CN1653250A - 冷却内燃机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却内燃机的方法和装置。在内燃机(11)的冷却循环系统(14)中，使用了一种含水的非离子型冷却剂组合物。为了保证对发动机中与冷却液接触的轻金属组件，例如含镁或镁合金的组件，也能提供持久的防腐保护，该冷却循环系统含有至少一种用于冷却液的去离子装置(28)，例如离子交换剂。

Description

冷却内燃机的方法和装置

本发明涉及一种冷却内燃机的方法和装置，和一种包含内燃机和相应的冷却装置的燃油发动机组。

燃油发动机组，例如，机动车用的燃油发动机组，通常含有内燃机和冷却循环系统，冷却液在该系统中进行循环。在例如欧洲专利申请EP-A 0038 556或德国专利申请DE-A 198 03 884、DE-A 199 38 614或DE-A 199 56893中描述了这类燃油发动机组不同的冷却循环系统。在这些燃油发动机组的冷却循环系统中循环的是冷却液，该冷却液流经发动机气缸体/曲轴箱中和气缸盖中的冷却套。冷却液通常首先流过曲轴箱的冷却套，然后流过气缸盖的冷却套。另外，还可以在进入发动机外壳之前利用一种优选可控制的阀门将冷却液分成两个分离的局部循环，并使它们分别流入曲轴箱和气缸盖的冷却套中。然后可以通过一种调控装置，根据内燃机的参数来调节这两个局部冷却循环，如果有必要，这两个循环互相独立。

使用用水稀释的冷却剂浓缩液作为在该冷却循环系统中循环的冷却液，该冷却剂浓缩液应确保一方面具有良好的除热效果，另一方面可靠地防止冻结。通常用于内燃机冷却循环系统的冷却剂是包含烷撑二醇，尤其是乙二醇或丙二醇为主要成分。然而，烷撑二醇/水混合物在内燃机的运行温度下具有很强的腐蚀性。因此，冷却系统中存在的不同金属，例如铜、黄铜、铁、钢、铸铁(灰铸铁)、铅、锡、铬、锌和铝及其合金，和金属焊料，例如锡焊料(软焊料)，必须得到充分的保护使其免受到各种类型的腐蚀，例如点蚀、裂隙腐蚀、侵蚀或气蚀。因此，内燃机冷却循环系统所用的冷却剂除防冻剂外还含有缓蚀剂。

因此，如WO-A 01/32801、EP-A 0 816 467、WO-A 97/30133或EP A0557 761所述的典型的冷却剂配方还含有有机羧酸盐(例如2-乙基己酸或癸二酸的碱金属盐)形式和/或无机盐(硝酸盐、亚硝酸盐、硼酸盐或钼酸盐)形式的离子缓蚀剂。

在汽车构造中，通过降低机动车重量来降低燃料消耗的作法目前是合意的。因此，在发动机构造中，例如，通过使用轻金属或轻金属合金来降低机组重量是有意义的。因此，例如在最近的研发中，正在尝试部分或完全由镁或镁合金制造发动机。

已经发现，由于镁的化学反应性较强，如今可通过商业途径获得并含有离子缓蚀剂的冷却剂几乎无法为含镁及其合金的组件提供任何防腐保护。

申请人的国际专利申请WO-A 02/08354首次描述了完全非离子型的冷却剂浓缩液和含有这些冷却剂浓缩液的含水冷却剂组合物。这些冷却剂含有以烷撑二醇及其衍生物或以甘油为基础的防冻剂组分，如果需要，除了其它缓蚀剂，它们还含有0.05至10重量％的一种或多种酰胺和/或磺酰胺，结果得到非常好的防腐保护，特别是对诸如铝和镁或其合金之类的轻金属而言。

然而，在内燃机的运行温度下，在这类非离子型冷却剂组合物中也会形成腐蚀性的离子分解产物。此外，内燃机的冷却循环系统通常不是密封系统，这样也会引入腐蚀性污染物，例如在补充冷却水时引入。

国际专利申请WO-A 00/17951描述了一种用于燃料电池的冷却系统，其中使用不含缓蚀剂的纯乙二醇/水混合物作冷却剂。为了确保在相当长的时间内保持冷却剂的纯度和低电导率，在燃料电池的冷却循环系统中安装了一个离子交换器装置。然而，WO-A 00/17951没有提及内燃机的具体材料问题，例如关于含轻金属合金的组件的使用，该文献也没有关注含缓蚀剂的冷却液的问题。

本发明的一个目的是提供一种冷却内燃机的方法，该方法在内燃机的主要运行温度下特别为轻金属和轻金属合金提供了非常好的并且持久的防腐保护。本发明的又一目的是提供一种适合实施该新方法的装置。

