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(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024)

?

2015025

納米流體對發(fā)動機(jī)傳熱摩擦性能影響的試驗(yàn)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(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024)

本文通過摩擦模擬試驗(yàn)機(jī)和導(dǎo)熱系數(shù)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(jìn)行了形貌分析。同時(shí)在AVL柴油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行納米金剛石潤滑油的試驗(yàn),考察其在發(fā)動機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用情況。結(jié)果表明，應(yīng)用納米金剛石潤滑添加劑減少了發(fā)動機(jī)機(jī)械損失，強(qiáng)化了傳熱性能，降低了燃油消耗，提升了傳統(tǒng)潤滑油的整體性能。

納米金剛石；臺架試驗(yàn)；燃油消耗；潤滑；摩擦磨損；傳熱

前言

潤滑油是機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的血液，內(nèi)燃機(jī)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性與潤滑油品的性能戚戚相關(guān)。伴隨著現(xiàn)代柴油機(jī)在節(jié)能、低排放和可靠性等方面要求的不斷提高，研制高導(dǎo)熱率、傳熱性能好、并具有減摩抗磨效果的新型潤滑油對內(nèi)燃機(jī)整體性能的提高具有重要的理論和實(shí)際意義。自文獻(xiàn)[1]中首次提出納米流體的概念以來，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)與大學(xué)都相繼開展了納米流體的研究。

以往，多數(shù)學(xué)者都著重研究納米流體在單一領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)良特性。在摩擦學(xué)領(lǐng)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(shí)，在納米流體強(qiáng)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(dǎo)熱系數(shù)，顯示了納米流體在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域內(nèi)具有廣闊的應(yīng)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(zhì)，但在摩擦過程中可能產(chǎn)生有害成分，特別是溫度較高時(shí)，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(zhì)，具有超硬、耐磨、熱敏和高熱傳導(dǎo)等優(yōu)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(qiáng)化傳熱和改善潤滑摩擦性能的綜合試驗(yàn)研究。通過Brookfield錐板式黏度計(jì)和導(dǎo)熱系數(shù)測定儀對納米金剛石潤滑油進(jìn)行物性測試；利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察納米金剛石粒子在潤滑油中的摩擦學(xué)特性并利用SEM和TEM方法揭示其抗磨減摩機(jī)制；最終選取最佳濃度配比的納米金剛石潤滑油，應(yīng)用于由道依茨一汽(大連)柴油機(jī)有限公司(簡稱大柴)提供的AVL發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)，考察納米金剛石潤滑油在減少發(fā)動機(jī)機(jī)械損失、強(qiáng)化傳熱和降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率方面的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 納米金剛石潤滑油的制備

試驗(yàn)所用的納米金剛石粒子由大連理工大學(xué)工程力學(xué)系通過“爆轟法”制備而成。基礎(chǔ)潤滑油由道依茨一汽(大連)柴油機(jī)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(chǔ)潤滑油混合并添加不同種類的分散劑和穩(wěn)定劑，然后通過超聲振動的方法制備成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(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(yàn)發(fā)現(xiàn)，金剛石納米粒子粒徑約為60nm，呈球狀，如圖1所示。試驗(yàn)采用重力沉降法驗(yàn)證納米流體的分散穩(wěn)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(wěn)定性，并無出現(xiàn)明顯分層或沉淀現(xiàn)象。

1.2 黏度試驗(yàn)

采用Brookfield DV II+Pro錐板式黏度計(jì)[13]對質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%，0.1%，0.5%和1%的納米流體的黏度進(jìn)行測量，研究納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yàn)前對納米流體進(jìn)行30min的超聲振動，試驗(yàn)溫度控制在25～140℃之間，在同一溫度下維持恒定轉(zhuǎn)速。

納米流體的黏度不僅取決于納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，同時(shí)也與顆粒的形狀、大小、混合物、滑移機(jī)制和表面添加劑戚戚相關(guān)[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(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǔ)潤滑油降低了5.00%和4.07%；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǔ)潤滑油提高了7.8%，14.9%。試驗(yàn)用基礎(chǔ)潤滑油本身已屬于高品質(zhì)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(fā)動機(jī)的泵功，進(jìn)而影響整機(jī)的功率和機(jī)械損失。因此，后續(xù)試驗(yàn)中，將不再對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%的納米金剛石潤滑油進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 摩擦試驗(yàn)

