论文部分内容阅读
摘要：近些年来，发动机无水冷却液逐渐出现在汽车后市场，具有保质期长、沸点高的优点，但也有相关案例表明车辆在加注无水冷却液后出现故障。本文就无水冷却液在家用汽油机车辆上使用时对发动机的影响进行了探讨，发现无水冷却液的虽然有沸点高、升温快等优点，但也可能造成发动机散热不足导致过热、机油温度升高、与原车热管理系统不匹配的不利影响。因此，在后市场应该谨慎使用无水冷却液。
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.
关键词：无水冷却液;发动机;适用性
Key words： waterless coolant;engine;applicability
中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0032-02
0 引言
汽油发动机在工作时，会产生大量的热，这些热量如果不及时冷却的话，将造成发动机的损坏。因此，现代的发动机均需要冷却液对发动机进行冷却。目前，发动机常用的冷却液为水和乙二醇的混合液，再通过添加剂增加其防腐、防锈等性能。近些年来，无水冷却液逐渐出现在汽车后市场。无水冷却液由于不含水，可以做到无水垢，较低的蒸气压，升温快等特点，且其主要成分丙二醇毒性低、易降解，相比传统冷却液中的乙二醇更加环保。
此前，由于无水冷却液可以完全消除发动机湿式缸套的点蚀、气穴等现象，多用于重负荷柴油机、赛车和高性能车辆上;国外部分国家出于环保考虑，禁止采用乙二醇，丙二醇无水冷却液在家用车领域也已经使用多年。在我国，无水冷却液的使用并不普遍，尚无主机厂在出厂车辆上原装配备无水冷却液，仅有爱温等品牌在后市场推广使用。
那么，对于当前原装为乙二醇冷却液的车辆，使用丙二醇无水冷却液的适用性如何，本文对此进行研究。
1 典型冷却液简介
当前常见的冷却液分为三类：水、水与乙二醇按比例勾兑而成的含水冷却液以及以丙二醇为主要成分的无水冷却液。以纯净水、50%比例乙二醇冷却液、爱温品牌NPG+无水冷却液为例，其物理性能见表1[1]。
由各类常见冷却液的物理性质可见，纯水由于沸点低、冰点高，夏天易“开锅”，冬天易结冰导致缸体破裂，当前已经很少使用。NPG+的沸点高达191℃，比乙二醇冷却液高约60℃，比纯净水高约90℃，在发动机高温时打开冷却液盖，也不会导致蒸汽喷发，亦不会因产生高温蒸汽导致冷却液损失。其冰点-40℃，也低于传统冷却液，可以满足在高寒地区使用的要求。同时，其较高的沸点决定了无水冷却液可以工作在水箱盖无压力的条件下，甚至工作在高海拔低壓情况下。
但无水冷却液具有多种优点的同时，也具有粘度大、比热容小的问题。在10℃时，传统冷却液的动力粘度为5.0Pa·s×10-3，但无水冷却液的粘度高达58Pa·s×10-3，是传统冷却液的10倍还多，是纯净水的近50倍;在100℃时，无水冷却液的动力粘度也达到传统冷却液粘度3倍多。
在比热容上，100℃时，无水冷却液的比热容为传统冷却液的80%，在高负荷工况下，有散热能力不足的风险。
2 无水冷却液对发动机的影响
2.1 对冷起动性能的影响
发动机在冷起动时，需要快速升温，以尽快达到工作温度，发动机通过关闭的节温器的使得冷却液进行小循环，从而实现水温快速上升。换用无水冷却液后，由于其比热容低于传统冷却液，吸收同样多的热量时，上升的温度更高，因此升温更快。同时，由于无水冷却液的粘度更大低温时流动性差，进一步缩短了其升温时间。 因此，无水冷却液可以缩短发动机升温过程，让发动机更快进入工作温度。
2.2 对发动机工作温度的影响
发动机达到工作温度后，节温器会打开，冷却液进入大循环。在车辆热车行驶时，由于无水冷却液的比热容低于传统冷却液，散热能力会低于传统发动机，因此，冷却液和缸体的温度也会使用传统冷却液的发动机。这个差别的优点在于，由于冷却液的温度较高，在一定程度上可以降低热损失，提高发动机的热效率，理论上可以降低油耗。