我们已经发现，通过如本发明权利要求1所述的方法可以实现该目的。该新型方法有利的进一步扩展构成了从属权利要求的主题。本发明提出在燃油发动机组的冷却循环系统中使用至少一种去离子手段。在使用含离子缓蚀剂的传统冷却剂组合物时，去离子手段的使用会妨碍有效的防腐保护。因此，本发明还提出结合非离子型冷却剂组合物使用去离子手段。

因此，本发明涉及一种冷却内燃机的方法，使一种含非离子型缓蚀剂的冷却液在与内燃机热接触的冷却循环系统中循环，而且至少间歇性地除去该冷却液的离子。我们意外地发现，通过对冷却循环系统中冷却液的间歇或连续地去离子，可以从冷却液中除去在运行过程中形成的离子杂质，并确保持久的防腐保护。通过使用非离子型缓蚀剂，该新型方法特别适合冷却含轻金属组件(特别是含铝或镁或其合金的组件)的内燃机。

所有含非离子型缓蚀剂的含水冷却剂组合物，特别是如申请人的WO-A 02/08354中描述的那些，特别适合在该新型方法中用作冷却液。

可以使用以水或以水与液体醇防冻剂的混合物为基础的散热器保护配方。合适的液体醇防冻剂是烷撑二醇及其衍生物和甘油，尤其是丙二醇，特别是乙二醇。另外，更高级的二醇和二醇醚也是适用的，例如二甘醇、二丙二醇和二醇的单醚，例如乙二醇、丙二醇、二甘醇和二丙二醇的甲醚、乙醚、丙醚和丁醚。也可以使用所述二醇与二醇醚的混合物，还可以使用这些二醇与甘油的混合物，如果需要，该混合物中还可以含所述二醇醚。

通常在与水混合之前以浓缩液形态存在的防冻剂和缓蚀剂组合物优选含有占浓缩液总量0.05至10重量％的一种或多种酰胺和/或磺酰胺，特别优选为一种或多种分别含2至16个碳原子、特别是分别含3至12个碳原子的脂族、脂环族、芳族或杂芳族酰胺和/或磺酰胺。这些酰胺可以是未取代的，或是在酰胺基的氮原子上被烷基取代，例如被C₁-C₄烷基取代。该分子的芳族或杂芳族骨架当然也可以带有烷基。该分子中可以有一个或多个、优选一个或两个酰胺基。这些酰胺还可以带有官能团，优选为C₁-C₄-烷氧基氨基、氯、氟、羟基和/或乙酰基，这些官能团特别是作为存在的芳环或杂芳环上的取代基出现的。在WO-A 02/08354中详细描述了特别优选的芳族酰胺、杂芳族酰胺、脂族酰胺、含酰胺基作为环的组成部分的脂环族酰胺、和芳族磺酰胺。

此外，该浓缩液还可以含有含2至15个碳原子的脂族、脂环族或芳族胺，含4至10个碳原子的单环或双环饱和或部分不饱和的杂环，和/或四(C₁-C₈-烷氧基)硅烷。WO-A 02/08354中同样更具体地描述了所述附加组分的实例。

出于对进料(swallowing)情况下的卫生和安全的考虑，还可以含有常规少量的其它缓蚀剂和其它助剂，例如消泡剂、标记物和苦味物质，只要它们是非离子组分。

作为可直接使用的含水冷却液，特别是用于内燃机冷却循环系统的散热器保护时，该冷却液含10至90重量％的水和90至10重量％的冷却剂浓缩液。

该冷却液优选借助于离子交换剂和/或液体去离子剂和/或通过电化学法进行化学去离子。

本发明还涉及一种用于冷却内燃机、特别是用于实施该新型方法的装置，该装置包括一个至少在一个区段与内燃机进行热接触的冷却循环系统。在该新型装置中，冷却循环系统中设置了至少一种去离子手段。优选地，使用离子交换剂和/或液体去离子剂和/或进行连续电化学去离子作用的手段作为去离子手段。

去离子手段可以设置在内燃机冷却循环系统的任何适当的位置，例如设在主冷却循环中，这样去离子手段直接与冷却液流接触；或设在旁流中，经过该旁流每单位时间只泵入部分冷却液；或设在冷却循环系统中通常配有的补偿管中；或设在其可排放到冷却循环的地方。

如果使用离子交换剂作为去离子手段，其优选装在当需要时(例如当离子交换剂耗尽时)易于更换的过滤器芯中。

用于去离子液的合适的离子交换剂本身是已知的。在本发明的方法中，优选使用有机离子交换剂，特别是含有强碱性羟基型阴离子交换剂树脂和/或磺基型阳离子交换剂树脂的混合产物。相应的可通过商业途径获得的混合产品是，例如，产自Rohm & Haas的混合床树脂离子交换剂AMBERJET^ UP 6040 RESIN。

