纳米流体对发动机传热摩擦性能影响的试验研究*

刘 浩，白敏丽，吕继组，王玉艳，张 亮，王 鹏，胡成志，李晓杰

(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)



2015025

纳米流体对发动机传热摩擦性能影响的试验研究*

刘 浩，白敏丽，吕继组，王玉艳，张 亮，王 鹏，胡成志，李晓杰

(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)

本文通过摩擦模拟试验机和导热系数测量仪分析了纳米金刚石添加剂对润滑油抗磨减摩和传热性能的影响，并通过SEM和TEM方法对摩擦表面进行了形貌分析。同时在AVL柴油发动机试验台架上进行纳米金刚石润滑油的试验,考察其在发动机上的实际应用情况。结果表明，应用纳米金刚石润滑添加剂减少了发动机机械损失，强化了传热性能，降低了燃油消耗，提升了传统润滑油的整体性能。

纳米金刚石；台架试验；燃油消耗；润滑；摩擦磨损；传热

前言

润滑油是机械设备运转的血液，内燃机的使用寿命和经济性与润滑油品的性能戚戚相关。伴随着现代柴油机在节能、低排放和可靠性等方面要求的不断提高，研制高导热率、传热性能好、并具有减摩抗磨效果的新型润滑油对内燃机整体性能的提高具有重要的理论和实际意义。自文献[1]中首次提出纳米流体的概念以来，国内外众多研究机构与大学都相继开展了纳米流体的研究。

以往，多数学者都着重研究纳米流体在单一领域内的优良特性。在摩擦学领域，多种纳米粒子作为润滑油添加剂均能提高润滑油的抗磨减摩性能[2-7]。同时，在纳米流体强化传热方面也有大量研究表明[8-13]，随着纳米粒子的添加，显著增加了液体的导热系数，显示了纳米流体在强化传热领域内具有广阔的应用前景。目前润滑油的添加剂品种繁多，虽可有效改变润滑油的品质，但在摩擦过程中可能产生有害成分，特别是温度较高时，可能对有色金属(如银、锡)的轴承材料起腐蚀作用和通过排放造成二次污染。

考虑到金刚石纳米粒子属于由纯碳组成的单质，具有超硬、耐磨、热敏和高热传导等优异的物理性能，本文中选用纳米金刚石粒子作为润滑油添加剂，开展了涵盖纳米粒子强化传热和改善润滑摩擦性能的综合试验研究。通过Brookfield锥板式黏度计和导热系数测定仪对纳米金刚石润滑油进行物性测试；利用四球摩擦磨损试验机考察纳米金刚石粒子在润滑油中的摩擦学特性并利用SEM和TEM方法揭示其抗磨减摩机制；最终选取最佳浓度配比的纳米金刚石润滑油，应用于由道依茨一汽(大连)柴油机有限公司(简称大柴)提供的AVL发动机台架试验系统，考察纳米金刚石润滑油在减少发动机机械损失、强化传热和降低发动机燃油消耗率方面的实际应用效果。

1 试验部分

1.1 纳米金刚石润滑油的制备

试验所用的纳米金刚石粒子由大连理工大学工程力学系通过“爆轰法”制备而成。基础润滑油由道依茨一汽(大连)柴油机有限公司提供。采用两步法制备纳米金刚石润滑油，将称重后的纳米金刚石粒子与基础润滑油混合并添加不同种类的分散剂和稳定剂，然后通过超声振动的方法制备成不同质量分数(0.01%～1%)的纳米金刚石润滑油。对纳米金刚石润滑油的透射电镜试验发现，金刚石纳米粒子粒径约为60nm，呈球状，如图1所示。试验采用重力沉降法验证纳米流体的分散稳定性，如图2所示，分散20天后，金刚石纳米润滑油仍具有良好的分散稳定性，并无出现明显分层或沉淀现象。

