Охолоджувальні рідини для важкої техніки: кавітація гільз, присадки SCA, ELC і гібридні антифризи

Автор матеріалу: Олег Тимошенко

Для важких дизелів з «мокрими» гільзами циліндрів охолоджувальна рідина має не лише не замерзати, а й захищати гільзи від кавітації, накипу і корозії; для цього використовують рідини з присадками SCA або рідини подовженого строку служби (ELC) на карбоксилатній основі. Нижче - які несправності двигуна пов'язані з охолодженням, з чого складаються антифризи, які присадки за що відповідають і чим відрізняються традиційні, карбоксилатні та гібридні рідини.

У західній технічній літературі будь-яку охолоджувальну рідину (ОР) називають «антифриз», тобто «низькозамерзаюча рідина». В Україні антифризом традиційно називали примітивну ОР - суміш етиленгліколю з водою майже без присадок, що з'явилася як альтернатива чистій воді. Досконалішу ОР - етиленгліколь, вода і пакет присадок - називали ТОСОЛ. Цю назву свого часу не зареєстрували як торгову марку, тож ТОСОЛ випускають різні підприємства з різними пакетами присадок, і назва стала загальною для ОР на основі етиленгліколю з присадками. У статті наведено й англомовні позначення антифризів і їхніх компонентів, бо вони часто трапляються в сучасній технічній літературі.

Несправності важких дизелів, пов'язані з системою охолодження

За деякими даними, до 22 % несправностей двигунів безпосередньо і до 40 % опосередковано пов'язані з охолодженням.

Кавітація

Кавітація (від лат. cavitas - порожнеча) - утворення в рідині порожнин (кавітаційних бульбашок), заповнених парою. Вона виникає через місцеве зниження тиску в рідині, наприклад при зростанні її швидкості або через потужну високочастотну вібрацію гільз циліндрів. Фізично кавітація близька до закипання. Потрапляючи з потоком у зону вищого тиску, бульбашка схлопується з ударною хвилею, яка вибиває з поверхні металу найдрібніші частинки. Це повторюється мільйони разів, і на стінках гільз та лопатях насоса з'являються каверни і наскрізні отвори, ніби проколоті голкою.

Блукаючі струми

Однією з причин руйнування «мокрих» гільз є блукаючі струми, що проходять через ОР на «масу». При замиканні в електропроводці струм іде шляхом найменшого опору, і часто ним стає система охолодження. За даними джерела, струм швидко розкладає нітрити, які захищають гільзи від кавітації. Джерело наводить приклад магістральної вантажівки в США, у якої через 9,5 тис. км після виїзду в рейс зруйнувалися гільзи циліндрів, а причиною стало замикання в стартері.

Накип, шлам і хлориди

Поширені й інші причини: відкладення накипу і шламу, а також хлориди з води, які посилюють корозію і в тяжких випадках сильно пошкоджують чавунні гільзи. Накип утворюється на гарячих стінках гільз через випадання в осад солей кальцію і магнію, які разом із частинками домішок і продуктами корозії «прикипають» до металу. Накип має дуже низьку теплопровідність, тож деталі циліндропоршневої групи перегріваються. Традиційні ОР із силікатами можуть утворювати гелі, а рідини з фосфатами - нерозчинний осад (шлам), що накопичується в застійних зонах сорочки охолодження і в нижньому бачку радіатора. Гелі й осад блокують термостат, засмічують радіатор і канали, порушуючи охолодження.

Основа охолоджувальних рідин

Сучасні ОР виготовляють на основі етиленгліколю або спорідненого з ним пропіленгліколю. Зазвичай вміст гліколю у воді становить 30-60 %: саме в такому складі рідина має найнижчу температуру замерзання (нижчу, ніж у чистого етиленгліколю, а тим більше води) і високу температуру кипіння. За фізичними властивостями етилен- і пропіленгліколь (та їхні суміші з водою) дуже схожі. За деякими даними, з ОР на основі пропіленгліколю довше служать ущільнення водяних насосів, а в окремих випробуваннях пропіленгліколь показав певні переваги в захисті від кавітаційної корозії; суттєвих відмінностей у ресурсі шлангів, ущільнень гільз і темпах витрати присадок не виявили. Головна різниця - токсичність: етиленгліколь дуже отруйний для людини і може проникати навіть через шкіру, пропіленгліколь значно менш небезпечний, зате, за даними джерела, приблизно в 10 разів дорожчий, тому частка таких ОР на ринку становила близько 1 %.

Традиційні ТОСОЛи на основі етиленгліколю випускали з позначеннями А-40, А-60 і А-65 - за температурою початку кристалізації -40, -60 і -65 °C. Температура замерзання на упаковці - це температура, за якої в рідині з'являються перші кристали льоду, до повного затвердіння ще далеко.

Присадки до антифризів

Антифризи різних типів відрізняються присадками, частка яких, як правило, не перевищує 3 % маси. Призначення пакетів присадок однакове, але за хімічним складом вони можуть кардинально відрізнятися. Традиційні ОР містять солі неорганічних кислот (силікати, нітрити тощо), а рідини, виготовлені за карбоксилатною технологією (OAT, Organic Acid Technology), - солі органічних кислот (карбоксилати). У «звичайні» антифризи додають антипінні та антикорозійні присадки, а в антифризи для дизелів - ще й присадки проти кавітації «мокрих» гільз. Основні компоненти:

Силікати - інгібітор корозії алюмінію.
Декстрин - вуглевод типу крохмалю, захищає від корозії припої, алюміній і мідь.
Толілтриазол - інгібітор корозії кольорових металів: міді та її сплавів, нікелю, цинку, свинцю і срібла.
Нітрати - захищають від корозії чорні метали.
Нітрити - захищають від кавітації.
Борати - захищають від кавітації і підтримують лужність (нейтралізують кислоти).
Молібдати - захищають від кавітації; молібденовокислий натрій захищає від корозії цинкові та хромові покриття.
Фосфати - захищають від кавітації і корозії алюміній та чорні метали, частково - мідні деталі, підтримують лужність.