此外，活性炭或无机吸附剂，例如氧化铝、硅胶、沸石或粘土矿物(例如固态酸(H-粘土)，如MONTMORRILONIT^)，可以作为用于此用途的离子交换剂。可通过商业途径获得的产品有如产自Fluka的MONTMORRILONIT^ KSF。

可以使用的液体去离子剂是本身已知的而且能够结合离子的液体。可以在例如是已知络合剂的情况下通过配位实现结合。这类化合物的例子是糖酸、柠檬酸、酒石酸、次氮基三乙酸(NTA)、甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸(EDTA)和多氨基多羧酸，例如多氨基多次膦酸。如果配位化合物本身是固体，液体去离子剂是这些化合物在与冷却介质混溶或不混溶的液体中的溶液。也可以通过离子相互作用来实现离子结合。这可以是使用胺、季铵化胺、或聚胺例如聚乙烯亚胺或聚乙烯胺时的情况。络合剂与通过离子相互作用发挥作用的化合物的混合物也是可以的，例如，络合剂在这些化合物中的溶液。

液体去离子剂可以与冷却介质混合，从而确保这两种介质之间的紧密接触。然后再将去离子剂从冷却介质中分离出来，例如通过用分相器或用膜单元进行分相。如果使用与循环冷却液不混溶的液体去离子剂，按照第二种变化方案，它可以直接或通过膜、特别是离子可透过膜与冷却液接触。如果去离子剂基本上与冷却液不混溶，可以在一个装有去离子剂的容器内进行接触，而且构成第二相的冷却介质流经该容器。在申请人的德国专利申请DE-A 102 01 276中，更详细地描述了液体去离子剂在燃料电池的冷却系统中的使用。

按照另一变化方案，该冷却液是经电化学法，优选通过电渗析法除去离子的。为了进行电渗析法，在安装在冷却循环系统中的电化学电池的电极上施加电压，该电压除去冷却循环中的部分离子。优选使用在带有或不带离子交换剂都可以运行的电渗析电池。如果使用离子交换剂，相应的电池又被称为电去离子电池。通过使用离子交换剂，可以使冷却介质的残余电导率比只进行电渗析时低得多。因此，优选使用的去离子手段是电去离子电池。在该方法中，冷却介质以稀释流的形式通过该电池。电去离子电池本身是已知的，而且用于例如海水的脱盐。这种电池可以由阴离子和阳离子交换树脂混合床组成。按照另一变化，阴离子和阳离子交换树脂分放在两个分离的室中。稀释流流经离子交换剂填料，通过离子选择膜将所述填料与浓缩流体分离。在申请人的德国专利申请DE-A 101 04 771中有用于燃料电池冷却液的电化学去离子作用的方法和装置的详细描述。

本发明最后还涉及含有至少一个内燃机和至少一个用于该内燃机的冷却循环系统的液冷式燃油发动机组，其中在该冷却循环系统中有至少一种去离子手段。

下面参照附图所示的具体实施方案更详细地解释本发明。

在附图中：

图1表示在冷却循环中设有一种去离子手段的新型燃油发动机组示意图；

图2表示图1的冷却循环中的去离子手段设置的一种变化。

图1用示意图表示出本发明的燃油发动机组10。该燃油发动机组10包括一个内燃机11和一个冷却循环系统14。内然机11带有一个气缸盖12和发动机气缸体或曲轴箱13。在冷却循环系统14中，含水的非离子型冷却剂组合物利用冷却水泵15进行循环。在所示例子中，冷却液从冷却水泵15开始，流经分配器16，该分配器将冷却液分入两个冷却管道17、18，分配器16的分配比可控。从控制元件20经由线路19输送控制信号，该元件利用传感器(未标示)测量气缸盖12和曲轴箱13的温度或从来自内燃机11的管道17或18中流出的冷却液的温度，并设定分配比以使这些温度都不超过预定的最大值。从气缸盖12和曲轴箱13中出来后，冷却管道17、18合并成回流管21，它将热的冷却液带入热交换器22，热交换器在机动车中被称为散热器。在两条管道17、18合并之前，通常具有较高输送量和较高出口温度的曲轴箱冷却管道17可以经过一个加热热交换器23，在此可以从冷却液中吸收用于加热机动车轿厢的热量。在热的冷却液到达热交换器/散热器22之前，可以用一个由恒温器24调节的混合器25将其分成经由管道26导入散热器22的第一分流和经由旁通管27绕过散热器的第二分流。当第一分流通过散热器22时，这两条分流重新合并，并回到冷却水泵16中。

在所示例子中，在回流管21上安装了按照本发明提供的去离子装置28，例如含有离子交换树脂的可更换过滤器芯。在图1的方案中，如果使用离子交换剂，在冷却循环14中循环的冷却液被连续除去离子。当离子交换剂耗尽时，可以更换过滤器芯。另外，去离子装置28也可以是电化学去离子电池或液体去离子剂用的接触单元(contact cell)。