但较低的比热容将导致发动机在高负载的工况下，冷却液的散热能力低于发动机的发热，冷却液的回水口温度、发动机排气温度、机油温度均会上升，发动机总体的热负荷也会上升，如果发动机设计时预留的余量不足的话，可能导致部件损坏。此前，有使用无水冷却液导致橡胶件在高温下损坏的案例及发动机高温报警的案例。
2.3 对机油温度的影响
但是，在具有优势的同时，由于冷却液冷却能力低，使用无水冷却液会导致机油温度上升5-10℃。这种机油温度上升的情况，将导致机油的散热压力增大，且粘度随温度的上升而下降，以某品牌5W-30机油为例，如果机油温度从110℃上升到120℃的话，其运动粘度将从8.592mm2/s下降到7.171mm2/s，粘度下降了16%，过低的粘度可能导致润滑不良。同时机油温度升高也会导致在同一转速和压力下，机油泵流量降低[2]。再加上本身就升温的发动机缸体，三个因素共同作用，有可能导致发动机磨损加剧。
2.4 对油耗的影响
之间有实验证明，使用无水冷却液，对柴油机有降低油耗的效果[3]，但在家用汽油车领域，尤其是在热管理系统复杂的高端汽车领域，并无实验证明其节油效果。
虽然较高的工作温度在一定程度上可以提高热效率，但由于冷却液温度较高，散热器电子扇会更早开始工作，且无水冷却液粘度较大，水泵运转阻力较大，多个因素相互左右，油耗并不会明显下降，甚至可能会上升。
2.5 对抗腐蚀性的影响
无水冷却液相比纯净水和早期的乙二醇冷却液，在抗腐蚀性能上有较大优势，但是相比于添加有机酸的长效乙二醇冷却液而言，其抗腐蚀效果并无明显差异。当前较为先进的乙二醇冷却液也可以做到10万公里以上的寿命，甚至可以实现终身免维护。
2.6 对沸腾温度的影响
无水冷却液的沸点可以达到190℃以上，可以实现冷却系统在低压下工作，防止冷却液“开锅”。但从某种程度上将，“开锅”本身是一种冷却系统散热能力不足的故障状态，使用无水冷却液后，如果发生同类故障，冷却液虽然不会开锅，但是发动机缸体的温度仍然会上升，严重时可能导致机油失效，烧瓦抱轴，甚至导致发动机整体报废。
2.7 对带高级热管理系统的发动机的影响
早期的发动机只能通过打开与关闭节温器及控制散热器风扇的转速来控制发动机水温，在节温器设计好以后，冷却液的工作温度不会有大的变化。现在很多车辆具有相对复杂的热管理系统，比如有的车配备了电子水泵，有的车配备了电子节温器，还有的车配备了关闭气缸冷却液循环的功能。对于配备了这些高级热管理系统的车辆，发动机冷却液可以在不同的温度下工作，在需要提高发动机热效率以降低油耗时，可以通过提高电子节温器打开温度等方式，提高冷却液工作温度。此时，如果换用了无水冷却液发动机热管理系统仍会将冷却液水温控制在标定温度附近，此时可能会有散热不足的情况发生，油耗也无法达到最优。
2.8 对配备了水冷空调和水冷中冷器的车辆的影响
当前大部分车辆的空调冷凝器为风冷冷凝器，涡轮增压中冷器也多为风冷。但当前宝马等高端品牌的车辆也逐渐开始配备水冷的空调冷凝器[4]和水冷的增压中冷器。这些车辆的空调制冷剂及增压后的进气，并不直接通过吹风散热，而是与冷却液进行热交换，实现间接的冷却。
如果换用了无水冷却液，可能会破坏原厂设计好的工作温度，从而影响空调系统的工作，也可能使得进气温度上升。
3 结论
无水冷却液虽然具有沸点高等优势，但当前市面上家用车的发动机在原厂设计时匹配的均是乙二醇冷却液，在没有進行专门设计和匹配的情况下，自行更换为无水冷却液，并无明显优势，还可能破坏原车设计的热平衡。加之当前无水冷却液售价高昂，更换复杂，没有特殊要求，应该谨慎更换使用。
参考文献：
[1]刘疆，骆周全.无水冷却液在发动机上的应用[J].柴油机设计与制造，2005，14（4）：32-38.
[2]李正好，柴洪磊.机油粘度对机油泵性能影响的研究[J].汽车实用技术，2018（14）：57-58.
