Лекція 18 технічні рідини (Загальна характеристика. Основні вимоги до якості технічних рідин) охолоджувальні рідини

Для забезпечення нормальної роботи двигуна його необхідно охолоджувати. Під час роботи деталі двигуна (камера згоряння, циліндри, поршні, клапани та ін.) нагріваються, що призводить до підсиленого нагаро- і лакоутворення, підвищеного зношування деталей, перевитрат палива та оливи, забруднення навколишнього середовища. Для нормальної роботи двигуна температура його деталей повинна підтримуватись на визначеному рівні.

Перегрівання двигуна призводить погіршення роботи оливної системи, заїдання та заклинювання перегрітих деталей, зниження міцності конструктивних матеріалів, пригоряння поршневих кілець, прогоряння поршня і його розтріскування, передчасного запалювання робочої суміші в бензинових двигунах, порушення процесу згоряння та ін.

Надмірне охолодження двигуна також небажане, бо зменшується потужність двигуна, погіршується випаровування палива, що призводить до неповного його згоряння, збільшуються втрати потужності на тертя за рахунок підвищення в’язкості оливи, інтенсифікуються корозійні процеси. Підвищення швидкості корозійного зношування при зниженні температури охолоджувальної рідини зумовлене збільшенням кількості кислот, які утворюються з продуктів згоряння палив. Найбільшій корозії піддаються двигуни, які працюють на знижених теплових режимах, а також двигуни, що працюють на змінних режимах роботи, тобто, у яких превалює “рідинна” корозія.

Зниження температури охолоджувальної рідини до 45⁰С і нижче зумовлює перевитрати палива на 8-10%, при цьому погіршується сумішоутворення, зменшуються економічність і моторесурс двигуна, підвищується забруднення навколишнього середовища.

Таким чином, тепловий режим двигуна має дуже великий вплив на його моторесурс та економічність. Охолодження двигуна повинно бути обмежене температурними межами, за яких створюються найкращі умови для здійснення робочого процесу.

Система охолодження, залежно від швидкохідності, потужності двигуна, особливостей його конструкції відводить 15-35% теплоти, що утворюється при згорянні палива. В бензинових та газових двигунах частка теплоти, що відводиться при охолодженні, більша порівняно з дизельними двигунами.

Система охолодження може бути повітряною і рідинною. У повітряній системі охолодження відведення теплоти від стінок камери згоряння і циліндрів здійснюється зустрічним потоком повітря чи примусовим обдуванням за допомогою вентиляційних обладнань. Ступінь охолодження двигуна залежить від сезонності, швидкості руху, умов експлуатації, майстерності водія, технічного стану двигуна та інших факторів.

В рідинній системі охолодження, яка більш розповсюджена порівняно з повітряною, температурний стан двигуна, його деталей підтримується на необхідному рівні шляхом примусової циркуляції рідини. При рідинній системі охолодження покращується наповнення циліндрів, зменшується шумність при роботі двигуна. Оскільки температура системи охолодження тісно пов'язана з корозійними процесами та іншими видами зношування двигуна, всі засоби швидкого пуску і розігрівання двигуна після його пуску, підтримання необхідного рівня температури зменшують зношування. Так, температура стінок циліндрів нижче за 66⁰С сприяє значному корозійному зношуванню стінок циліндрів і кілець внаслідок інтенсивної конденсації вологи із відпрацьованих газів, утворення кислот (вугільної, сірчаної, сірчистої, азотної, азотистої) та деяких інших корозійних сполук.

Надійна робота системи охолодження залежить від правильного вибору і якості охолоджувальної рідини. Охолоджувальні рідини повинні відповідати таким вимогам: мати низьку температуру замерзання (застигання), високу температуру кипіння, високу теплоємність та теплопровідність; не утворювати накипу та інших відкладень в системі охолодження; не впливати на гумові та пластмасові вироби і не спричинювати корозії металів; мати високу температуру спалаху та самозапалювання для безпеки експлуатації та високі антипінні властивості; не бути токсичними і при експлуатації не утворювати сполук високої токсичності; забезпечувати малі витрати палив і олив; бути дешевими і мати достатню сировинну базу. Однак жодна з охолоджувальних рідин, що використовується, не відповідає всім вимогам.

Як охолоджувальні рідини можуть використовуватись вода, водяні розчини одно-, двох- та трьохатомних спиртів, гас, дизельне паливо та ін.

Вода як охолоджувальна рідина має переваги перед рештою рідин за такими показниками якості як висока теплоємність, що дорівнює 4,19Дж/кг ⁰С, і теплопровідність; мале значення в'язкості (І мм²/с); екологічна та пожежною безпекою. Вода доступна і має достатню сировинну базу. Але вона має великі недоліки, основними з яких є низька температура кипіння, висока температура застигання і здатність утворювати накип та відкладення в системі. Вода кипить при температурі 100⁰С, якщо тиск становить 0,1 МПа. Підтримувати робочу температуру води в межах 80...90⁰С в системі охолодження двигуна в різні пори року та різних регіонах важко через зміну умов експлуатації техніки, а також залежно від її технічного стану та інших факторів.

Вода замерзає при температурі 0⁰С і нижче, збільшуючись при цьому в об'ємі на 10%, що може бути причиною розриву головок блоків циліндрів, блоків і радіаторів, оскільки при розширенні лід тисне на стінки системи з силою приблизно 24,6 МПа.

