Почему разработали специальную спецификацию ASTM D6210 для дизельных двигателей тяжелой техники? Прежде чем ответить на этот вопрос, поговорим о развитии технологий двигателей на тяжелом топливе.
Дизельные двигатели приводят в движение тяжёлые грузовики, специальную и сельскохозяйственную технику, тепловозы, морской транспорт и т.д. Чтобы повысить мощность и добиться соответствия международным экологическим стандартам (например, нормативам по выхлопам Евро), дизельные двигатели оснащают дополнительным оборудованием: турбокомпрессорами с промежуточными охладителями, точными электронными системами впрыска, компьютерами для управления сгоранием. Все это увеличивает тепловые нагрузки на охлаждающую жидкость.
Однако в системе охлаждения за последние годы никаких конструктивных изменений: это по-прежнему циркуляционный насос с приводом от двигателя; вентилятор, которому передается вращательный момент коленчатого вала, а также механический термостат, который зависит от температуры рабочей жидкости. Какое будущее у тяжело нагруженных дизельных двигателей? Как в ответ изменится система охлаждения? Что такое спецификация ASTM D6210? Об этом и пойдет речь в статье.

Как изменились дизельные технологии

Рециркуляция выхлопов

С начала 2000-х годов ужесточились экологические нормативы по выбросам оксидов азота (NOx) и несгоревших твердых частиц. За последние двадцать лет предельное значение выбросов, согласно стандартам Евро, снизилось более чем в 10 раз.

Чтобы соответствовать этим требованиям, большинство производителей двигателей внедрили систему рециркуляции выхлопных газов (EGR, Exhaust Gas Recirculation), поскольку она обеспечивает лучшую экономию топлива и позволяет сократить вредные выбросы в атмосферу.

Поступающий в двигатель воздух — это смесь азота (78 %), кислорода (21 %) и прочих газов (1 %). В камере сгорания воздух смешивается с топливом и воспламеняется, в результате происходит реакция и образуются оксиды азота. Чем выше температура в камере сгорания, тем больше вредных выбросов. Как работает система рециркуляции: до 50 % отработанных газов из выпускного коллектора охлаждается и подается снова на впуск; выхлопной газ заменяет собой часть кислорода (компонента, отвечающего за горение); в результате понижается температура сгорания и, соответственно, уменьшаются выбросы NOx.
Температуру выхлопных газов понижают с ~704 до 163 °C с помощью охлаждающей жидкости двигателя. В результате тепловая нагрузка на ОЖ увеличивается на 25–35 %. Это приводит к закипанию и последующему термическому разложению гликоля на муравьиную и гликолевую кислоты, которые провоцируют коррозию черных металлов. Как следствие, срок службы охлаждающей жидкости сокращается в разы.

Избирательная каталитическая нейтрализация
(SCR — selective catalytic reduction)

Эта технология применяется для доочистки отработавших газов. Жидкость AdBlue (другие названия — мочевина или DEF) впрыскивается в отработавшие газы перед тем, как они проходят через ванадиевый каталитический нейтрализатор. Под действием реагента оксиды азота распадаются на безвредные азот и водяной пар. В результате выбросы оксидов азота сокращаются на 90 %.

Непосредственный впрыск топлива и контроль сгорания

Современные дизельные двигатели впрыскивают топливо непосредственно в цилиндры, используя модули управления двигателем (ECM). Модуль ECM взаимодействует с тщательно продуманным набором датчиков, расположенных в стратегически важных узлах для контроля скорости вращения двигателя, температуры охлаждающей жидкости и масла. Электронное управление — это меньший расход топлива, эффективное сгорание, увеличенная мощность и более чистые выхлопы. Однако увеличение выходной мощности для данного объема цилиндра во время сгорания приводит к увеличению количества тепла, которое должно отводиться охлаждающей жидкостью.

