Низкозамерзающие жидкости (антифризы)

Как отмечалось выше, при всех достоинствах вода как охлаждающая жидкость имеет серьёзный для нашего климата недостаток – высокую температуру замерзания. Этот недостаток влечёт за собой и следующий – объёмное расширение при замерзании, достигающее 9%, т. к. плотность воды при 3,98 °С составляет 1000 кг/м³, а льда при 0 °С – 916,8 кг/м³. Это приводит к разрыву рубашки охлаждения. Температура кипения также относительно невысока.

Всё это вынудило эксплуатационников искать более приемлемые охлаждающие жидкости. Так было положено начало применению в качестве охлаждающей жидкости в двигателях внутреннего сгорания смеси этиленгликоля и воды.

Этиленгликоль С₂Н₄(ОН)₂ – простейший двухатомный алифатический спирт, сиропообразная ( ) бесцветная жидкость сладкого вкуса. Температура замерзания минус 12,3 °С, кипения плюс 197,6 °С, плотность 1113 кг/м³ при 20 °С. При добавлении воды температура замерзания понижается до минус 75 °С при содержании в растворе трети воды, а при дальнейшем увеличении концентрации воды – повышается. Зависимость нелинейная. Температура замерзания может быть определена не только по концентрации воды и этиленгликоля, но и по плотности смеси.

Низкозамерзающие охлаждающие жидкости для заправки систем «тосолы». Эти жидкости имеют ряд преимуществ по сравнению с водой:

– низкая температура замерзания;

– выше температура кипения;

– хорошие смазочные свойства, что обеспечивает больший ресурс

работы водяного насоса;

– при замерзании образуется рыхлая масса, почти не увеличивающаяся в

объёме и не вызывающая разрушения системы охлаждения.

Но тосолам присущи и недостатки:

– токсичность;

– коррозионное воздействие на конструкционные материалы;

– высокая просачиваемость по сравнению с водой;

– большой коэффициент теплового расширения.

Основной недостаток этиленгликолевых жидкостей – токсичность, даже при невысоких концентрациях гликолей. При попадании в организм человека наблюдаются тяжёлые отравления. Поэтому при использовании тосолов необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.

Современные тосолы представляют собой смесь этиленгликоля и воды с добавлением присадок:

– антикоррозионной;

– антифрикционной;

– противопенной.

Характеристика антифризов приведена в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Характеристика антифризов

Применение тосолов требует выполнения ряда правил, обусловленных свойствами этих жидкостей:

1. Заполнять систему охлаждения следует на 6–8% ниже полной вместимости. Это вызвано большим коэффициентом объёмного расширения. При нагревании жидкости до рабочей температуры система охлаждения будет заполнена полностью. В последнее время на автомобилях устанавливают расширительные бачки, изменение уровня жидкости в которых компенсирует тепловое расширение антифриза.

2. Необходимо тщательно проверить герметичность соединений в системе охлаждения, так как антифризы обладают повышенной просачиваемостью.

3. Через некоторое время после залива следует внимательно осматривать соединения на наличие подтеканий. Антифризы растворяют накипь. Неплотности, закупоренные накипью могут дать течь. Растворение накипи не снижает качество антифризов. После фильтрации их снова можно заливать в систему.

4. Необходимо полностью удалить накипь со стенок системы охлаждения перед заливом антифриза. Накипь вступает в химическую реакцию с динатрийфосфатом, который находится в антифризе для защиты от коррозии чёрных металлов и латуни.

5. Температуры кипения антифризов выше, чем воды. Снижение уровня при отсутствии подтеканий свидетельствует о выкипании воды и повышении концентрации этиленгликоля. В этом случае необходимо доливать чистую воду. При снижении уровня вследствие подтеканий компенсировать потери следует стандартным антифризом.

Необходимо периодически проверять концентрацию антифриза в системе охлаждения. Проверка производится с помощью гидрометра – разновидности ареометра, с термометром, но с двойной шкалой, оттарированной на процентное содержание этиленгликоля в смеси и соответствующие температуры замерзания. Шкала рассчитана на определения при температуре антифриза равной 20 °С. При других температурах неизбежны ошибки, поэтому перед измерением необходимо привести температуру антифриза к значению 20 °С. При невозможности корректировки температуры поправки к показанию гидрометра можно определять по таблице 5.5.