[3]骆清国，尹洪涛，刘红彬，等.不同冷却液对柴油机性能的影响研究[J].内燃机，2016（3）：17-20，23.
[4]周远芳，吕旭.宝马水冷冷凝器空调工作原理及故障案例一则[J].汽车实用技术，2020（13）：213-215.
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.
关键词：无水冷却液;发动机;适用性
Key words： waterless coolant;engine;applicability
中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）10-0032-02
0 引言
汽油发动机在工作时，会产生大量的热，这些热量如果不及时冷却的话，将造成发动机的损坏。因此，现代的发动机均需要冷却液对发动机进行冷却。目前，发动机常用的冷却液为水和乙二醇的混合液，再通过添加剂增加其防腐、防锈等性能。近些年来，无水冷却液逐渐出现在汽车后市场。无水冷却液由于不含水，可以做到无水垢，较低的蒸气压，升温快等特点，且其主要成分丙二醇毒性低、易降解，相比传统冷却液中的乙二醇更加环保。
此前，由于无水冷却液可以完全消除发动机湿式缸套的点蚀、气穴等现象，多用于重负荷柴油机、赛车和高性能车辆上;国外部分国家出于环保考虑，禁止采用乙二醇，丙二醇无水冷却液在家用车领域也已经使用多年。在我国，无水冷却液的使用并不普遍，尚无主机厂在出厂车辆上原装配备无水冷却液，仅有爱温等品牌在后市场推广使用。
那么，对于当前原装为乙二醇冷却液的车辆，使用丙二醇无水冷却液的适用性如何，本文对此进行研究。
1 典型冷却液简介
当前常见的冷却液分为三类：水、水与乙二醇按比例勾兑而成的含水冷却液以及以丙二醇为主要成分的无水冷却液。以纯净水、50%比例乙二醇冷却液、爱温品牌NPG+无水冷却液为例，其物理性能见表1[1]。
由各类常见冷却液的物理性质可见，纯水由于沸点低、冰点高，夏天易“开锅”，冬天易结冰导致缸体破裂，当前已经很少使用。NPG+的沸点高达191℃，比乙二醇冷却液高约60℃，比纯净水高约90℃，在发动机高温时打开冷却液盖，也不会导致蒸汽喷发，亦不会因产生高温蒸汽导致冷却液损失。其冰点-40℃，也低于传统冷却液，可以满足在高寒地区使用的要求。同时，其较高的沸点决定了无水冷却液可以工作在水箱盖无压力的条件下，甚至工作在高海拔低壓情况下。
但无水冷却液具有多种优点的同时，也具有粘度大、比热容小的问题。在10℃时，传统冷却液的动力粘度为5.0Pa·s×10-3，但无水冷却液的粘度高达58Pa·s×10-3，是传统冷却液的10倍还多，是纯净水的近50倍;在100℃时，无水冷却液的动力粘度也达到传统冷却液粘度3倍多。
在比热容上，100℃时，无水冷却液的比热容为传统冷却液的80%，在高负荷工况下，有散热能力不足的风险。
2 无水冷却液对发动机的影响
2.1 对冷起动性能的影响
发动机在冷起动时，需要快速升温，以尽快达到工作温度，发动机通过关闭的节温器的使得冷却液进行小循环，从而实现水温快速上升。换用无水冷却液后，由于其比热容低于传统冷却液，吸收同样多的热量时，上升的温度更高，因此升温更快。同时，由于无水冷却液的粘度更大低温时流动性差，进一步缩短了其升温时间。 因此，无水冷却液可以缩短发动机升温过程，让发动机更快进入工作温度。
2.2 对发动机工作温度的影响
发动机达到工作温度后，节温器会打开，冷却液进入大循环。在车辆热车行驶时，由于无水冷却液的比热容低于传统冷却液，散热能力会低于传统发动机，因此，冷却液和缸体的温度也会使用传统冷却液的发动机。这个差别的优点在于，由于冷却液的温度较高，在一定程度上可以降低热损失，提高发动机的热效率，理论上可以降低油耗。
