商用柴油車運行時納米冷卻液的節油散熱效果與作用機制

羅逸，辛莎，童超，何延，徐長明

(1.華中科技大學化學與化工學院,湖北武漢 430074；2.武漢優能納米流體技術有限公司,湖北武漢 430014)

0 引言

提高發動機燃燒效率的方法通常為：一是改進發動機的設計，如渦輪增壓發動機；二是完善發動機電控單元(Electronic Control Unit，ECU)及相關傳感器，實現對燃燒過程的精準控制。實際上，通過精心設計的納米冷卻液也可以達到相同的省油目的，并可促進動力冷卻系統的散熱過程。此外，換裝冷卻液的方法更便捷，成本也低，很容易在車輛的售后維護市場被用戶接受。

此前，各國有關納米冷卻液的研究主要集中于如何提高換熱效率[1-3]，與發動機實車運行的報道很少，并且以實驗室研究為主[4-6]。羅逸等人[7]研究了納米冷卻液在乘用小車上的臺架試驗及實車運行效果，首次證實具備高度熱穩定性的納米流體可以解決發動機的冷卻及節能減排問題。

本文作者對國內首批33臺車的產品售后用戶組織了一次回訪調查，以評估該冷卻液在大型柴油機車上的商務運行效果以及普及化應用的可行性。

1 產品的主要性能指標

表1所示為納米冷卻液換裝產品的主要性能指標。

注：產品的質量檢測，除外觀及穩定性為納米流體的屬性外，其他指標均參照國家汽車防凍液標準執行。

2 實車運行數據

數據源自換裝產品后的柴油機車用戶，數量為33臺，時間為夏季，施工地點或運營線路涉及我國華中、華南、華東、華北及西北地區。在信息的采集及機車種類的選擇上力求具有代表性、客觀性、廣泛性及隨機性，數據及處理結果見表2—表4。

表2 工程機械換裝納米冷卻液產品后結果(15臺)

表3 貨運卡車換裝納米冷卻液產品后結果(6臺)

表4 客車換裝納米冷卻液產品后對比結果(12臺)

3 效果分析

納米冷卻液對運營中的柴油機車均具有節油及降溫效果，符合設計預期。

工程機械：節油率5.71%～20%，均值12.86%；水溫下降4～13 ℃，均值8.5 ℃。

卡車：節油率10.8～16.7%，均值13.1%；發動機不再高溫報警。

客車：節油率2.38%～4.51%，均值3.45%。

對比分析結果可以看出，對于大馬力(發熱量大)并經常處于超載運行狀態的貨運重卡及無法借助行駛自然風幫助散熱的施工機械，其換裝納米冷卻液后的節油效果比客車大概要高3～4倍。

目前還沒有冬季實車運行的相關數據，預計其數值會有波動。

4 節能散熱的作用機制

節能散熱的作用機制主要為：

(1)發動機運行時，夾套內的冷卻液溫度隨之增加，達到沸點時液溫不再升高，氣缸內燃燒反應達到平衡，此后產生的富余能量不再做有用功并被轉化為汽化熱(廢熱)，造成燃油的浪費。例如，優能120的沸點比普通防凍液高約15 ℃，相對而言，當發動機滿負荷工作時，其缸體溫度存在15 ℃的能效提升空間，即高沸點納米冷卻液可使燃料的利用率增加，動力增強，缸體內機油溫度的提高也減小了活塞的運行磨阻，能耗降低。此外，高溫充分燃燒也相應地降低了尾氣污染物的排放量。

(2)固體材料的熱傳導能力遠大于液體。若將納米粒徑的高導熱粒子添加到某種液體中，則該流體的動態熱傳導性能增加，并且流速越大或擾動越劇烈流體中粒子經由彼此碰撞過程傳遞的熱量就越多。

納米粒子參與冷卻過程對動力系統運行的影響表現為：

(1)防止發動機過熱。無論是常用的水+乙二醇型防凍液還是導熱系數更低的有機無水冷卻液，其換熱能力及速度均不能滿足高溫柴油發動機的散熱要求，即無法將燃燒后的廢熱迅速帶出并通過散熱器(水箱)快速擴散到環境中，形成熱量積累直至“燒缸”“燒機油”或“開鍋”等極端情況發生。

(2)降低循環冷卻系統的動力負荷。納米流體可在相同時間內傳遞更多的熱量，促使水箱的冷卻效率提高，主要表現為循環泵及風扇的啟閉頻率降低，運行功率減小，時間縮短，空調制冷效果更好等，顯示出既降溫亦節能的規律。

它們是上述單一影響因子或二者作用疊加的結果。

5 結論

納米冷卻液可同時降低運行發動機的油耗和溫度是由于：(1)冷卻流體的高沸點為提高氣缸的工作溫度和燃燒效率提供了條件；(2)高導熱納米粒子參與了冷卻系統的強化散熱過程，降低了動力消耗，呈現即降溫亦節能的規律。33臺商用柴油機車的實車運行結果表明，納米冷卻液可解決發動機的高溫過熱問題，其平均節油率：工程機械12.86%，卡車13.1%，客車3.45%；水箱溫度下降值：工程機械4～13 ℃，均值8.5 ℃。換裝后機車的動力增加，熱車時間縮短，空調制冷效率提高。與對散熱要求相對較低的客車相比，一些配備有大功率柴油機(發熱量大)的重型卡車或無法借助行駛自然風幫助散熱的工程機械對納米冷卻液應具有更大的市場需求。