四球試驗(yàn)是目前使用最多、最普遍的一種摩擦磨損試驗(yàn)方法，四球摩擦模擬試驗(yàn)機(jī)所用鋼球?yàn)殂t合金軸承鋼GVr15A，硬度滿足HCR64-66，直徑12.7mm。四球摩擦試驗(yàn)原理如圖4所示。

1.3.1 極壓試驗(yàn)

潤滑油的承載能力試驗(yàn)在MRS-10G摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB/T 3142—1982進(jìn)行。試驗(yàn)溫度保持75℃恒定，載荷770N，上球轉(zhuǎn)速1 450r/min，試驗(yàn)時(shí)間10s，觀察試驗(yàn)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(xué)顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%)和38.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(gè)邊界潤滑薄膜，阻止了摩擦副表面的直接接觸。當(dāng)納米金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xù)試驗(yàn)中將不再采用。

1.3.2 長摩試驗(yàn)

內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中，潤滑油須在長時(shí)間惡劣工況下保持穩(wěn)定良好的潤滑狀態(tài)。為此，潤滑油的長摩試驗(yàn)在MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)SH/T 0189—1992進(jìn)行。試驗(yàn)溫度130℃，載荷392N，上球轉(zhuǎn)速600r/min，試驗(yàn)時(shí)間60min，每10s記錄一次摩擦因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用納米金剛石潤滑添加劑后平均摩擦因數(shù)得到明顯降低，如圖6所示。當(dāng)納米金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，0.08%和0.1%時(shí)，平均摩擦因數(shù)分別降低了12.55%，15.11%和30.25%。應(yīng)用納米金剛石添加劑降低潤滑油的摩擦因數(shù)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(jìn)而降低了摩擦因數(shù)。

試驗(yàn)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(chǔ)潤滑油，由于缺乏良好的潤滑狀態(tài)導(dǎo)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(yīng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

利用導(dǎo)熱系數(shù)分析儀測定納米金剛石潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù)，其測量原理是基于瞬態(tài)熱線法。為了較為真實(shí)地反映內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行工況，試驗(yàn)溫度控制在90～120℃之間，每10min記錄1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)溫度記錄10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后計(jì)算該溫度下的平均導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)有一定程度的增加，并且導(dǎo)熱系數(shù)隨納米粒子濃度的增加而增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，0.08%和0.1%的納米金剛石潤滑油的平均導(dǎo)熱系數(shù)比基礎(chǔ)潤滑油分別提高了0.44%,1.08%和1.49%。

1.5 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)

為了考察納米金剛石潤滑油在發(fā)動機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用效果，將納米金剛石潤滑油應(yīng)用于由道依茨一汽(大柴)柴油機(jī)有限公司提供的AVL柴油機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)(圖9)，在發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下研究納米金剛石潤滑油在減少發(fā)動機(jī)機(jī)械損失、強(qiáng)化傳熱和降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率方面的效果。AVL臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)條件如表1和表2所示。

表1 AVL臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)條件

1.5.1 倒拖試驗(yàn)

在發(fā)動機(jī)的整機(jī)損失中，活塞、缸套和活塞環(huán)的摩擦功耗占到45%～65%，其工作狀況影響整個(gè)發(fā)動機(jī)的效率，配氣機(jī)構(gòu)消耗的摩擦功約占發(fā)動機(jī)總摩擦功的15%～20%。采用倒拖法通過AVL交流電力測功機(jī)測量發(fā)動機(jī)不同工況下的機(jī)械損失功率。試驗(yàn)過程中盡量保持水溫和油溫恒定，結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加納米金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，0.08%和0.10%時(shí)，相比于基礎(chǔ)潤滑油平均機(jī)械損失功率降低了0.5%，0.4%和1.5%；平均倒拖轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)摩擦功，減少機(jī)械損失方面表現(xiàn)出了良好的減摩性能。

1.5.2 萬有特性試驗(yàn)

