АНТИФРИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ
ENERGY-SAVING ANTIFREEZE

Изобретение относится к области теплообмена и теплообменной техники, а именно к антифризам - охлаждающим жидкостям для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тяжелой колесной и гусеничной техники гражданского и военного назначения и других транспортных средств, а также генераторных установок и др.
Особенности нашей страны с наличием разных географических зон от крайнего севера до тропиков юга, с диапазоном температур от высоких значений до плюс 50°С летом в южных регионах и до минус 50°С и ниже в Заполярье, требуют наличия энергоэффективных, охлаждающих жидкостей - антифризов для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тяжелой колесной и гусеничной техники гражданского и военного назначения и других транспортных средств, а также генераторных установок и др.
Широко известны охлаждающие жидкости (ОЖ) для автомобильного транспорта на основе этиленгликоля [1, 2 и др.] по ГОСТ 28084-89 «Жидкости, охлаждающие низкозамерзающие», где они определяются как: «Охлаждающие низкозамерзающие жидкости - водные растворы этиленгликоля по ГОСТ 19710 или гликолевых и водно-гликолевых потоков его производства, представляющих собой этиленгликоль с массовой долей воды от 30%, с антикоррозионными, антивспенивающими, стабилизирующими и красящими добавками».
Существенной отрицательной особенностью подобных антифризов-аналогов является то, что при работе в системе охлаждения этиленгликоль со временем подвергается окислению с образованием продуктов, имеющих кислую среду и коррозионно-активных по отношению к металлам. Для нейтрализации этих продуктов в состав охлаждающих жидкостей (ОЖ) вводят различного рода присадки, которые зачастую быстро «снашиваются» и недостаточно эффективны в отношении коррозии и кавитационных процессов в агрегатах системы охлаждения, в особенности при интенсивных нагрузках. Решение вопроса защиты конструктива двигателей от коррозии в среде ОЖ путем введения присадок описано, например, в [1 и 2].
Кроме антикоррозионных свойств, важнейшей характеристикой ОЖ является эффективность теплопередачи от стенки камеры сгорания работающего двигателя к внешней среде. Препятствует этому, особенно на этапе холодного пуска двигателя (при температуре масла ниже минус 20°C), высокая вязкость ОЖ, требующая дополнительной энергии (теплоты), вырабатываемой двигателем. Большая часть полезной энергии (работы) двигателя расходуется только на компенсацию производства энтропии - обеспечение температурного режима эксплуатации. При этом расходуется топливо, время водителя (оператора) и уменьшается ресурс работы двигателя.
Похожими недостатками обладают и аналоги - электролитные хладоносители, содержащие в своем составе агрессивный коррозионный компонент - хлорид натрия, например (Патент РФ №2489467) [3].
Близким по уровню решаемой задачи - прототипом является антифриз (Патент РФ №2164929) [4], который содержит компоненты, вес. %: этиленгликоль (32-53), набор целевых добавок противокоррозионных, антивспенивающих и др. (бура 0,1-0,6; нитрит натрия 0,5-0,9; триэтаноламин 0,01-0,07; бензотриазол 0,01-0,03; одномодульное жидкое стекло 0,02-0,08; декстрин 0,02-0,06; продукт осерения глицерина концентрированной серной кислотой 0,01-0,03; антивспениватель, содержащий бутанол, полиметилсилоксан в соотношении вес. ч. 25:1-0,04-0,07; вода - остальное).
Известный антифриз недостаточно эффективен в условиях работы двигателей при низких температурах и большой нагрузке, имеет существенную вязкость. Это снижает скорость прогрева холодного двигателя и теплоотдачи в рабочем режиме прогрева и эксплуатации. Как следствие, наблюдается повышенный расход горючего, ускоренный износ агрегатов и самого двигателя и его неэффективная работа.
Указанных выше недостатков лишен заявляемый для патентования новый антифриз энергосберегающий, который содержит нижеследующие компоненты, вес. %: этиленгликоль (34-54), поверхностно активные вещества (ПАВ) на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве (5-12) от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии (3-5), в составе: нитрит натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-0,75; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10, включая буферные составы на основе органических (одно-, двух- и трехзамещенный цитрат натрия или калия) и неорганических (фосфаты одно-, двух- и трехзамещенные, полифосфаты, бура) соединений, вода - остальное.
ПАВ обеспечивают снижение гидродинамического сопротивления течения антифриза в трубах и теплообменниках.
Композиция целевых добавок в составе, вес. %: нитрит натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-0,75; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10, известна по Патенту РФ №2296790 [5].
Заявленное изобретение позволяет получить новый технический результат за счет снижения вязкости антифриза, заключающийся в увеличении эффективности работы двигателя во время его прогрева и штатной эксплуатации, в особенности при низких отрицательных температурах окружающей среды и высоких нагрузках в условиях Сибири, Крайнего Севера и в Арктической зоне России. В итоге снижается время прогрева двигателя и расход горючего, уменьшается износ деталей двигателя, что в конечном итоге приводит к экономии топлива и увеличению ресурса работы двигателя.
Инновационный состав нового антифриза в сочетании компонентов, вес. %: этиленгликоль 34-54, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве (5-12) от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии (3-5), в составе: нитрит натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-0,75; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10, включая буферные составы на основе органических (одно-, двух- и трехзамещенный цитрат натрия или калия) и неорганических (фосфаты одно-, двух- и трехзамещенные, полифосфаты, бура) соединений, вода - остальное, обладает высокими теплофизическими свойствами и стабильными техническими характеристиками в широком временном и температурном диапазоне и позволяет получать технический результат, лучший, чем у известных аналогов и прототипа.
