冷卻液變黑問題原因分析

商中偉

(北汽集團越野車有限公司，北京 101300)

0 引言

隨著發動機性能的提高, 現代汽車均采用封閉式的冷卻系統。由于汽車在行駛時, 發動機內部燃料的燃燒以及運動部件之間的摩擦會產生大量的熱量, 使零件受熱, 特別是直接與燃燒氣體接觸的部位溫度更高, 因此, 為了保證發動機的正常運轉,延長使用壽命, 需要冷卻系統中的傳熱介質——冷卻液將熱量傳遞到散熱器, 以保持發動機內部溫度的最佳狀態。冷卻液的發展, 經歷了從水到甲醇、乙醇, 再到現如今廣泛使用的乙二醇作為防凍劑的階段, 其在一定濃度范圍內大大降低了水的冰點[1]。

汽車冷卻液系統是汽車油液循環中較復雜的，所用管件的材質有EPDM(三元乙丙橡膠)、VMQ(硅膠)、PP(聚丙烯)、AL(鋁)、PA66+GF30(尼龍+30%玻纖)、HT250(灰鑄鐵)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(鋁合金)等材料，它們和冷卻液共同存在于高溫、高壓環境中，因系統同時涉及動力、底盤、電器等多個部分，所以一旦其中某種材料出現問題就很難排查。

2018年9月30日，北汽越野車試驗部反饋B40L-G01的4臺試驗車(LNBRCFBK0JB020693、 LNBRCFBK8JB020697、LNBRCFBH8JB236909、LNBRCFDK2JB020675)全部出現冷卻液變黑現象。當時車輛正在進行PT和可靠性試驗，行駛里程都在5000～8000 km。 冷卻液外觀如圖1所示。將變黑冷卻液排掉，沖洗循環系統兩遍，加注新冷卻液，繼續進行路試。車輛行駛1000 km后，冷卻液變黑現象復現。

圖1 冷卻液變黑照片

1 原因分析

總體分析思路按照圖2 魚骨圖進行。

圖2 冷卻液變黑魚骨圖

1.1 冷卻液變黑原因設想

冷卻液循環系統的結構圖如圖3所示，水冷系統均為強制循環水冷系統，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強制冷卻液在發動機中循環。包括水泵、散熱器、節溫器、膨脹水壺、發動機機體和氣缸蓋中的水套以及其他附加裝置。發動機冷卻分為大循環和小循環，通過節溫器進行調節。當發動機冷啟動的時候，冷卻液溫度較低，此時冷卻液只在發動機內部循環，不經過散熱器，使發動機的溫度較快地升到其工作溫度，當發動機工作一段時間后，溫度達到一定溫度后，冷卻液開始進行大循環。

圖3 冷卻液循環系統結構

上述過程中較熱的冷卻液(80～100 ℃)會和冷卻系統各個零部件接觸，這些零部件包含EPDM(三元乙丙橡膠)、VMQ(硅膠)、PP(聚丙烯)、AL(鋁)、PA66+GF30(尼龍+30%玻纖)、HT250(灰鑄鐵)、AlSi7Cu0.5Mg0.3(鋁合金)等多種材質，可能存在與冷卻液不匹配的材料，導致其變黑[2-5]。

目前所有車型上使用的冷卻液都是某廠家的全有機型乙二醇冷卻液。雖然有機酸型汽車防凍液對環境的保護功能非常顯著，對汽車防凍液的研發進程非常有利，使用以后能夠利用微生物的降解作用保護并綠化環境[6]。但是如果配方設計有問題，添加劑或顏料不穩定就有可能帶來不可預知的后果。

試驗過程中是按照正常保養手冊的要求進行維護保養的，保養不當可能導致雜質混入而造成冷卻液變黑。零部件在包裝、運輸、儲存、裝配過程中因操作或處置不當有可能導致雜質混入，從而引起變黑[7-10]。

1.2 冷卻液變黑原因調查

對冷卻循環系統各零部件的包裝、運輸、儲存、裝配過程進行了調查，發現冷卻循環系統的各零部件在運輸、儲存、裝配過程中符合相關標準和操作規范要求，未發現異常現象。通過與現場試驗工程師的交流以及保養記錄的查詢發現：上述4輛車的行駛里程還未到冷卻液的更換里程，未對冷卻液進行過保養和其他處理。

