納米流體對發動機傳熱摩擦性能影響的試驗研究*

劉 浩，白敏麗，呂繼組，王玉艷，張 亮，王 鵬，胡成志，李曉杰

(大連理工大學能源與動力學院，大連 116024)

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2015025

納米流體對發動機傳熱摩擦性能影響的試驗研究*

劉 浩，白敏麗，呂繼組，王玉艷，張 亮，王 鵬，胡成志，李曉杰

(大連理工大學能源與動力學院，大連 116024)

本文通過摩擦模擬試驗機和導熱系數測量儀分析了納米金剛石添加劑對潤滑油抗磨減摩和傳熱性能的影響，并通過SEM和TEM方法對摩擦表面進行了形貌分析。同時在AVL柴油發動機試驗臺架上進行納米金剛石潤滑油的試驗,考察其在發動機上的實際應用情況。結果表明，應用納米金剛石潤滑添加劑減少了發動機機械損失，強化了傳熱性能，降低了燃油消耗，提升了傳統潤滑油的整體性能。

納米金剛石；臺架試驗；燃油消耗；潤滑；摩擦磨損；傳熱

前言

潤滑油是機械設備運轉的血液，內燃機的使用壽命和經濟性與潤滑油品的性能戚戚相關。伴隨著現代柴油機在節能、低排放和可靠性等方面要求的不斷提高，研制高導熱率、傳熱性能好、并具有減摩抗磨效果的新型潤滑油對內燃機整體性能的提高具有重要的理論和實際意義。自文獻[1]中首次提出納米流體的概念以來，國內外眾多研究機構與大學都相繼開展了納米流體的研究。

以往，多數學者都著重研究納米流體在單一領域內的優良特性。在摩擦學領域，多種納米粒子作為潤滑油添加劑均能提高潤滑油的抗磨減摩性能[2-7]。同時，在納米流體強化傳熱方面也有大量研究表明[8-13]，隨著納米粒子的添加，顯著增加了液體的導熱系數，顯示了納米流體在強化傳熱領域內具有廣闊的應用前景。目前潤滑油的添加劑品種繁多，雖可有效改變潤滑油的品質，但在摩擦過程中可能產生有害成分，特別是溫度較高時，可能對有色金屬(如銀、錫)的軸承材料起腐蝕作用和通過排放造成二次污染。

考慮到金剛石納米粒子屬于由純碳組成的單質，具有超硬、耐磨、熱敏和高熱傳導等優異的物理性能，本文中選用納米金剛石粒子作為潤滑油添加劑，開展了涵蓋納米粒子強化傳熱和改善潤滑摩擦性能的綜合試驗研究。通過Brookfield錐板式黏度計和導熱系數測定儀對納米金剛石潤滑油進行物性測試；利用四球摩擦磨損試驗機考察納米金剛石粒子在潤滑油中的摩擦學特性并利用SEM和TEM方法揭示其抗磨減摩機制；最終選取最佳濃度配比的納米金剛石潤滑油，應用于由道依茨一汽(大連)柴油機有限公司(簡稱大柴)提供的AVL發動機臺架試驗系統，考察納米金剛石潤滑油在減少發動機機械損失、強化傳熱和降低發動機燃油消耗率方面的實際應用效果。

1 試驗部分

1.1 納米金剛石潤滑油的制備

試驗所用的納米金剛石粒子由大連理工大學工程力學系通過“爆轟法”制備而成。基礎潤滑油由道依茨一汽(大連)柴油機有限公司提供。采用兩步法制備納米金剛石潤滑油，將稱重后的納米金剛石粒子與基礎潤滑油混合并添加不同種類的分散劑和穩定劑，然后通過超聲振動的方法制備成不同質量分數(0.01%～1%)的納米金剛石潤滑油。對納米金剛石潤滑油的透射電鏡試驗發現，金剛石納米粒子粒徑約為60nm，呈球狀，如圖1所示。試驗采用重力沉降法驗證納米流體的分散穩定性，如圖2所示，分散20天后，金剛石納米潤滑油仍具有良好的分散穩定性，并無出現明顯分層或沉淀現象。

1.2 黏度試驗

采用Brookfield DV II+Pro錐板式黏度計[13]對質量分數分別為0.01%，0.1%，0.5%和1%的納米流體的黏度進行測量，研究納米顆粒的質量分數對納米流體黏度的影響。為保證納米流體具有最佳的分散效果，試驗前對納米流體進行30min的超聲振動，試驗溫度控制在25～140℃之間，在同一溫度下維持恒定轉速。

