羅逸，徐長明，何延，辛莎，田力

(1.華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北武漢 430074；2.武漢優(yōu)能納米流體技術(shù)有限公司，湖北武漢 430014)

0 引言

通過改進(jìn)設(shè)計(jì)提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率已經(jīng)變得相當(dāng)困難，因?yàn)橥ㄟ^一百多年的發(fā)展人們對它的研究已接近極致，并且研發(fā)費(fèi)用高昂。通過改換冷卻液來減小它與機(jī)油之間的溫差，構(gòu)造小溫差發(fā)動(dòng)機(jī)，將是一種簡單有效的減少熱損失及提高熱機(jī)效率的方法。

基于專利技術(shù)[1]的抗高溫發(fā)動(dòng)機(jī)納米冷卻液是近年來開發(fā)的一種應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)冷卻的新型換熱劑產(chǎn)品，3年的實(shí)車(汽、柴油動(dòng)力機(jī)車)運(yùn)行結(jié)果證實(shí)：在降低油耗、減少尾氣排放、快速散熱及縮短冷啟動(dòng)時(shí)間等性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻液[2-4]，表明我國在納米流體高溫冷卻技術(shù)及內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)跨入世界前沿。

有關(guān)納米流體能否作為電動(dòng)機(jī)車的冷卻劑目前未見報(bào)道，本文作者以某油-電混動(dòng)車為研究對象，分析和探討納米冷卻液對發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、油耗及發(fā)電功率等動(dòng)力負(fù)荷特性行為的影響，為實(shí)車運(yùn)行的可行性評估提供技術(shù)依據(jù)。

1 臺(tái)架試驗(yàn)

冷卻液：測試樣為優(yōu)能120納米冷卻液，參比樣為普通防凍液。

試驗(yàn)方法：設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)口端溫度為90、95 ℃，轉(zhuǎn)速為1 800、2 000、2 500 r/min，功率為10、15、20 kW，試驗(yàn)負(fù)荷為不超過80%發(fā)動(dòng)機(jī)總負(fù)荷。

數(shù)據(jù)采集：發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，持續(xù)30 min，每5 min采集一次數(shù)據(jù)，記錄下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口及出口的冷卻液溫度、功率及油耗量。

測試過程：90 ℃各組試驗(yàn)正常，當(dāng)進(jìn)口溫度為95 ℃及功率為15 kW時(shí)，6組平行試驗(yàn)中的2組由于水溫過高觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停，故后續(xù)20 kW功率試驗(yàn)未繼續(xù)進(jìn)行。

數(shù)據(jù)處理：

ΔT=T120-Tcool

(1)

式中：ΔT為出口溫度變化；T120為加入優(yōu)能120后出口溫度；Tcool為參比防凍液出口溫度。

(2)

式中：Δη為發(fā)電效率變化；P120為加入優(yōu)能120后發(fā)電功率；Pcool為參比防凍液發(fā)電功率。

(3)

式中：ΔQ為油耗變化；Q120為加入優(yōu)能120后油耗量；Qcool為參比防凍液油耗量。

2 結(jié)果與討論

換裝優(yōu)能120納米冷卻液的影響主要表現(xiàn)為：

(1)提高氣缸溫度及熱機(jī)效率

優(yōu)能120可提高氣缸溫度，且進(jìn)口溫度越高則其升溫越明顯。如表1所示，由90 ℃至95 ℃時(shí)，它與防凍液間的溫差急劇擴(kuò)大至9.29 ℃，油耗率變化也明顯加大。若同時(shí)加大轉(zhuǎn)速、功率分別至2 500 r/min、15 kW，冷卻液溫度接近109 ℃(臨界溫度)，此時(shí)，6次平行試驗(yàn)中2次過熱停機(jī)，但油耗大幅下降-18.1%，引擎熱效率至最高。它表明：在安全工作范圍內(nèi)，優(yōu)能120具備現(xiàn)行防凍液所缺少的促使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳燃燒溫度的能力，是使內(nèi)燃機(jī)具有較低油耗及燃油經(jīng)濟(jì)性的主要原因之一。