但较低的比热容将导致发动机在高负载的工况下，冷却液的散热能力低于发动机的发热，冷却液的回水口温度、发动机排气温度、机油温度均会上升，发动机总体的热负荷也会上升，如果发动机设计时预留的余量不足的话，可能导致部件损坏。此前，有使用无水冷却液导致橡胶件在高温下损坏的案例及发动机高温报警的案例。
2.3 对机油温度的影响
但是，在具有优势的同时，由于冷却液冷却能力低，使用无水冷却液会导致机油温度上升5-10℃。这种机油温度上升的情况，将导致机油的散热压力增大，且粘度随温度的上升而下降，以某品牌5W-30机油为例，如果机油温度从110℃上升到120℃的话，其运动粘度将从8.592mm2/s下降到7.171mm2/s，粘度下降了16%，过低的粘度可能导致润滑不良。同时机油温度升高也会导致在同一转速和压力下，机油泵流量降低[2]。再加上本身就升温的发动机缸体，三个因素共同作用，有可能导致发动机磨损加剧。
2.4 对油耗的影响
之间有实验证明，使用无水冷却液，对柴油机有降低油耗的效果[3]，但在家用汽油车领域，尤其是在热管理系统复杂的高端汽车领域，并无实验证明其节油效果。
虽然较高的工作温度在一定程度上可以提高热效率，但由于冷却液温度较高，散热器电子扇会更早开始工作，且无水冷却液粘度较大，水泵运转阻力较大，多个因素相互左右，油耗并不会明显下降，甚至可能会上升。
2.5 对抗腐蚀性的影响
无水冷却液相比纯净水和早期的乙二醇冷却液，在抗腐蚀性能上有较大优势，但是相比于添加有机酸的长效乙二醇冷却液而言，其抗腐蚀效果并无明显差异。当前较为先进的乙二醇冷却液也可以做到10万公里以上的寿命，甚至可以实现终身免维护。
2.6 对沸腾温度的影响
无水冷却液的沸点可以达到190℃以上，可以实现冷却系统在低压下工作，防止冷却液“开锅”。但从某种程度上将，“开锅”本身是一种冷却系统散热能力不足的故障状态，使用无水冷却液后，如果发生同类故障，冷却液虽然不会开锅，但是发动机缸体的温度仍然会上升，严重时可能导致机油失效，烧瓦抱轴，甚至导致发动机整体报废。
2.7 对带高级热管理系统的发动机的影响
早期的发动机只能通过打开与关闭节温器及控制散热器风扇的转速来控制发动机水温，在节温器设计好以后，冷却液的工作温度不会有大的变化。现在很多车辆具有相对复杂的热管理系统，比如有的车配备了电子水泵，有的车配备了电子节温器，还有的车配备了关闭气缸冷却液循环的功能。对于配备了这些高级热管理系统的车辆，发动机冷却液可以在不同的温度下工作，在需要提高发动机热效率以降低油耗时，可以通过提高电子节温器打开温度等方式，提高冷却液工作温度。此时，如果换用了无水冷却液发动机热管理系统仍会将冷却液水温控制在标定温度附近，此时可能会有散热不足的情况发生，油耗也无法达到最优。
2.8 对配备了水冷空调和水冷中冷器的车辆的影响
当前大部分车辆的空调冷凝器为风冷冷凝器，涡轮增压中冷器也多为风冷。但当前宝马等高端品牌的车辆也逐渐开始配备水冷的空调冷凝器[4]和水冷的增压中冷器。这些车辆的空调制冷剂及增压后的进气，并不直接通过吹风散热，而是与冷却液进行热交换，实现间接的冷却。
如果换用了无水冷却液，可能会破坏原厂设计好的工作温度，从而影响空调系统的工作，也可能使得进气温度上升。
3 结论
无水冷却液虽然具有沸点高等优势，但当前市面上家用车的发动机在原厂设计时匹配的均是乙二醇冷却液，在没有進行专门设计和匹配的情况下，自行更换为无水冷却液，并无明显优势，还可能破坏原车设计的热平衡。加之当前无水冷却液售价高昂，更换复杂，没有特殊要求，应该谨慎更换使用。
参考文献：
[1]刘疆，骆周全.无水冷却液在发动机上的应用[J].柴油机设计与制造，2005，14（4）：32-38.
[2]李正好，柴洪磊.机油粘度对机油泵性能影响的研究[J].汽车实用技术，2018（14）：57-58.
[3]骆清国，尹洪涛，刘红彬，等.不同冷却液对柴油机性能的影响研究[J].内燃机，2016（3）：17-20，23.
[4]周远芳，吕旭.宝马水冷冷凝器空调工作原理及故障案例一则[J].汽车实用技术，2020（13）：213-215.