Вода має корозійні властивості за рахунок розчинених у ній газів і деяких солей. Високу корозійність має кисень, вуглекислий газ і сірководень. Розчинені солі, що містяться у воді, утворюють в системі накип та відкладення. Накип в системі охолодження пов’язаний з випадінням із розчину солей кальцію та магнію, наявність яких характеризується жорсткістю води. Накип - це щільні міцні відкладення, які утворюються на гарячих стінках сорочки системи охолодження. Відкладення (або шлам) - мулисті утворення мінерального або органічного походження, які поступово коагулюються і осідають в застійних зонах системи охолодження. Накип і шлам зменшують переріз каналів і, маючи низьку теплопровідність, різко зменшують відведення теплоти від деталей, що охолоджуються. Це призводить до перегрівання двигуна, погіршення змащення деталей, підвищення їх зношування, перевитрат палива та оливи, підвищення токсичності відпрацьованих газів.

Для сучасної техніки широкого розповсюдження набули всесезонні низькозастигаючі рідини - антифризи, якими можуть бути суміші води з спиртами одноатомними (наприклад, етанолу чи метанолу), двохатомними (етиленгліколю, пропиленгліколю), трьохатомним спиртом (гліцерином) в суміші з одноатомними спиртами.

При виборі спиртів для приготування антифризу слід звертати увагу на температуру кипіння, спалаху спирту та застигання водяних розчинів цих спиртів, визначаючи економічну доцільність їх використання. Деякі показники якості спиртів та їх водяних розчинів наведені в таблиці.

Таблиця. Температури кипіння та спалаху спиртів

Спирт	Температура, 0С
	кипіння	спалаху
Метиловий	64.7	9.5
Етиловий	78.3	12
Ізопропиловий	82.5	-
Етиленгліколь	197.4	122
Пропиленгліколь	188.2	97.2
Глицерін	290.0	-

Водяні розчини етанолу, метанолу та ізопропанолу придатні для використання тільки в районах з дуже холодним кліматом, тому що спирти мають низькі температури кипіння і спалаху. До того ж, ізопропиловий спирт дорогий порівняно з вартістю метанола та етанола. При використанні різних водяних розчинів спиртів необхідно враховувати їх підвищену корозійність, дефіцитність, наприклад, гліцерину.

Найбільшого розповсюдження набули етиленгліколеві антифризи, а також суміші етилен- та пропіленгліколю. Етиленгліколь – масляниста рідина, солодка на смак, з густиною 1114 кг/м³ при температурі 20⁰С, температурою кипіння 197,4⁰С, сильна харчова отрута. Етиленгліколь корозійний, ще більшу корозію спричинюють продукти його окислення, що утворюються при використанні антифризу в двигунах. Температура замерзання етиленгліколю становить мінус 11,5⁰С, а суміші його з водою мають температуру замерзання до мінус 70⁰С, залежно від вмісту етиленгліколю (табл.).

Таблиця. Залежність густини та температури замерзання сумішей технічного етиленгліколю і води від вмісту етиленгліколю

Вміст етиленгліколю, %	Густина при 200С, кг/м3	Температура замерзання, 0С	Вміст етиленгліколю, %	Густина при 200С, кг/м3	Температура замерзання, 0С
36.4	1050.6	-20	65.3	1085.5	-65
40.4	1056.0	-24	66.3	1086.6	-68
45.6	1062.7	-30	69.6	1090.0	-64
52.6	1071.3	-40	75.8	1096.0	-54
55.6	1075.3	-46	78.4	1098.3	-50
58.0	1078.0	-50	81.2	1100.7	-46
61.2	1081.3	-56	85.4	1104.3	-40
63.1	1083.3	-60	88.4	1106.6	-36

Щоб запобігти корозії етиленгліколевими антифризами (як і іншими спиртовими антифризами), до їх складу вводять антикорозійні присадки, для подолання піноутворення - антипінні присадки, вводять деякі інші присадки. Етиленгліколеві антифризи мають великий коефіцієнт розширення (8-10% об.) при нагріванні до робочих температур.

При замерзанні етиленгліколеві антифризи утворюють кашоподібну масу, об’єм якої збільшується дуже незначно (близько 0,25%), тому не існує небезпеки “розморожування” двигуна. Етиленгліколеві антифризи мають дуже велику проникливість, спричинюють незначне розм’якшення гуми.

Концентровані антифризи (гліколь + пакет присадок)використовувати не можна, їх треба попередньо розбавити дистильованою водою. При розбавленні концентрованого антифризу дистильованою водою у співвідношенні 1:1 температура застигання цього розчину становить близько мінус 30-32⁰С. Для одержання антифризу з температурою застигання близькою до мінус 20⁰С змішують 1 об'єм концентрату з 2 об'ємами дистильованої води.

Система охолодження двигуна розрахована на використання певної охолоджувальної рідини (антифризу чи води). Довільна заміна антифризу на воду в системі охолодження супроводжується негативними явищами, такими як підвищене зношування двигуна внаслідок невідповідності теплового режиму, збільшенням токсичності відпрацьованих газів, відказу водяного насосу (для втулки помпи водяного насосу антифриз є ще й мастильним матеріалом, властивостей яких не має вода), корозійними процесами.

При експлуатації етиленгліколь (чи інші спирти) окислюється, спрацьовуються присадки, тому антифриз необхідно міняти. Передчасна поява каламуті, втрата прозорості антифризу свідчить про необхідність негайної його заміни, якщо навіть антифриз не пройшов певних кілометрів чи терміну використання. При зменшенні рівня антифризу (якщо антифриз із системи охолодження не витікає) до нього слід додавати дистильовану воду, оскільки вона випаровується в першу чергу.

Змішувати антифризи, виготовлені різними фірмами, не рекомендується, бо вони можуть утворити суміш, непридатну до подальшого використання внаслідок несумісності присадок. Різні фірми використовують майже однакові за призначенням присадки до антифризу, але вони можуть мати різний хімічний склад. При змішуванні антифризів різних фірм присадки можуть взаємодіяти між собою.