納米流體的黏度不僅取決于納米顆粒的質量分數，同時也與顆粒的形狀、大小、混合物、滑移機制和表面添加劑戚戚相關[14]。納米潤滑油的黏溫曲線如圖3所示。由圖可見：納米金剛石潤滑油的黏度隨溫度的增加而急劇下降，25℃時，質量分數為0.01%和0.1%的納米金剛石潤滑油的黏度為209.44和211.48mPa·s，相比于基礎潤滑油降低了5.00%和4.07%；而質量分數為0.5%和1%的納米金剛石潤滑油的黏度為237.71和253.37mPa·s，相比于基礎潤滑油提高了7.8%，14.9%。試驗用基礎潤滑油本身已屬于高品質潤滑油，具有較高的黏度，加入極少量的納米金剛石添加劑沒有增大流體的黏度，而隨著納米金剛石顆粒濃度的增加，納米金剛石潤滑油的黏度則有明顯提高。如果黏度過高，將增大發動機的泵功，進而影響整機的功率和機械損失。因此，后續試驗中，將不再對質量分數為0.5%和1%的納米金剛石潤滑油進行試驗。

1.3 摩擦試驗

四球試驗是目前使用最多、最普遍的一種摩擦磨損試驗方法，四球摩擦模擬試驗機所用鋼球為鉻合金軸承鋼GVr15A，硬度滿足HCR64-66，直徑12.7mm。四球摩擦試驗原理如圖4所示。

1.3.1 極壓試驗

潤滑油的承載能力試驗在MRS-10G摩擦磨損試驗機上依據GB/T 3142—1982進行。試驗溫度保持75℃恒定，載荷770N，上球轉速1 450r/min，試驗時間10s，觀察試驗鋼球表面的磨斑形貌并測量磨痕直徑，如圖5所示。通過光學顯微鏡研究發現，應用納米金剛石潤滑油添加劑，鋼球平均磨痕直徑降低了40.0%(質量分數0.05%)和38.4%(質量分數0.1%)。納米金剛石潤滑油添加劑可提高潤滑油承載能力的特性可解釋為高壓使納米金剛石顆粒變形，滲透到摩擦副的表面從而形成一個邊界潤滑薄膜，阻止了摩擦副表面的直接接觸。當納米金剛石顆粒的質量分數低至0.01%，由于納米粒子的極度稀少，并不能有效地提高潤滑油的承載能力，后續試驗中將不再采用。

1.3.2 長摩試驗

內燃機運行過程中，潤滑油須在長時間惡劣工況下保持穩定良好的潤滑狀態。為此，潤滑油的長摩試驗在MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機上依據SH/T 0189—1992進行。試驗溫度130℃，載荷392N，上球轉速600r/min，試驗時間60min，每10s記錄一次摩擦因數。試驗結果表明，應用納米金剛石潤滑添加劑后平均摩擦因數得到明顯降低，如圖6所示。當納米金剛石顆粒的質量分數為0.05%，0.08%和0.1%時，平均摩擦因數分別降低了12.55%，15.11%和30.25%。應用納米金剛石添加劑降低潤滑油的摩擦因數可以解釋為在較低的壓力下，球狀納米金剛石顆粒起到滾動軸承的作用，防止了摩擦副表面的直接接觸，進而降低了摩擦因數。

試驗后通過掃描電鏡(SEM)方法觀察表面磨痕，如圖7所示。單純使用基礎潤滑油，由于缺乏良好的潤滑狀態導致摩擦副表面直接接觸，引起了摩擦副表面極大程度的破壞；而應用質量分數為0.1%的納米金剛石潤滑油后，減少了摩擦副表面的磨損。

1.4 導熱系數試驗

利用導熱系數分析儀測定納米金剛石潤滑油的導熱系數，其測量原理是基于瞬態熱線法。為了較為真實地反映內燃機的運行工況，試驗溫度控制在90～120℃之間，每10min記錄1個數據點，每個溫度記錄10個數據點，然后計算該溫度下的平均導熱系數。試驗結果如圖8所示。由圖可見，隨著納米金剛石潤滑油添加劑的使用，潤滑油的導熱系數有一定程度的增加，并且導熱系數隨納米粒子濃度的增加而增大，質量分數為0.05%，0.08%和0.1%的納米金剛石潤滑油的平均導熱系數比基礎潤滑油分別提高了0.44%,1.08%和1.49%。

1.5 發動機臺架試驗

為了考察納米金剛石潤滑油在發動機上的實際應用效果，將納米金剛石潤滑油應用于由道依茨一汽(大柴)柴油機有限公司提供的AVL柴油機臺架試驗系統(圖9)，在發動機實際運行工況下研究納米金剛石潤滑油在減少發動機機械損失、強化傳熱和降低發動機燃油消耗率方面的效果。AVL臺架試驗系統的主要技術參數和試驗條件如表1和表2所示。