Фосфати входять до багатьох антифризів американських і японських виробників, а європейські автовиробники, як правило, не рекомендують фосфатні ОР: вода в Європі жорсткіша, і фосфати разом із солями кальцію і магнію сприяють утворенню накипу на теплопередавальних поверхнях. За даними джерела, більшість «звичайних» ОР традиційного типу виготовляли з силікатами і нітритами.

Традиційні («звичайні») ОР: недоліки

Звісно, краще використовувати сучасний готовий антифриз, призначений для високонавантажених дизелів, але й у традиційних рідинах силікати і нітрити швидко витрачаються; за даними джерела, через 30-40 тис. км пробігу така ОР практично втрачає захисні властивості. З нітритними присадками пов'язано кілька проблем: вони досить швидко виснажуються, можуть бути нестабільними і випадати в осад та гель, а підвищення їхньої концентрації спричиняє корозію алюмінієвих сплавів і припою. За даними джерела, неорганічні присадки не можуть забезпечити захист «мокрих» гільз від кавітації на рівні, якого потребують сучасні дизелі. Відпрацьовані охолоджувальні рідини токсичні для людини і довкілля і потребують належної утилізації.

У міру роботи вміст присадок у «звичайній» ОР зменшується, і їх доводиться поповнювати. Робити це слід обережно: надлишок нітритів спричиняє корозію припоїв, а надлишок інших присадок підвищує загальний вміст розчинених твердих речовин, що загрожує випаданням відкладень і погіршенням охолодження. Пакети присадок збалансовані, і коли один компонент швидко витрачається, рідина втрачає властивості. Тому, за рекомендацією джерела, «звичайну» ОР варто повністю міняти кожні два роки, якщо регламент не передбачає інше.

Головний недолік традиційних ОР - нездатність неорганічних присадок захищати алюміній та інші метали за температур понад 105 °C (за даними джерела) і при сильних теплових потоках. Антифризи для легкових бензинових автомобілів не варто застосовувати в навантажених дизелях, якщо вони не відповідають специфікації для важкої техніки. Існують і «універсальні» антифризи, які, за твердженням виробників, підходять і для легкових авто, і для важкої техніки: у них досить силікатів для захисту алюмінію, але не настільки багато, щоб це заважало застосуванню у важких машинах.

Присадки SCA

Щоб захистити «мокрі» гільзи високонавантажених дизелів від кавітації, у «звичайну» ОР обов'язково вводять додаткові присадки з нітритами - SCA (Supplemental Coolant Additive). Існує два основні типи SCA: на основі нітритів/боратів і на основі нітритів/молібдатів/фосфатів. Змішувати ОР з різними типами SCA не рекомендується, як і купувати підозріло дешеві присадки, що можуть виявитися підробкою і лише зашкодити системі. Перевіряйте, чи вказано на упаковці стандарт, якому відповідає присадка (джерело наводить приклад ASTM D5752), і чи допускає її виробник двигуна.

Рідини подовженого строку служби (ELC)

Щоб вирішити проблему швидкого старіння ОР, для сучасних високофорсованих дизелів розробили рідини подовженого строку служби - ELC (Extended Life Coolant). Інгібіторами кавітації і корозії в них здебільшого служать карбоксилати - стійкі до окиснення і нагрівання органічні кислоти (OAT). Вони захищають метали, зокрема алюміній, утворюючи тонку плівку лише на осередках корозії, тому присадки витрачаються значно повільніше. Карбоксилатні антифризи не утворюють гелів і осаду. Виробники таких ОР, за їхніми даними, обіцяють роботу без заміни до 1 млн км, 5 років або 12 000 мотогодин; фактичний інтервал визначає виробник двигуна. У класифікації Volkswagen карбоксилатні рідини позначаються G12.

За даними джерела, «звичайні» ОР утворюють на металі захисний шар товщиною іноді до 0,5 мм, який через низьку теплопровідність може погіршувати тепловідведення до 50 % і підвищувати ризик перегріву. Карбоксилатні рідини утворюють захисний шар лише в місцях корозії, товщиною, за даними джерела, близько 0,0006 мм, а на решті теплопередавальних поверхонь шар не формується. Карбоксилатні антифризи не агресивні до пластиків, еластомерів, гумово-силіконових та інших матеріалів системи охолодження.

Гібридні рідини (HOAT, NOAT)

Існують ОР на основі органічних кислот з додаванням неорганічних інгібіторів (нітритів, силікатів і/або фосфатів) - їх називають гібридними (Hybrid OAT, HOAT). Іноді гібридними називають і рідини на основі некарбоксилатних органічних кислот, наприклад бензоатів (солей бензойної кислоти). Карбоксилатні ОР з нітритами іноді позначають як NOAT (Nitrited OAT). Яку саме рідину і які присадки можна застосовувати, визначає специфікація виробника двигуна.