Таблица 5.5

Поправки к показанию гидрометра

Окончание табл. 5.5

Возможно определение концентрации этиленгликоля и по плотности раствора. Найдённое значение плотности при температурах, отличных от 20 °С, пересчитывают по формуле:

,

где – плотность раствора при температуре t;

– температурная поправка для этиленгликоля равная 0,525 кг/м³ град.

Приведённые к температуре 20 °С (истинные) значения концентрации этиленгликоля и плотности раствора позволяют определить температуру замерзания раствора по зависимостям, приведённым на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Зависимость плотности и температуры замерзания этиленгликолевых антифризов от содержания в них воды С_в

В процессе эксплуатации автомобилей возникает необходимость в корректировке процентного соотношения этиленгликоля и воды в антифризе. Количество добавляемых этиленгликоля и воды определяют по формулам:

при добавлении этиленгликоля:

;

при добавлении воды:

,

где: М – количество добавляемого компонента, л;

Н – объём исходного раствора, л;

а и в – содержание воды в исходном растворе и в требуемой смеси, % по объёму;

с и d – содержание этиленгликоля в исходном растворе и в требуемой смеси, % по объёму.

Срок службы антифризов в системе охлаждения автомобилей составляет 2 года или 60 тыс. км пробега. Модернизированный антифриз «Тосол А40-М», выпускаемый с 1985 года обеспечивает работу двигателя до 3 лет.

Вообще срок службы определяется сохранностью присадок. В южных районах средние рабочие температуры в двигателе выше, антифриз стареет интенсивнее. Выработка антифрикционной присадки приводит к изменению цвета антифриза Тосол А40 с голубого на зелёный, затем – на жёлтый.

Увеличение срока службы антифризов при условии нормальной плотности и исправности системы охлаждения достигают введением специальных добавок, например «Отера» (ТУ 6-15-07-112-85). Добавки восстанавливают стандартную концентрацию присадок.

В высокогорных условиях и при напряжённых тепловых режимах форсированных двигателей применяют специальные охлаждающие жидкости с высокими температурами кипения, представляющие собой смеси высокомолекулярных спиртов и эфиров [2]. Основные показатели качества таких жидкостей приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6

Охлаждающие жидкости с высокими температурами кипения

Окончание табл. 5.6

5.1.5. Водоглицериновые смеси

На некоторых химических предприятиях в виде побочного продукта на определённом этапе производства конечной продукции образуется глицерин. Образуется в значительных количествах.

Глицерин (С₃Н₅(ОН)₃) – простейший трёхатомный спирт, бесцветная вязкая жидкость сладкого вкуса, без запаха. Температура плавления 17,9 °С, кипения 290 °С, плотность при 20 °С – 1260 кг/м³. Неогнеопасен, нетоксичен. К недостаткам глицериновых жидкостей можно отнести большую, чем у этиленгликолевых стоимость и повышенную вязкость. Но, как отмечалось выше, в местах массового производства, без транспортных и прочих расходов стоимость гораздо ниже. Вязкость можно уменьшить, изменяя концентрацию глицерина в жидкости. При этом можно получить вполне пригодную для эксплуатации при небольших отрицательных температурах жидкость (табл. 5.7).

Таблица 5.7

Свойства глицериновых растворов

Окончание табл. 5.7

В настоящее время в ограниченных количествах выпускается антифриз ВГ-40, представляющий собой смесь воды и глицерина с добавлением присадок. Основные свойства водоглицериновой охлаждающей жидкости и аналогичные показатели водоэтиленгликолевой жидкости приведены в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Физико-химические свойства водоглицеринового антифриза

ВГ-40 в сравнении с ТОСОЛом А-40

По основным свойствам антифриз ВГ-40 незначительно уступает Тосолу марки А-40. Следует иметь в виду несколько большую коррозионную активность водоглицеринового антифриза к припою и серому чугуну.