表1 AVL臺架試驗系統的主要技術參數

表2 試驗條件

1.5.1 倒拖試驗

在發動機的整機損失中，活塞、缸套和活塞環的摩擦功耗占到45%～65%，其工作狀況影響整個發動機的效率，配氣機構消耗的摩擦功約占發動機總摩擦功的15%～20%。采用倒拖法通過AVL交流電力測功機測量發動機不同工況下的機械損失功率。試驗過程中盡量保持水溫和油溫恒定，結果如圖10所示。試驗研究發現，當添加納米金剛石顆粒的質量分數為0.05%，0.08%和0.10%時，相比于基礎潤滑油平均機械損失功率降低了0.5%，0.4%和1.5%；平均倒拖轉矩則降低了0.8%，0.16%和0.27%。證明了納米金剛石潤滑油在降低發動機摩擦功，減少機械損失方面表現出了良好的減摩性能。

1.5.2 萬有特性試驗

為了全面評價發動機整體性能，進行了發動機的萬有特性試驗，并將所得試驗數據經origin處理分析，所繪制出的萬有特性曲線如圖11所示。由圖可見：基礎潤滑油的最佳經濟區位于低轉速低載荷工況，形狀不規則，且面積小；而納米金剛石潤滑油的最佳經濟區位于中央區域，形狀規則，說明在變轉速和變載荷工況下燃油消耗率變化都不大，因此可知納米金剛石潤滑油相比基礎油有更好的燃油經濟性；當納米金剛石顆粒的質量分數為0.1%時，最佳經濟區面積最大，說明在該濃度下納米金剛石潤滑油對發動機的經濟性提升效果最明顯。

1.5.3 活塞溫度場試驗

活塞-氣缸套溫度場試驗是目前掌握發動機熱負荷狀態的最有效途徑之一。本文中通過硬度塞方法對一個活塞的溫度場進行了測定，測點布置如圖12所示。試驗結果如表3所示。由表可見，使用質量分數為0.1%的納米金剛石潤滑油后，活塞頂面中心、燃燒室邊緣和活塞一環岸的溫度分別降低了8、10和4℃。活塞溫度場的降低不僅與納米流體導熱系數的增大有關，同時也是納米金剛石潤滑油降低摩擦損失、提高了燃油效率共同作用的結果。

表3 活塞溫度場試驗結果 ℃

2 結論

(1) 通過摩擦模擬試驗機考察了納米金剛石潤滑油對抗磨減摩性能的影響，并應用于AVL發動機臺架試驗系統，考察其在發動機實際運行工況中對發動機整體性能的影響。采用了黏度計、導熱儀、SEM和TEM方法來闡述納米金剛石潤滑油改善潤滑、減小摩擦和強化傳熱的機制。

(2) 摩擦模擬試驗結果表明，含有納米金剛石添加劑的潤滑油具有良好的抗磨減摩性能。在低速、低載荷的情況下，球狀納米金剛石顆粒由于其“微軸承”作用，防止摩擦副的直接接觸從而改善了潤滑；在高速、重載荷的情況下，納米金剛石顆粒沉積在摩擦副表面，形成邊界潤滑薄膜，從而提高其承載能力。

(3) 柴油發動機臺架試驗結果表明，該納米潤滑油添加劑具有良好的實際使用性能，能夠有效改善發動機的動力性能，降低機械損失功率，提高燃油經濟性，降低活塞組熱負荷。質量分數為0.1%的納米金剛石潤滑油對發動機經濟性提升效果最好。

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An Experimental Study on the Influence of Nanofluids on theHeat Transfer and Tribological Performances of Engine

Liu Hao, Bai Minli, Lü Jizu, Wang Yuyan, Zhang Liang, Wang Peng, Hu Chengzhi & Li Xiaojie

SchoolofEnergyandPowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

The effects of nano-diamond additive on the performances of anti-wear, friction reduction and heat transfer of lubricant are analyzed with friction simulation tester and thermal conductivity meter, and a morphological analysis is also conducted on friction surface by using SEM and TEM.Meanwhile nano-diamond lubricant is tested on an AVL diesel engine test bench to investigate its application situation on real engine.The results show that the use of nano-diamond additive reduce the mechanical loses, enhance the heat transfer performance and lower the fuel consumption of engine, and enhance the overall performance of traditional lubricant.

nano-diamond; bench test; fuel consumption; lubrication; friction and wear; heat transfer

*國家自然科學基金(51276031、51376002和51476019)資助。

原稿收到日期為2013年6月14日，修改稿收到日期為2013年8月14日。