Охладители наддувочного воздуха

Благодаря турбокомпрессорам (или нагнетателям) можно значительно повысить мощность двигателя (примерно на 30–40 %). Турбокомпрессор позволяет нагнетать больше воздуха в двигатель и, соответственно, сжигать больше топлива для увеличения мощности. Чтобы достичь еще большей мощности и вместе с тем увеличить запас прочности двигателя, воздух охлаждают промежуточным охладителем, расположенным между турбонагнетателем и впускным коллектором. Отвод избыточного тепла увеличивает плотность воздуха, и благодаря этому производится больше энергии. Такие охладители (их еще называют интеркулерами) бывают двух типов: «воздух — воздух» и «воздух — жидкость». Однако их применение в системе турбонаддува связано с рисками. В случае с воздушно-воздушным интеркулером задача состоит в том, чтобы правильно его разместить и заизолировать (охладитель должен располагаться перед радиатором, иначе потоки смешаются). Использование воздушно-жидкостных промежуточных охладителей дает дополнительную тепловую нагрузку на охлаждающую жидкость.

Таким образом, дополнительные системы, которые снижают количество вредных выбросов в окружающую среду или повышают эффективность сгорания топлива, увеличивают тепловую нагрузку на охлаждающую жидкость и, следовательно, требуют более термически стабильного антифриза.

Какие бывают охлаждающие жидкости

Базовые компоненты любого антифриза — это гликоль (ОЖ для тяжелой техники, как правило, на основе этиленгликоля), вода и присадки. Главное отличие охлаждающих жидкостей для тяжело нагруженных дизельных двигателей заключается в технологии присадок — добавок, с помощью которых улучшаются эксплуатационные характеристики антифриза. Присадки бывают двух типов: неорганические (IAT — Inorganic acid technology, их еще называют традиционными) и органические (OAT — Organic acid technology или карбоксилатные).

Распространены следующие охлаждающие жидкости: традиционные ОЖ с добавлением дополнительных присадок (SCA), полностью сформулированные традиционные ОЖ (FFC), охлаждающие жидкости расширенного срока службы (ELC) и охлаждающие жидкости с увеличенным интервалом замены (ESI).

 

Типы охлаждающих жидкостей

Традиционная охлаждающая жидкость (IAT)	Содержит неорганические ингибиторы коррозии, такие как бораты, молибдаты, нитраты, нитриты, фосфаты, силикаты. В Европе фосфаты обычно не используются из-за потенциальных проблем совместимости с жесткой водой. В Азии силикаты обычно не используются по причине гелеобразования и истирания уплотнителей помпы
Органическая охлаждающая жидкость (OAT)	Органическая охлаждающая жидкость (OAT)Охлаждающая жидкость, которая содержит любые группы карбоновых кислот, включая алифатические моно- и дикислоты и ароматические кислоты. Срок службы сильно варьируется в зависимости от формулы присадок, например, 250 000 км у PEAK Long Life (антифриз для легковых автомобилей, преимущественно используется в бензиновых двигателях)
Гибридная охлаждающая жидкость (Hybrid)	Охлаждающая жидкость, содержащая неорганические и органические ингибиторы коррозии. Европейские гибриды не содержат фосфатов. Азиатские гибриды не содержат силикатов
Охлаждающая жидкость увеличенного срока службы (ELC)	Охлаждающая жидкость на основе ОАТ, которая обеспечивает длительный срок службы. Может содержать нитриты и (или) молибдаты для улучшения эксплуатационных характеристик. Интервалы обслуживания — более 450 000 км, например, 1 600 000 км у FINAL CHARGE Global (соответствует ASTM D6210)
Дополнительный пакет присадок (SCA)	Дополнительный пакет присадок, который периодически нужно добавлять в антифриз для обеспечения защиты от общей коррозии, точечной коррозии гильзы цилиндра и отложений в двигателе
Охлаждающая жидкость с увеличенным интервалом обслуживания (ESI)	Охлаждающая жидкость, которая также обеспечивает увеличенный срок службы. Дополнительные пакеты присадок обычно добавляются с интервалами 150 000–250 000 км
Полностью сформулированная охлаждающая жидкость (Fully Formulated)	Традиционная охлаждающая жидкость, содержащая начальную дозу минеральных присадок, например. Требует контроля уровня присадок и периодической дозаправки SCA в жидком виде либо использования химических фильтров с присадками SCA