5.1.6. Водоспиртовые смеси

В качестве охлаждающих жидкостей могут быть использованы и водоспиртовые смеси. Например, состав из 40% спиртов и 60% воды замерзает [2]:

– метиловый спирт – минус 40 °С;

– этиловый спирт – минус 31°С.

Температура плавления этилового спирта минус 114,2 °С, метилового ещё ниже. Это позволяет получить смеси с практически любой, необходимой температурой кристализации. Но у смесей спирта и воды очень высока испаряемость спиртового компонента, так как спирты имеют низкие температуры кипения:

– метиловый спирт 64,5 °С;

– этиловый спирт 78,4 °С.

Следовательно, при длительной работе двигателя с негерметичной системой охлаждения из охлаждающей жидкости будут интенсивно испаряться спирты, что вызовет повышение температуры кристализации.

Метиловый спирт – это сильнейший яд. Попадание в организм 30 мл метанола смертельно.

5.2. Тормозные жидкости

В тормозных системах автомобилей в качестве рабочего тела используют тормозные жидкости или сжатый воздух. Важнейший показатель – быстродействие – обусловил широкое применение в системах небольшой протяжённости и вместимости различных тормозных жидкостей.

Запас жидкости находится в бачке главного тормозного цилиндра. При нажатии на педаль тормоза жидкость по трубопроводам весьма малого сечения поступает к рабочим тормозным цилиндрам и воздействует на поршни, разводя тормозные колодки. Выделяющееся при торможении тепло способствует нагреву тормозного механизма, в том числе и рабочих тормозных цилиндров до высокой температуры (более 100 °С). При попадании воздуха в систему, равно как и при образовании паровых пробок, эффективность действия тормозов резко снижается. Требуется неоднократное нажатие на тормозную педаль для сжатия воздуха или паров, в то время когда жидкости практически несжимаемы.

Исходя из изложенных условий работы, можно определить требования к тормозным жидкостям:

– оптимальная вязкость при низких температурах в зимний период

эксплуатации;

– минимальное изменение вязкости при колебаниях температуры;

– хорошая прокачиваемость по трубопроводам и через отверстия порш-ней главного тормозного цилиндра;

– достаточные смазывающие свойства;

– нейтральность по отношению к конструкционным материалам;

– защита от коррозии металлических деталей;

– высокая температура кипения и низкая температура застывания;

– низкая пожароопастность;

– нетоксичность.

5.2.1. Тормозные автомобильные жидкости

В тормозных системах с гидравлическим приводом применяют тормозные жидкости, которые можно разделить на две группы в зависимости от состава:

1. Спиртокасторовые жидкости.

2. Жидкости гликолевого основания.

Спиртокасторовые жидкости представляют собой смесь касторового масла со спиртами: бутанолом (БСК), этанолом (ЭСК) и изопентанолом (АСК).

Широкое распространение до недавнего времени имела жидкость, состоящая из 50% бутанола (бутилового спирта) и 50% касторового масла. В жидкость добавлен краситель характерного красного цвета, из-за чего многие водители называют жидкость БСК – «красная».

Жидкость БСК обладает очень хорошими противоизносными свойствами. Ядовита. В области отрицательных температур обладает крутой вязкостно-температурной зависимостью. При повышенных температурах происходит интенсивное испарение бутанола. При длительном воздействии на жидкость температур ниже минус 20 °С наблюдается интенсивное вымерзание касторового масла, что может привести к выходу из строя гидроприводов тормозов.

В настоящее время жидкость БСК выпускается, имеется в продаже, но считается устаревшей и находит ограниченное применение.

Жидкости гликолевого основания «Нева», «Томь», «Роса» более перспективны и в большей мере отвечают требованиям к тормозным жидкостям.

Жидкости «Нева» и «Томь» изготавливают на основе этилкарбитола с добавлением антикоррозионных, противоизносных (перемещение поршеньков) и антиокислительных присадок. Жидкости имеют температуры кипения около 200 °С, хорошие температурно-вязкостные свойства. Ядовиты.

Наиболее перспективной тормозной жидкостью, удовлетворяющей современным требованиям, является жидкость «Роса». Это высокотемпе-ратурная гидротормозная жидкость на основе борсодержащих полиэфиров. В жидкость введены антиокислительная и антикоррозионная присадки.

