Охлаждающие жидкости для тяжелой техники: кавитация гильз, присадки SCA, ELC и гибридные антифризы

Автор материала: Олег Тимошенко

Для тяжелых дизелей с «мокрыми» гильзами цилиндров охлаждающая жидкость должна не только не замерзать, но и защищать гильзы от кавитации, накипи и коррозии; для этого используют жидкости с присадками SCA или жидкости увеличенного срока службы (ELC) на карбоксилатной основе. Ниже - какие неисправности двигателя связаны с охлаждением, из чего состоят антифризы, какие присадки за что отвечают и чем отличаются традиционные, карбоксилатные и гибридные жидкости.

В западной технической литературе любая охлаждающая жидкость (ОЖ) называется «антифриз», то есть «низкозамерзающая жидкость». В Украине антифризом традиционно называли примитивную ОЖ - смесь этиленгликоля с водой почти без присадок, появившуюся как альтернатива чистой воде. Более совершенную ОЖ - этиленгликоль, вода и пакет присадок - называли ТОСОЛ. Это название в свое время не зарегистрировали как торговую марку, поэтому ТОСОЛ выпускают разные предприятия с разными пакетами присадок, и название стало нарицательным для ОЖ на основе этиленгликоля с присадками. В статье приведены и англоязычные обозначения антифризов и их компонентов, поскольку они часто встречаются в современной технической литературе.

Неисправности тяжелых дизелей, связанные с системой охлаждения

По некоторым данным, до 22 % неисправностей двигателей непосредственно и до 40 % косвенно связаны с охлаждением.

Кавитация

Кавитация (от лат. cavitas - пустота) - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков), заполненных паром. Она возникает из-за местного понижения давления в жидкости, например при увеличении ее скорости или из-за мощной высокочастотной вибрации гильз цилиндров. Физически кавитация близка к закипанию. Попадая с потоком в зону более высокого давления, пузырек схлопывается с ударной волной, которая выбивает с поверхности металла мельчайшие частицы. Это повторяется миллионы раз, и на стенках гильз и лопастях насоса появляются каверны и сквозные отверстия, будто проколотые иглой.

Блуждающие токи

Одной из причин разрушения «мокрых» гильз являются блуждающие токи, проходящие через ОЖ на «массу». При замыкании в электропроводке ток идет по пути наименьшего сопротивления, и часто им оказывается система охлаждения. По данным источника, ток быстро разлагает нитриты, которые защищают гильзы от кавитации. Источник приводит пример магистрального грузовика в США, у которого через 9,5 тыс. км после выхода в рейс разрушились гильзы цилиндров, а причиной стало замыкание в стартере.

Накипь, шлам и хлориды

Распространены и другие причины: отложения накипи и шлама, а также хлориды из воды, которые усиливают коррозию и в тяжелых случаях сильно повреждают чугунные гильзы. Накипь образуется на горячих стенках гильз из-за выпадения в осадок солей кальция и магния, которые вместе с частицами примесей и продуктами коррозии «прикипают» к металлу. Накипь имеет очень низкую теплопроводность, поэтому детали цилиндропоршневой группы перегреваются. Традиционные ОЖ с силикатами могут образовывать гели, а жидкости с фосфатами - нерастворимый осадок (шлам), который скапливается в застойных зонах рубашки охлаждения и в нижнем бачке радиатора. Гели и осадок блокируют термостат, засоряют радиатор и каналы, нарушая охлаждение.

Основа охлаждающих жидкостей

Современные ОЖ изготавливают на основе этиленгликоля или родственного ему пропиленгликоля. Обычно содержание гликоля в воде составляет 30-60 %: именно в таком составе жидкость имеет самую низкую температуру замерзания (ниже, чем у чистого этиленгликоля, а тем более воды) и высокую температуру кипения. По физическим свойствам этилен- и пропиленгликоль (и их смеси с водой) очень похожи. По некоторым данным, с ОЖ на основе пропиленгликоля дольше служат уплотнения водяных насосов, а в отдельных испытаниях пропиленгликоль показал некоторые преимущества в защите от кавитационной коррозии; существенных различий в ресурсе шлангов, уплотнений гильз и темпах расхода присадок не обнаружено. Главная разница - токсичность: этиленгликоль очень ядовит для человека и может проникать даже через кожу, пропиленгликоль значительно менее опасен, зато, по данным источника, примерно в 10 раз дороже, поэтому доля таких ОЖ на рынке составляла около 1 %.

Традиционные ТОСОЛы на основе этиленгликоля выпускали с обозначениями А-40, А-60 и А-65 - по температуре начала кристаллизации -40, -60 и -65 °C. Температура замерзания на упаковке - это температура, при которой в жидкости появляются первые кристаллы льда, до полного затвердевания еще далеко.

Присадки к антифризам

Антифризы разных типов различаются присадками, доля которых, как правило, не превышает 3 % массы. Назначение пакетов присадок одинаковое, но по химическому составу они могут кардинально различаться. Традиционные ОЖ содержат соли неорганических кислот (силикаты, нитриты и т.п.), а жидкости, произведенные по карбоксилатной технологии (OAT, Organic Acid Technology), - соли органических кислот (карбоксилаты). В «обычные» антифризы добавляют антипенные и антикоррозионные присадки, а в антифризы для дизелей - еще и присадки против кавитации «мокрых» гильз. Основные компоненты:

Силикаты - ингибитор коррозии алюминия.
Декстрин - углевод типа крахмала, защищает от коррозии припои, алюминий и медь.
Толилтриазол - ингибитор коррозии цветных металлов: меди и ее сплавов, никеля, цинка, свинца и серебра.
Нитраты - защищают от коррозии черные металлы.
Нитриты - защищают от кавитации.
Бораты - защищают от кавитации и поддерживают щелочность (нейтрализуют кислоты).
Молибдаты - защищают от кавитации; молибденовокислый натрий защищает от коррозии цинковые и хромовые покрытия.
Фосфаты - защищают от кавитации и коррозии алюминий и черные металлы, частично - медные детали, поддерживают щелочность.