Однако большой срок службы — это еще не все. Правильные охлаждающие жидкости для тяжело нагруженных двигателей: 1) хорошо отводят избытки тепла и поддерживают рабочую температуру двигателя; 2) обладают отличными высоко- и низкотемпературными свойствами (не замерзают и не расширяются в объеме при отрицательных температурах; имеют высокую температуру кипения и термического распада); 3) предохраняют систему от коррозии при высоких температурах, защищают мокрую гильзу и крыльчатку циркуляционного насоса от кавитации, а также не разрушают прокладки и шланги; 4) не образуют осадка и накипи; 5) имеют официальные допуски производителей техники и соответствуют международным стандартам качества (например, спецификации ASTM D6210). Неправильный подбор охлаждающей жидкости приводит к поломкам двигателя и дорогостоящему ремонту оборудования.

Проблемы при неправильной эксплуатации системы охлаждения

Термический распад

При длительном термальном воздействии основа ОЖ — этиленгликоль окисляется и распадается на гликолевую кислоту (HO-CH2-COOH), муравьиную кислоту (HCOOH), щавелевую кислоту (HOOCCOOH) и др. Некоторые присадки в охлаждающих жидкостях, такие как нитриты, которые используются для защиты чугуна/гильз цилиндров от коррозии, также могут подвергаться окислению и деградировать до нитратов. Повышенная тепловая нагрузка и более жесткие условия эксплуатации (высокая температура, аэрация, давление и т.д.) ускоряют окисление и сокращают срок службы рабочей жидкости.

Чтобы защитить ОЖ от высокотемпературной деградации производители оборудования и поставщики компонентов предлагают следующие решения: 1) поднять температуру закипания рабочей жидкости за счет увеличения давления в системе на 0,5–0,7 бара; 2) использовать более мощные вентиляторы охлаждения; 3) увеличить размер или скорость водяного насоса (скорость потока); 4) использовать теплообменники большей площади. Что касается теплообменников, то их все чаще делают из легких и мягких металлов с более узкими щелевыми каналами для эффективной теплоотдачи.

Но увеличение теплонагрузок — не единственная проблема современных систем охлаждения. Тяжелые условия эксплуатации техники требуют увеличения мощности насоса и скорости, что затрудняет деэрацию охлаждающей жидкости. Остаточные пузырьки воздуха в системе охлаждения способствуют окислению гликоля и провоцируют общую коррозию.

Кавитация

Защита мокрых гильз цилиндров от кавитационной эрозии (точечной коррозии) по-прежнему имеет первостепенное значение для тяжело нагруженных дизельных двигателей. Гильзы цилиндров вибрируют от движения поршня, и это приводит к образованию областей низкого давления жидкости. В зонах низкого давления образуются пузырьки пара, которые позже схлопываются на стенках гильзы. В результате сначала разрушается защитный слой, образованный присадками на поверхности гильзы, а затем начинается разрушение металла.
В конечном итоге кавитация приводит к сквозной перфорации гильзы и поломке двигателя.
В охлаждающих жидкостях (традиционных, полностью сформулированных, с увеличенным интервалом обслуживания и антифризах с увеличенным сроком службы) для защиты от разрушения мокрой гильзы обычно используются нитриты или комбинация нитритов и молибдатов. Ввиду более суровых условий эксплуатации, которые могут способствовать ускоренному истощению нитритов, ожидается, что в дизельных двигателях в большей степени будут использоваться охлаждающие жидкости с увеличенным сроком службы (OAT) или охлаждающие жидкости с увеличенным интервалом замены, не содержащие нитритов. Охлаждающие жидкости на основе OAT с увеличенным сроком службы, не содержащие нитритов, показали удовлетворительные характеристики при испытаниях на кавитацию двигателя в тяжелых условиях (ранее — испытания на кавитацию компании John Deere) и практически во всех применениях двигателя в полевых условиях.

Осадок и накипь

Накипь, возникающая в результате использования жесткой воды, загрязнений системы охлаждения и разрушения антикоррозионных пленочных агентов, может блокировать циркуляцию жидкости, нарушать теплообмен и вызывать перегревы двигателя. Слои накипи в диапазоне от 0,25 до 1,25 мм ухудшают теплопередачу на 40%, что приводит к перегреванию и поломке двигателя. Кроме того, накипь вызывает локальные перегревы, и это является катализатором окисления ОЖ. Для профилактики накипи и солевых отложений используют присадки (рассеиватели накипи), а также высокоочищенную деионизированную воду при разбавлении концентрата охлаждающей жидкости.