Гликолевые жидкости ядовиты. Они предназначены для применения в широком интервале температур окружающей среды: от минус 50 °С до 50 °С. Полностью взаимозаменяемы и совместимы.

Показатели качества перечисленных жидкостей представлены в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Характеристики тормозных жидкостей

*в знаменателе показана температура кипения «увлажнённой» жидкости

5.2.2. Эксплуатационные свойства тормозных жидкостей

К основным эксплуатационным свойствам тормозных жидкостей относятся: гигроскопичность, механические свойства, противоизносные свойства, коррозионная активность, стабильность, токсичность, пожаро-опасность и защитные свойства.

Гигроскопичность – способность поглощать воду из окружающей среды. Это свойство должно предохранять тормозные системы от появления в них воды в свободном виде, химически связывать её. Это препятствует образованию ледяных или паровоздушных пробок в интервале рабочих температур. У большинства гидравлических тормозных систем в пробке бачка для тормозной жидкости имеется отверстие для сообщения с атмосферой. Из опыта эксплуатации известно, что в течение первого года использования в жидкости накапливается до 2% влаги, второго – 3,5 и третьего – 4,5%. Вследствие поглощения влаги температура кипения снижается почти на 100 °С. Невысокая температура кипения может привести к образованию паровых пробок, особенно при напряжённой работе тормозной системы (интенсивное торможение, дисковые тормозные механизмы и др.). Кроме того, повышенное содержание воды в жидкостях приводит к коррозии металлических деталей. Особенно неблагоприятно это сказывается на внутренних рабочих поверхностях тормозных цилиндров и поршнях – приводит к заклиниванию последних, а также к утечкам жидкости.

На рис. 5.4 показано изменение температуры кипения тормозной жидкости в зависимости от пробега (происходящего при этом «увлажнения» жидкости).

Рис. 5.4. Изменение температуры кипения тормозной жидкости в зависимости от пробега

Механические свойства тормозных жидкостей в основном характеризуются их вязкостью и вязкостно-температурными показателями. Вязкость оказывает большое влияние на эффективность и надёжность работы тормозных систем. Понижение вязкости ухудшает уплотнение в главном и рабочих цилиндрах. Повышение вязкости тормозной жидкости приводит к росту сопротивления её движению по трубопроводам, уменьшает чувствительность гидропривода.

Кинематическая вязкость жидкости для гидропривода тормозов при температуре 50 °С должна быть не менее 5,0 мм²/с, при температуре минус 50 °С – не более 2000 мм²/с, а при 100 °С не менее 1,5 сСт.

Гликолевые жидкости имеют лучшие температурно-вязкостные свойства по сравнению со спиртокасторовыми.

Противоизносные свойства тормозных жидкостей должны обеспечивать минимальные износ главного и рабочих цилиндров и истирание резиновых манжет и других уплотнителей.

Лучшими противоизносными свойствами обладают спиртокасторовые жидкости. Неудовлетворительные противоизносные свойства тормозных жидкостей на основе гликолей компенсируют широким применением тех же присадок, которые добавляют к смазочным маслам. Износ трущихся деталей при введении присадок снижается в три-четыре раза.

Коррозионная активность жидкостей зависит от их химического состава и внешних условий, важнейшим из которых является температура. Спиртокасторовые смеси весьма активны по отношению к меди и свинцу. При проникновении в зазор между рабочими поверхностями поршня и тормозного цилиндра воды, особенно с химически активными веществами, наблюдается интенсивная «щелевая» коррозия. Оценивается щелевая коррозия поршня из цилиндра по нагрузке извлечения поршня из цилиндра на модельной установке.

Показателем коррозионной активности тормозных жидкостей к металлам является концентрация водородных ионов рН, численное значение показателя рН должно быть менее 7.