Фосфаты входят во многие антифризы американских и японских производителей, а европейские автопроизводители, как правило, не рекомендуют фосфатные ОЖ: вода в Европе жестче, и фосфаты вместе с солями кальция и магния способствуют образованию накипи на теплопередающих поверхностях. По данным источника, большинство «обычных» ОЖ традиционного типа изготавливали с силикатами и нитритами.

Традиционные («обычные») ОЖ: недостатки

Конечно, лучше использовать современный готовый антифриз, предназначенный для высоконагруженных дизелей, но и в традиционных жидкостях силикаты и нитриты быстро расходуются; по данным источника, через 30-40 тыс. км пробега такая ОЖ практически теряет защитные свойства. С нитритными присадками связано несколько проблем: они довольно быстро истощаются, могут быть нестабильными и выпадать в осадок и гель, а повышение их концентрации вызывает коррозию алюминиевых сплавов и припоя. По данным источника, неорганические присадки не могут обеспечить защиту «мокрых» гильз от кавитации на уровне, которого требуют современные дизели. Отработанные охлаждающие жидкости токсичны для человека и окружающей среды и требуют надлежащей утилизации.

По мере работы содержание присадок в «обычной» ОЖ уменьшается, и их приходится пополнять. Делать это следует осторожно: избыток нитритов вызывает коррозию припоев, а избыток других присадок повышает общее содержание растворенных твердых веществ, что грозит выпадением отложений и ухудшением охлаждения. Пакеты присадок сбалансированы, и когда один компонент быстро расходуется, жидкость теряет свойства. Поэтому, по рекомендации источника, «обычную» ОЖ стоит полностью менять каждые два года, если регламент не предусматривает иное.

Главный недостаток традиционных ОЖ - неспособность неорганических присадок защищать алюминий и другие металлы при температурах выше 105 °C (по данным источника) и при сильных тепловых потоках. Антифризы для легковых бензиновых автомобилей не стоит применять в нагруженных дизелях, если они не соответствуют спецификации для тяжелой техники. Существуют и «универсальные» антифризы, которые, по утверждению производителей, подходят и для легковых авто, и для тяжелой техники: в них достаточно силикатов для защиты алюминия, но не настолько много, чтобы это мешало применению в тяжелых машинах.

Присадки SCA

Чтобы защитить «мокрые» гильзы высоконагруженных дизелей от кавитации, в «обычную» ОЖ обязательно вводят дополнительные присадки с нитритами - SCA (Supplemental Coolant Additive). Существует два основных типа SCA: на основе нитритов/боратов и на основе нитритов/молибдатов/фосфатов. Смешивать ОЖ с разными типами SCA не рекомендуется, как и покупать подозрительно дешевые присадки, которые могут оказаться подделкой и лишь навредить системе. Проверяйте, указан ли на упаковке стандарт, которому соответствует присадка (источник приводит пример ASTM D5752), и допускает ли ее производитель двигателя.

Жидкости увеличенного срока службы (ELC)

Чтобы решить проблему быстрого старения ОЖ, для современных высокофорсированных дизелей разработали жидкости увеличенного срока службы - ELC (Extended Life Coolant). Ингибиторами кавитации и коррозии в них в основном служат карбоксилаты - устойчивые к окислению и нагреву органические кислоты (OAT). Они защищают металлы, в том числе алюминий, образуя тонкую пленку только на очагах коррозии, поэтому присадки расходуются значительно медленнее. Карбоксилатные антифризы не образуют гелей и осадка. Производители таких ОЖ, по их данным, обещают работу без замены до 1 млн км, 5 лет или 12 000 моточасов; фактический интервал определяет производитель двигателя. В классификации Volkswagen карбоксилатные жидкости обозначаются G12.

По данным источника, «обычные» ОЖ образуют на металле защитный слой толщиной порой до 0,5 мм, который из-за низкой теплопроводности может ухудшать теплоотвод до 50 % и повышать риск перегрева. Карбоксилатные жидкости образуют защитный слой только в местах коррозии, толщиной, по данным источника, около 0,0006 мм, а на остальных теплопередающих поверхностях слой не формируется. Карбоксилатные антифризы не агрессивны к пластикам, эластомерам, резино-силиконовым и другим материалам системы охлаждения.

Гибридные жидкости (HOAT, NOAT)

Существуют ОЖ на основе органических кислот с добавлением неорганических ингибиторов (нитритов, силикатов и/или фосфатов) - их называют гибридными (Hybrid OAT, HOAT). Иногда гибридными называют и жидкости на основе некарбоксилатных органических кислот, например бензоатов (солей бензойной кислоты). Карбоксилатные ОЖ с нитритами иногда обозначают как NOAT (Nitrited OAT). Какую именно жидкость и какие присадки можно применять, определяет спецификация производителя двигателя.