ASTM D6210

Американское общество по испытаниям материалов (ASTM) разработало стандарты для разных классов ОЖ. Охлаждающие жидкости для мощных двигателей должны соответствовать требованиям спецификации ASTM D6210. Эта спецификация регламентирует комплекс испытаний на определение жесткости, водородного показателя, качества гликоля, совместимости присадок и т.д. Особое внимание уделяется способности охлаждающей жидкости противостоять кавитации мокрой гильзы цилиндра (испытание по методу компании John Deere).

Технологии будущего

Современные требования к выбросам потребуют использования топлива с низким содержанием серы, что заставит производителей оборудования переходить на более сложные топливные системы. В некоторых двигателях уже используют двойные и даже тройные турбокомпрессоры для повышения эффективности. Большие охладители или двойные охладители системы рециркуляции выхлопных газов потребуются для снижения температуры сгорания и для уменьшения выбросов NOx. Более высокие уровни рециркуляции отработанных газов могут вызвать повышение температуры охлаждающей жидкости и локальные закипания в точках нагрева. Все это увеличит нагрузку на охлаждающую жидкость и уменьшит срок ее службы. Поэтому новые технологии рециркуляции ожидаемо потребуют улучшения термической стабильности охлаждающей жидкости и ее химического состава.

Дизельные сажевые фильтры будут использоваться для снижения выбросов ультрадисперсных твердых частиц. Сам фильтр не будет воздействовать на охлаждающую жидкость, но может вызвать дополнительное напряжение, изменяя способ работы двигателя. Если сжигание сажи из сажевого фильтра происходит через цилиндр после впрыска топлива, температура цилиндра повысится, а напряжение охлаждающей жидкости увеличится. Использование технологии селективного каталитического восстановления для снижения выбросов NOx может снизить нагрузку на систему рециркуляции отработанных газов, что также уменьшит тепловую нагрузку на охлаждающую жидкость.

Технологии сокращения выбросов будут влиять на антифризы и системы охлаждения. Поэтому будут использоваться циркуляционные насосы большего размера для увеличения потока охлаждающей жидкости из-за повышающихся требований к мощности. Увеличенные площади радиаторов будут компенсировать постоянно растущие тепловые нагрузки. Из-за более высоких скоростей в системе рециркуляции выхлопных газов потребуются более крупные или двойные охладители. Легкие и мягкие металлы уже используются в системах охлаждения, и в будущем тенденция по облегчению двигателей останется актуальной.

Что касается охлаждающей жидкости, то, по всей вероятности, нас ждет появление действительно новой технологии. Это будет ОЖ следующего поколения, с отличными высокотемпературными свойствами, эффективная при высоких скоростях циркуляции, которая не будет разрушать эластомеры и уплотнители. В этом плане ожидаемый лидер — пропиленгликоль (1,2-пропандиол) благодаря его биоразлагаемости и токсикологическим преимуществам. Возможной альтернативой этилен- и пропиленгликолю из-за лучшего окисления и высокой термической стабильности может стать 1,3-пропандиол (триэтиламин), который уже используется в качестве высокотемпературного промышленного теплоносителя.

Также не забываем о нанотехнологиях. Вполне возможно, что частицы размером ~5 нм, диспергированные в водной среде, будут в разы эффективнее и быстрее переносить тепло. А еще перспективы в качестве теплоносителей есть у ионных жидкостей. Ионные жидкости представляют собой органические соли с температурами плавления менее 100 °С. Ионные жидкости могут использоваться для восстановления и (или) замены гликоля, что также улучшит свойства теплопередачи. Однако такие изменения произойдут нескоро, потому что использование нанотехнологий и ионных жидкостей потребует значительных конструктивных изменений в системе охлаждения и ее компонентах. Сегодня для современных тяжело нагруженных дизельных двигателей подойдут антифризы, соответствующие спецификации ASTM D6210, в сочетании с грамотным и своевременным обслуживанием системы охлаждения.