(2)提高發(fā)電效率

增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)無論何種冷卻液其發(fā)電功率都獲得相應(yīng)提高，但優(yōu)能120相對變化幅度較大，兩種溫度下的平均變化率+2.25%，表明它可以提高發(fā)電效率，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度越高時(shí)變化幅度差異越小(表1)。

表1 油-電混動(dòng)車換裝納米冷卻液前后臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

注：變化率“+”為提高，“-”為降低。

(3)降低冷卻器汽化熱損及動(dòng)力能耗

將進(jìn)口溫度由90 ℃提高95 ℃，傳統(tǒng)防凍液平均油耗增加57 mL/5 min，優(yōu)能120僅增加了9.67 mL/5 min(表2)，即前者的高溫能損要比后者大5倍。其原因在于，防凍液的沸點(diǎn)為104 ℃，此時(shí)其出口溫度約為100 ℃(表1)，流體近乎沸騰狀態(tài)，由之產(chǎn)生的汽化潛熱損失及循環(huán)流動(dòng)氣阻能耗很大，因此它遠(yuǎn)大于具備高沸點(diǎn)(120 ℃)且出口溫度為103～108 ℃的優(yōu)能120納米冷卻液，顯然，這兩種能耗的降低也是高沸點(diǎn)納米冷卻液在高溫下工作時(shí)相對比較節(jié)省燃油的原因之一。

(4)循環(huán)熱平衡運(yùn)行機(jī)制

上述高溫燃燒產(chǎn)生的高溫冗余熱量必須通過水箱快速傳導(dǎo)到環(huán)境中，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，為此納米流體的高溫強(qiáng)化換熱特性在此過程中將起著關(guān)鍵作用。它提高了水箱的散熱速度與效率，確保冷卻流體溫度快速下降至安全工作溫度以下，從而形成“發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃燒→水箱快速散熱→發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃燒” 周期性熱平衡的良性循環(huán)。

表2 改變冷卻液進(jìn)口溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及發(fā)

對于此次試驗(yàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度被恒定至設(shè)定值，納米流體的快速散熱降溫效果未能在循環(huán)冷卻過程中得以體現(xiàn)，故在測試中出現(xiàn)了過熱停機(jī)現(xiàn)象。實(shí)際上，讓冷卻循環(huán)過程自然運(yùn)行，并通過調(diào)節(jié)流量建立發(fā)動(dòng)機(jī)出口處溫度在108 ℃附近(即低于安全臨界溫度)時(shí)的循環(huán)熱平衡，那么此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率應(yīng)該最高。

3 結(jié)論

采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法研究了在改變進(jìn)口溫度、功率及轉(zhuǎn)速條件下，換裝優(yōu)能120納米冷卻液對油-電混動(dòng)車運(yùn)行熱效率的影響。結(jié)果表明，將溫度由90 ℃切換至95 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度至108 ℃，比參比防凍液要高9.29 ℃、相對平均油耗由2.81%下降至 -11.85%，最大油耗下降-18.1%、發(fā)電效率提高0.52%～3.97%，并且入口溫度提高后其增加的油耗量僅占防凍液的20%左右。

熱機(jī)效率的提高是納米冷卻液提升了氣缸工作溫度，高沸點(diǎn)與高換熱率降低了流體由于汽化產(chǎn)生的氣阻與熱損失，及“發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃燒→水箱快速散熱→發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃燒”周期性循環(huán)熱平衡運(yùn)行機(jī)制三者共同作用的結(jié)果。試驗(yàn)出現(xiàn)過熱停機(jī)現(xiàn)象是由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度被恒定至設(shè)定值，流經(jīng)水箱的納米流體的快速降溫作用無法體現(xiàn)所致。