Предложенное изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1. Брали новый антифриз, изготовленный в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 34, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 5 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 3, в составе: нитрит натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-0,75; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10, включая буферные составы на основе органических (одно-, двух- и трехзамещенный цитрат натрия или калия) и неорганических (фосфаты одно-, двух- и трехзамещенные, полифосфаты, бура) соединений, вода - остальное.
В качестве сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип по Патенту РФ №2164929. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 10°С. В результате натурных испытаний установлено, что вязкость аналога, прототипа и нового антифриза составляет, мПа·с, - 17, 15 и 12 соответственно, а время прогрева двигателя составляет 7, 6 и 4 мин соответственно.
Пример 2. Брали новый антифриз, приготовленный в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 38, ПАВ па основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 6,4 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 3,4 в составе: по аналогии с Примером 1, вода - остальное.
Для сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип по Патенту РФ №2164929. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 20°С. В результате натурных испытаний установлено, что вязкость нового антифриза, аналога и прототипа составляет, мПа·с, - 25, 20 и 17 соответственно, а время прогрева двигателя составляет - 10 и 8 и 6 мин соответственно.
Пример 3. Брали новый антифриз в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 42, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 7,8 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 3,8, в составе: по аналогии с Примером 1, вода - остальное.
Для сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 30°С. В результате натурных испытаний установлено, что вязкость нового антифриза, аналога и прототипа составляет, мПа·с, - 52, 44 и 36 соответственно, а время прогрева двигателя составляет - 15, 12 и 8 мин соответственно.
Пример 4. Брали новый антифриз в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 46, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 9,2 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 4,2, в составе: по аналогии с Примером 1, вода - остальное.
В качестве сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 40°С. В результате натурных испытаний установлено, что вязкость нового антифриза, аналога и прототипа составляет, мПа·с, - 100, 90 и 78 соответственно, а время прогрева двигателя составляет - 23, 19 и 14 мин соответственно.
Пример 5. Брали новый антифриз в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 50, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 10,6 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 4,6, в составе: по аналогии с Примером 1, вода - остальное.
В качестве сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 50°С. В результате испытаний установлено, что вязкость нового антифриза, аналога и прототипа составляет, мПа·с, - 560, 490 и 330 соответственно, а время прогрева двигателя составляет - 32, 28 и 22 мин соответственно.
Пример 6. Брали новый антифриз в составе компонентов, вес. %: этиленгликоль 54, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве 12,0 от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии 5,0, в составе: по аналогии с Примером 1, вода - остальное.
В качестве сравнения брали антифризы - аналог ОЖ и прототип. Параллельно проводили анализ вязкости и оценку эффективности работы антифризов по скорости (времени) прогрева двигателя внутреннего сгорания при минус 60°С. В результате испытаний установлено, что вязкость нового антифриза, аналога и прототипа составляет, мПа·с, - 2450, 2100 и 1550 соответственно, а время прогрева двигателя составляет - 42, 36 и 29 мин соответственно.
Данные экспериментов сведены в таблицу и представлены ниже.
Сравнительная таблица
Эмпирически установлено, что оптимальным для заявленного нового антифриза является состав компонентов, вес. %: этиленгликоль 34-54, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) в количестве (5-12) от состава антифриза и целевые добавки ингибитора коррозии (3-5), в составе: нитрит натрия 0,003-0,15; бензоат натрия 0,015-0,75; продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой 0,002-0,10, включая буферные составы на основе органических (одно-, двух- и трехзамещенный цитрат натрия или калия) и неорганических (фосфаты одно-, двух- и трехзамещенные, полифосфаты, бура) соединений, вода - остальное. Сравнительные испытания показали, что снижение концентрации компонентов (вес. %) в новом антифризе: этиленгликоля до 33,5, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной, либо пропиловой или бутиловой) до 4,5 и целевых добавок в указанном выше составе до 2,5, вода - остальное, не дает заметного положительного эффекта по сравнению с прототипом.
Превышение концентрации компонентов (вес. %) в новом антифризе: этиленгликоля до 54,5, ПАВ на основе металлоорганических соединений, выбранных из ряда натриевых, калиевых, кальциевых или магниевых солей органических кислот (муравьиной или уксусной либо пропиловой или бутиловой) до 12,5 и целевых добавок в указанном выше составе до 5,5, вода - остальное, также не дает существенного положительного эффекта по сравнению с прототипом и приводит к увеличению стоимости состава, снижению эффективности по техническому результату до уровня прототипа.
В зависимости от концентрации компонентов новый антифриз сохраняет рабочие свойства в диапазоне температур от плюс 118°С до температуры начала кристаллизации минус 65°С. Срок эксплуатации - более 5 лет или 250000 км пробега техники. Срок эксплуатации аналогов, например тосола, по ГОСТ 28084-89 не более 3 лет или 60000 км пробега транспорта [6].
Источники информации
1. Васильев Л.С. Автомобильные эксплуатационные материалы. Изд. Наука-пресс. 2004.
2. Кириченко Н.Б. Автомобильные эксплуатационные материалы. Изд. Академия ISBN. 2012.
3. Патент РФ №2489467.
4. Патент РФ №2164929.
5. Патент РФ №2296790
6. Электронный ресурс: http/www.auto-samara.ru.