В результате воздействия тормозных жидкостей на резиновые детали происходит взаимообразная диффузия молекул жидкости и компонентов резины. От преобладания того или иного процесса возникает набухание (увеличение) или усадка (уменьшение) манжет. Небольшое набухание манжет компенсирует их износ, повышенное – вызывает заклинивание и разрушение. Усадка манжет ведёт к подтеканиям жидкости. Наибольшее набухание немаслостойкой резины вызывает смесь касторового масла с бутиловым спиртом (БСК). Жидкости на основе гликолей взаимодействуют с резиной слабо.

Стабильность тормозных жидкостей рассматривают как физическую, так и термоокислительную. Физическая стабильность определяет способность к расслаиванию, вспениванию и выпадению осадков. Расслаиванию подвержены спиртокасторовые жидкости. При температуре минус 20 °С и ниже касторовое масло сгущается и застывает, образуя осадок. Вспениваемость тормозных жидкостей мала.

Термостабильность определяет сохранение свойств при повышенных температурах. Для повышения устойчивости жидкостей к окислению (особенно содержащих касторовое масло) применяют антиокислительные присадки – ионол, параоксидифениламин, a – нафтол и др.

Токсичностью обладают все тормозные жидкости, особенно гликолевые. Отравление может произойти при попадании внутрь организма. Поэтому при обращении с тормозными жидкостями необходимо соблюдать специальные меры предосторожности и общие правила техники безопасности при работе с техническими жидкостями.

Пожароопасность присуща спиртокасторовым жидкостям. Гликоли имеют высокие температуры воспламенения (400…600 °С) и не представляют значительной опасности.

Защитные свойства наиболее высоки у спиртокасторовых жидкостей и гораздо хуже у гликолевых, поэтому в последние добавляют присадки.

5.2.3. Применение тормозных жидкостей

Срок службы тормозной жидкости определяется руководством по эксплуатации автомобилей (обычно 1,5–2 года).

На автомобилях ВАЗ тормозные жидкости используют в соответствии с техническими требованиями к материалам ВАЗ (ТТМ ВАЗ 1.97.738-97). Этим требованиям отвечает только одна жидкость, выпускаемая в России – ВТЖ «Роса-ДОТ4». Период её замены – три года.

Тормозные жидкости «Томь» и «Роса-ДОТ 3» не отвечают требованиям ТТМ, однако могут применяться в заднеприводных автомобилях с периодом замены два года.

Тормозная жидкость «Нева» исключена из карт смазки автомобилей, но при отсутствии допущенных жидкостей её можно использовать с ежегодной заменой в автомобилях старых моделей с приводом на задние колёса [19].

Некоторые правила использования тормозных жидкостей

1. Применение только рекомендованных марок жидкостей.

Для автомобилей, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера необходима специальная низкозамерзающая жидкость с вязкостью при минус 55 °С не более 1500 мм²/с. Иногда практикуется разбавление гликолевых жидкостей 18–20% этиловым спиртом. Такая смесь работоспособна до температуры минус 60 °С, но снижается температура кипения и не обеспечивается герметичность резиновых манжетных уплотнений. Это крайняя, вынужденная мера. Весной эту жидкость следует заменить [12].

2. Тормозные жидкости могут повреждать лакокрасочное покрытие автомобиля.

3. Повторно использовать даже кондиционную тормозную жидкость, слитую из тормозной системы, можно только после тщательной фильтрации и отстоя в герметичной таре.

4. При замене тормозной жидкости необходимо полностью удалить старую жидкость при помощи сжатого воздуха в соответствии со схемой прокачивания тормозов и затем промыть систему техническим этиловым спиртом [6].

5. Даже при показаниях на совместимость различных марок жидкостей долив желательно производить жидкостью той же марки.

6. Хранить тормозную жидкость следует в герметичной таре.

5.3. Амортизаторные жидкости

Амортизаторные жидкости предназначены для гашения механических колебаний путём поглощения кинетической энергии за счёт принудительного перетекания жидкости через малые проходные сечения в клапанах.

Требования, предъявляемые к амортизаторным жидкостям аналогичны требованиям к тормозным жидкостям. Особое внимание уделяется хорошим смазывающим и антикоррозионным свойствам, пологой вязкостно-темпера-турной характеристике, позволяющей сохранять текучесть при всех значениях рабочих температур, и низким температурам застывания.