在图2所示的变化方案中，去离子装置28安装在旁通管29上，使用阀30来控制在旁通支管29中对冷却流进行去离子的时间以及进行去离子的冷却流量的多少。作为冷却循环系统14上安装的电导池(未标示)传达的值的一个功能，控制阀30可例如经由信号线31受控于控制装置20。在这种情况下，只有当经电导池记录下冷却液的离子成分浓度升高时，才会进行冷却液的去离子作用。图2变化与图1变化相对应的其它组件标为与图1相同的参照数字。

当然，按照本发明提供的去离子装置可以安装在冷却循环系统14的任何适当的位置，例如在流过散热器22后的管道区段32或在旁通管27上。

对比例

为了按照ASTM D 1384-94进行标准腐蚀测试的对比实验，添装ASTM D 1384试验装置，使得冷却液借助于市售PKW冷却水泵(来自Bosch型号PAA 12V 0 392 020 257、12V直流电压、最大泵输送量260升/小时)经由PVC软管通过含玻璃料的玻璃过滤漏斗进行循环，该装置中装有75克离子交换剂AMBERJET UP 6040 RESIN(Rohm & Haas)。各进行三次含和不含离子交换剂的实验。

所用的非离子型散热器保护配方是30重量％蒸馏水、60重量％单乙二醇、1重量％对甲苯磺酰胺、0.5重量％三乙醇胺和0.5重量％甲苯三唑(tolutriazole)(WO-A 02/08354的实施例15)的混合物。

对比实施例1：

为进行第一个对比测试，在两种实验中都使用依据ASTM D1384的标准金属装置，而且除铝取样管以外还使用了Mg AZ91HP合金的镁取样管。

在冷却循环中含和不含离子交换剂的情况下各自进行三次实验的平均值列示在下表1中：

表1：

                 不含离子交换剂            含离子交换剂

测试样品    重量变化[毫克/平方厘米]  重量变化[毫克/平方厘米]

铜                  -0.23                    0.00

软焊料              -3.13                    +0.01

黄铜                -0.24                    0.00

钢                  0.00                     -0.03

灰铸铁              +0.01                    -0.09

铸铝                +0.01                    +0.06

镁AZ91HP            -6.70                    -1.59

实验2：

在实验2中，用不含镁取样管的ASTM标准金属装置进行相应的对比测试。在冷却循环中含和不含离子交换剂的情况下各自进行三次实验的平均值列示在下表2中：

表2：

                 不含离子交换剂            含离子交换剂

测试样品    重量变化[毫克/平方厘米]  重量变化[毫克/平方厘米]

铜                  -0.16                      -0.03

软焊料              -2.51                      -1.11

黄铜                -0.17                      -0.05

钢                  +0.02                      -0.01

灰铸铁              +0.04                      -0.02

铸铝                +0.03                      -0.00

明显地，在冷却循环中使用离子交换剂可以进一步提高非离子型散热器保护配方的防腐保护。对于含镁及其合金的组件，特别是结合了非铁金属例如铜或黄铜或软焊料的，发现防腐保护获得了特别显著的提高。

Claims (11)

1.一种冷却内燃机的方法，使一种含非离子型缓蚀剂的冷却液在与内燃机进行热接触的冷却循环系统中循环，而且至少间歇式地除去该冷却液的离子。

2.如权利要求2所述的方法，其中所用的冷却液是一种含10至90重量％的、以烷撑二醇或其衍生物或以甘油为基础的冷却剂浓缩液的含水冷却剂组合物，如果需要，除了其它非离子型组分外，该冷却剂浓缩液还含有占浓缩液总量0.05至10重量％的一种或多种的酰胺和/或磺酰胺。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中利用至少一种离子交换剂除去冷却液的离子。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其中利用一种液体去离子剂除去冷却液的离子。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其中通过电化学方法除去冷却液的离子。

6.一种用于冷却内燃机的装置，包括至少在一个区段与内燃机(11)进行热接触的冷却循环系统(14)，其中在该冷却循环系统中安装了至少一个用于冷却液的去离子装置(28)。

7.如权利要求6所述的装置，其中该去离子装置(28)含有至少一种离子交换剂，优选为混合床树脂离子交换剂。

8.如权利要求6或7所述的装置，其中去离子装置(28)的形式是接触单元，液体去离子剂可以在该接触单元中对冷却液产生作用。

9.如权利要求6至8任一项所述的装置，其中去离子装置(28)包括至少一个电渗析电池。

10.如权利要求9所述的装置，其中电渗析电池含有离子交换剂。

11.一种液冷式燃油发动机组，包括至少一个内燃机(11)和至少一个用于内燃机的冷却循环系统(14)，其中该冷却循环系统(14)中配有至少一个去离子装置(28)。

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