждающей жидкости лишен этого недостатка, так как температура замерзания пропиленгликоля равна минус 60°С.

Исходя из результатов проведенных испытаний (табл.2, 3) можно утверждать, что заявляемая охлаждающая жидкость, соответствующая композиции примера 3, содержащая 80 мас.% пропиленгликоля, может быть использована в системах охлаждения высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания в тяжелых условиях эксплуатации, а соответствующая композиции примера 2, содержащая 63% пропиленгликоля, также проявляющая значительное преимущество перед известной жидкостью (прототипом) по защитной способности от кавитации, может быть рекомендована для применения в относительно более мягких температурных условиях эксплуатации высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение может быть использовано в различных областях народного хозяйства: от автономных электростанций до энергетических установок транспортных средств, преимущественно высокофорсированных и работающих в тяжелых условиях эксплуатации.

Применение изобретения позволит исключить сезонную смену охлаждающих жидкостей, одной из которых по нормативной документации является вода, с соответствующим снижением себестоимости обслуживания и повысить надежность работы двигателя за счет уменьшения кавитационных повреждений и увеличения теплорассеивающей способности системы охлаждения при ограниченных размерах теплорассеивающих устройств.

Таблица 1.
Составы примеров композиций охлаждающей жидкости, мас.%Наименование компонентовНомера примеров123Пропиленгликоль-6379Этиленгликоль79--Триэтаноламин111Натрий олеиновокислый0,10,10,1Морфолин паранитробензойной кислоты0,80,80,8Антивспениватель Пропинол П-10000,050,050,05Вода дистиллированная или паровой конденсат19 (до 100)35 (до 100)19 (до 100)

Таблица 2.
Результаты испытаний защитной способности и фазовых характеристик и оценки теплоемкости примеров композиций охлаждающей жидкости и прототипа.Наименование показателяЭталон (вода дистиллированная)Номера примеровПрототип (Марка «65»)1231. Защитная способность от кавитации, балл12280,452. Скорость кавитационного разрушения, мг/ч422 9Алюминиевый сплав АК7М2МГ, 22 кГц, 90°С)     3. Температура кипения, °С, при 101,3 кПа1001211121201144. Температура замерзания, °С, при 101,3 кПа0минус 47минус 60минус 67минус 655. Теплоемкость водно-гликолевой основы, ккал/кг·град.     при 20°С10,6490,8020,7030,732при 100°С [9]1,0050,7460,8710,8060,823

Таблица 3.
Результаты лабораторных испытаний охлаждающей жидкости для высокофорсированных двигателей (пример 3) и прототипа на соответствие требованиям ГОСТ 159-52 для марки «65».№№Наименование показателяМетоды испытанийНорма по ГОСТ 159-52 для марки «65»Значение показателя испытуемого продуктаПример 3Прототип1Внешний видПо п.1а ГОСТ 159-52Слабомутная оранжевая жидкость, не вспенивающаяся при попадании в нее нефтепродуктов и не разрушающая резиновых деталей системы охлажденияПрозрачная, светло-желтая жидкость, не вспенивающаяся при попадании в нее нефтепродуктов и не разрушающая резиновых деталей системы охлажденияСлабомутная оранжевая жидкость, не вспенивающаяся при попадании в нее нефте-продуктов и не разрушающая резиновых деталей системы охлаждения2Плотность, г/см³По ГОСТ 159-52, п.11,065-1,0901,04351,0853Коэффициент преломленияПо ГОСТ 159-52, п.1Не менее1,4001,4151,49114.Разгонка: фракция, выкипающая до 150°С, в % по весу, не болееПо п.1г ГОСТ 159-52352030.5 остаток, кипящий выше 150°С, в % по весу, не менее потери в % по весу 6479,268,8 не более 10,80,75Содержание механических примесей, не болееПо п.1л ГОСТ 159-520,0050,00330,00296.Содержание золы в %, не болееПо п.1е ГОСТ 159-520,40,370,37рН, не болееПо ГОСТ 159-52, п.18,58,47,98Температура замерзания, °СПо ГОСТ 159-52, п.1Минус 65Минус 67Минус 65

Источники информации

1. ГОСТ 28084-89. Жидкости охлаждающие низкозамерзающие. Общие технические условия. Изд-во стандартов, 1989.

2. ASTM D 4985-94. Standard Specification for Low Silicate Ethylene Glycol Base Engine Coolant for Heavy Duty Engines Requiring a Pre-Charge of Supplemental Coolant Additive (SCA).

3. ASTM D 6210-04. Standard Specification for Fully-Formulated Glycol Base Engine Coolant for Heavy Duty Engines.

4. Патент РФ №2206591. Опубликовано 20.06.2003. Бюл. №17.

5. Патент РФ № 2249634. Опубликовано 10.04. 2005. Бюл. №10.

6. ГОСТ 159-52. Жидкость охлаждающая низкозамерзающая. Изд-во стандартов, 1974.

7. Стативкин Г.П. Ультразвуковые методы испытаний деталей дизелей на износ. М., ЦНИИТЭИтяжмаш, сер, 4, вып.1, 1991, С.32.

8. Патент РФ №2276346,2006. Бюл. 13.

9. Дымент О.Н., Казанский К.С., Мирошников A.M. Под общей редакцией О.Н.Дымента. «Гликоли и другие производные окисей этилена и пропилена» М.: «Химия», 1976. 376 с.

Использование: в различных областях народного хозяйства: от автономных электростанций до энергетических установок транспортных средств, преимущественно высокофорсированных и работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Жидкость содержит, мас.%: пропиленгликоль 63-80, триэтаноламин 1, натрий олеиновокислый 0,1, морфолин паранитробензойной кислоты 0,8, антивспениватель 0,05, вода дистиллированная или паровой конденсат до 100. Технический результат - улучшение защитных свойств деталей двигателя внутреннего сгорания, в том числе втулок и стенок цилиндра, от кавитационного разрушения и увеличение теплорассеивающей способности. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Охлаждающая жидкость для высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания и тяжелых условий эксплуатации, содержащая воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит пропиленгликоль, триэтаноламин, натрий олеиновокислый, морфолиновую соль пара-нитробензойной кислоты и антивспениватель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

пропиленгликоль63-80триэтаноламин1натрий олеиновокислый0,1морфолин пара-нитробензойной кислоты0,8антивспениватель0,05вода дистиллированная или паровой конденсатдо 100