1.2.1 冷卻液自身問題驗證

測試變黑冷卻液的常規理化性能指標，結果見表1。

表1 冷卻液常規理化指標檢測結果

由表1可知冷卻液本身各常規指標都在要求范圍內。對變黑冷卻液和新冷卻液進行元素分析，結果見表2。

表2 變黑冷卻液和新冷卻液元素檢測結果 mg/kg

表2(續)

由表2可知，鈉、鉀、磷含量出現了較大變化，硅含量略有變化。分析認為硅含量變化可能是管路灰塵、水套沙模殘留的沙子引起的，鈉、鉀、磷三種元素可能是發動機熱試液殘留引起的。從元素分析中未找到能使冷卻液變黑的原因。

1.2.2 冷卻液循環系統管路驗證

橡膠管件屬于化學制品，且冷卻液中常有橡膠氣味，所以考慮橡膠的加工過程、添加劑等因素。排查橡膠管與冷卻液的匹配性有無異常，取新橡膠管，材質為EPDM(三元乙丙橡膠)10 cm，浸泡到新冷卻液中，并放在80 ℃的環境中168 h，觀察有無異常現象，見圖4。通過圖4發現冷卻液外觀無異?，F象產生。

圖4 橡膠管與冷卻液相容性試驗

對車輛循環系統各主要管件進行拆解，并檢查狀態，如圖5所示。檢查后發現各橡膠管狀態正常，異味較大，而且黑色鋼管內有黑色碎渣。鋼管內有黑色漆類物質，并且出現剝落現象，如圖6所示。

圖5 循環系統主要管件

圖6 發動機組合出水管剖切面

2 試驗驗證

對發動機組合出水管和發動機進水鋼管調查，底盤部產品工程師為保證發動機艙內外觀顏色統一，要求供應商對這兩根鋼管進行了電泳處理。電泳時沒有合適的工裝密封管口，導致兩根鋼管內壁距離管口長度約14 cm長度也同時被電泳處理。

取新的發動機組合出水管和發動機進水鋼管進行剖切，見圖7。由圖7可以看出鋼管內有黑色電泳漆存在，將其放入到新冷卻液中并在105 ℃下保溫一定時間。試驗進行到144 h時，1號燒杯完全變為黑色，2號空白樣顏色略微發深，見圖8。將鋼管切片取出后觀察外觀，見圖9。

圖7 發動機組合出水管、發動機進水鋼管剖切

圖8 冷卻液和鋼管切片匹配試驗

圖9 剛從冷卻液中取出的鋼管切片

由圖9可以看出鋼管切片上的黑色電泳漆出現嚴重的溶解現象，輕刮出現明顯劃痕(圖9中畫圈部位)。試驗前后鋼管狀態對比見圖10；取出鋼管切片后的冷卻液狀態見圖11。

圖10 試驗前后效果對比

圖11 試驗后冷卻液狀態

經過驗證試驗，本次4臺試驗車冷卻液變黑原因是發動機組合出水管和發動機進水鋼管上的黑色電泳漆，在高溫、高壓冷卻液的浸泡、溶解、沖刷、剝離等作用下未充分交聯固化的電泳漆返溶，黑色顏料脫落導致的。

3 結論及建議

本次試驗車冷卻液變黑現象是由發動機組合出水管和發動機進水鋼管內腔表面涂裝了黑色電泳漆，在高溫高壓冷卻液的浸泡、溶解、沖刷、剝離等作用下，使電泳漆樹脂、顏料等物質混入到冷卻液后造成的。建議取消進水管和出水管的電泳涂裝環節，直接裝配即可[11-14]。

發動機冷卻液在使用過程中，一般都要求加入一定的著色劑，使冷卻液具有醒目的顏色。這樣在冷卻系統發生故障時，通過觀察冷卻系統外部管路就能容易判斷出滲漏發生的位置[15]。冷卻液顏色雖然看似用處單一，但循環系統的各零部件問題可能首先通過冷卻液顏色表現出來，所以定期觀察冷卻液的外觀至關重要，建議將冷卻液外觀列為路試試驗的日常監控指標。