為了全面評價(jià)發(fā)動機(jī)整體性能，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)的萬有特性試驗(yàn)，并將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)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(chǔ)潤滑油的最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)位于低轉(zhuǎn)速低載荷工況，形狀不規(guī)則，且面積??；而納米金剛石潤滑油的最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)位于中央?yún)^(qū)域，形狀規(guī)則，說明在變轉(zhuǎn)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(chǔ)油有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)納米金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)面積最大，說明在該濃度下納米金剛石潤滑油對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性提升效果最明顯。

1.5.3 活塞溫度場試驗(yàn)

活塞-氣缸套溫度場試驗(yàn)是目前掌握發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷狀態(tài)的最有效途徑之一。本文中通過硬度塞方法對一個(gè)活塞的溫度場進(jìn)行了測定，測點(diǎn)布置如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表可見，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(huán)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(dǎo)熱系數(shù)的增大有關(guān)，同時(shí)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(jié)果。

表3 活塞溫度場試驗(yàn)結(jié)果 ℃

2 結(jié)論

(1) 通過摩擦模擬試驗(yàn)機(jī)考察了納米金剛石潤滑油對抗磨減摩性能的影響，并應(yīng)用于AVL發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)，考察其在發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況中對發(fā)動機(jī)整體性能的影響。采用了黏度計(jì)、導(dǎo)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(qiáng)化傳熱的機(jī)制。

(2) 摩擦模擬試驗(yàn)結(jié)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(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，該納米潤滑油添加劑具有良好的實(shí)際使用性能，能夠有效改善發(fā)動機(jī)的動力性能，降低機(jī)械損失功率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低活塞組熱負(fù)荷。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米金剛石潤滑油對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性提升效果最好。

[1] Eastman J A, Choi U S, Li S, et al.Enhanced Thermal Conductivity Through the Development of Nanofluids[J].MRS Proceedings,1997,457:3-11.

[2] Zhang W, Zhang P, Wu D, et al.Tribological Properties of Oleic Acid-modified Graphene as Lubricant Oil Additives[J].Journal of Physics D: Applied Physics,2011,44.

[3] Rapoport L, Nepomnyashchy O, Lapsker I, et al.Behavior of Fullerene-like WS2Nanoparticles Under Severe Contact Conditions[J].Wear,2005,259(1-6):703-707.

[4] 喬玉林,徐濱士,馬世寧,等.含納米銅的減摩修復(fù)添加劑摩擦學(xué)性能及其作用機(jī)理研究[J].石油煉制與化工,2002,33(8):34-38.

[5] 顧彩香,李慶柱,李磊,等.納米粒子潤滑油的抗磨減摩機(jī)理[J].機(jī)械工程材料,2007,31(10):1-3.

[6] 張翼東,閆加省,孫磊,等.納米銅潤滑油添加劑減摩抗磨及自修復(fù)性能[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(5):74-79.

[7] 王補(bǔ)宣.工程傳熱傳質(zhì)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[8] Mintsa H A, Roy G, Nguyen C T, et al.New Temperature Dependent Thermal Conductivity Data for Water-based Nanofluids[J].International Journal of Thermal Sciences,2009,48(2):363-371.

[9] 王東愛,劉美華,張書達(dá),等.表面修飾的納米金剛石微粒在潤滑油中的抗磨減摩性[J].潤滑與密封,2009(7):58-61.

[10] 李金凱,趙蔚琳,劉宗明,等.氧化硅納米流體的導(dǎo)熱性能研究[J].化工機(jī)械,2010(4):405-408.

[11] Peyghambarzadeh S M, Hashemabadi S H, Hoseini S M, et al.Experimental Study of Heat Transfer Enhancement Using Water/Ethylene Glycol Based Nanofluids as a New Coolant for Car Radiators[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2011,38(9):1283-1290.

[12] Mufti R A, Priest M.Effect of Engine Operating Conditions and Lubricant Rheology on the Distribution of Losses in an Internal Combustion Engine[J].Journal of Tribology,2009,131(4):41101.

[13] Saeed M B, Zhan M.Adhesive Strength of Nano-size Particles Filled Thermoplastic Polyimides.Part-I: Multi-walled Carbon Nano-tubes (MWNT)-Polyimide Composite Films[J].International Journal of Adhesion and Adhesives,2007,27(4):306-318.

[14] Sarkar J.A Critical Review on Convective Heat Transfer Correlations of Nanofluids[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(6):3271-3277.

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(xué)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。