Амортизаторные жидкости должны обладать хорошей физической стабильностью, так как выход амортизаторов из строя нередко происходит по причине образования осадков, а зимой вследствие чрезмерного повышения вязкости масла.

Многократные (десятки миллионов циклов) колебания приводят к значительному механическому и термическому воздействию, поэтому важна термоокислительная стабильность амортизаторных жидкостей. При интенсивной работе амортизаторов температура жидкостей достигает 140 °С, а у тяжелонагруженных многоосных автомобилей до 200 °С и более. После длительной стоянки температура амортизаторной жидкости равна температуре воздуха. Поэтому вязкость является важнейшим показателем. Большинство амортизаторных жидкостей имеют показатели вязкости:

– при 20 °С – 30–60 сСт;

– при 50 °С – 10–16 сСт;

– при 100 °С – 3,5–6,0 сСт;

– при минус 20 °С – не более 800 сСт;

– максимальная вязкость – не более 2000 сСт.

При низких температурах (минус 30 и ниже) нефтяные амортизаторные жидкости нормальную работу амортизаторов обеспечивать не могут, т.к. вязкость увеличивается до 500–10000 сСт (при минус 40 °С). При таких температурах применяют амортизаторные жидкости на синтетической основе.

Важны для амортизаторных жидкостей и хорошие противопенные свойства, так как жидкость, перетекая через отверстия поршней с большой скоростью, может вспениваться.

Как и у тормозных, одним из главных показателей амортизаторных жидкостей является совместимость с конструкционными материалами, особенно резиновыми уплотнениями.

Для того чтобы амортизаторные жидкости наиболее полно отвечали предъявляемым требованиям широко используют различные добавки. Это высокомолекулярные присадки для улучшения температурно-вязкостных характеристик, смазывающих свойств, понижения температуры застывания, антиокислительные, противопенные и другие.

В качестве основной марки всесезонной амортизаторной жидкости широко применяется жидкость АЖ-12т. Она представляет собой смесь фракции трансформаторного масла селективной очистки с этилполисилоксановой жидкостью, содержит смесь противоизносную и антиокислительных присадок. Жидкость АЖ-12т обладает хорошей термоокислительной и механической стабильностью в условиях частых переменных нагрузок, повышенных температур и давлений. Вязкость жидкости при 50 °С не ниже 12 мм²/с. Кроме амортизаторов жидкость широко применяется в гидросистемах гидравлических кранов. Она работоспособна в диапазоне температур от минус 50 °С до 140 °С.

Амортизаторная жидкость МГП-10 – смесь трансформаторного масла, силиконовой жидкости и животных жиров с антиокислительной и пртивопенной присадками. Жидкость предназначена для гидравлических амортизаторов легковых автомобилей ВАЗ с приводом на задние колёса, ЗАЗ , “Москвич”. Кинетическая вязкость при температуре 50 °С равна 10 мм²/с, температура застывания минус 40 °С, плотность 930 кг/м³, а температура вспышки в закрытом тигле не ниже 145 °С. Жидкость обладает хорошими эксплуатационными качествами.

Для переднеприводных автомобилей с высокими нагрузками на телескопические стойки с целью обеспечения достаточной износостойкости разработана амортизационная жидкость МГП-12.

Иногда для заливки в амортизаторы используют веретённое масло АУ и смесь турбинного и трансформаторного масел, но при этом следует помнить, что у них высокая температура застывания и недостаточные вязкостно-температурные характеристики.

Амортизаторная жидкость 169-36 применяется ограниченно и предназначена для тяжелонагруженных амортизаторов большегрузных машин. Она представляет собой полидисперсную смесь олигоорганосилоксанов, обладает улучшенными термоокислительными и противозадирными свойствами, требует применения определённых марок резин для резиновых деталей. Жидкость работоспособна в интервале температур от минус 50 °С до 250 °С.

Фирма Лукойл разработала амортизаторную жидкость «Славол-АЖ» (ТУ 38.301-29-61-93) обладающую высокими показателями качества: вязкость кинематическая при 50 °С – не менее 12 мм²/с, при 40 °С – не более 16–20 сСт, индекс