1.2 黏度试验

采用Brookfield DV II+Pro锥板式黏度计[13]对质量分数分别为0.01%，0.1%，0.5%和1%的纳米流体的黏度进行测量，研究纳米颗粒的质量分数对纳米流体黏度的影响。为保证纳米流体具有最佳的分散效果，试验前对纳米流体进行30min的超声振动，试验温度控制在25～140℃之间，在同一温度下维持恒定转速。

纳米流体的黏度不仅取决于纳米颗粒的质量分数，同时也与颗粒的形状、大小、混合物、滑移机制和表面添加剂戚戚相关[14]。纳米润滑油的黏温曲线如图3所示。由图可见：纳米金刚石润滑油的黏度随温度的增加而急剧下降，25℃时，质量分数为0.01%和0.1%的纳米金刚石润滑油的黏度为209.44和211.48mPa·s，相比于基础润滑油降低了5.00%和4.07%；而质量分数为0.5%和1%的纳米金刚石润滑油的黏度为237.71和253.37mPa·s，相比于基础润滑油提高了7.8%，14.9%。试验用基础润滑油本身已属于高品质润滑油，具有较高的黏度，加入极少量的纳米金刚石添加剂没有增大流体的黏度，而随着纳米金刚石颗粒浓度的增加，纳米金刚石润滑油的黏度则有明显提高。如果黏度过高，将增大发动机的泵功，进而影响整机的功率和机械损失。因此，后续试验中，将不再对质量分数为0.5%和1%的纳米金刚石润滑油进行试验。

1.3 摩擦试验

四球试验是目前使用最多、最普遍的一种摩擦磨损试验方法，四球摩擦模拟试验机所用钢球为铬合金轴承钢GVr15A，硬度满足HCR64-66，直径12.7mm。四球摩擦试验原理如图4所示。

1.3.1 极压试验

润滑油的承载能力试验在MRS-10G摩擦磨损试验机上依据GB/T 3142—1982进行。试验温度保持75℃恒定，载荷770N，上球转速1 450r/min，试验时间10s，观察试验钢球表面的磨斑形貌并测量磨痕直径，如图5所示。通过光学显微镜研究发现，应用纳米金刚石润滑油添加剂，钢球平均磨痕直径降低了40.0%(质量分数0.05%)和38.4%(质量分数0.1%)。纳米金刚石润滑油添加剂可提高润滑油承载能力的特性可解释为高压使纳米金刚石颗粒变形，渗透到摩擦副的表面从而形成一个边界润滑薄膜，阻止了摩擦副表面的直接接触。当纳米金刚石颗粒的质量分数低至0.01%，由于纳米粒子的极度稀少，并不能有效地提高润滑油的承载能力，后续试验中将不再采用。

1.3.2 长摩试验

内燃机运行过程中，润滑油须在长时间恶劣工况下保持稳定良好的润滑状态。为此，润滑油的长摩试验在MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机上依据SH/T 0189—1992进行。试验温度130℃，载荷392N，上球转速600r/min，试验时间60min，每10s记录一次摩擦因数。试验结果表明，应用纳米金刚石润滑添加剂后平均摩擦因数得到明显降低，如图6所示。当纳米金刚石颗粒的质量分数为0.05%，0.08%和0.1%时，平均摩擦因数分别降低了12.55%，15.11%和30.25%。应用纳米金刚石添加剂降低润滑油的摩擦因数可以解释为在较低的压力下，球状纳米金刚石颗粒起到滚动轴承的作用，防止了摩擦副表面的直接接触，进而降低了摩擦因数。

试验后通过扫描电镜(SEM)方法观察表面磨痕，如图7所示。单纯使用基础润滑油，由于缺乏良好的润滑状态导致摩擦副表面直接接触，引起了摩擦副表面极大程度的破坏；而应用质量分数为0.1%的纳米金刚石润滑油后，减少了摩擦副表面的磨损。

1.4 导热系数试验

利用导热系数分析仪测定纳米金刚石润滑油的导热系数，其测量原理是基于瞬态热线法。为了较为真实地反映内燃机的运行工况，试验温度控制在90～120℃之间，每10min记录1个数据点，每个温度记录10个数据点，然后计算该温度下的平均导热系数。试验结果如图8所示。由图可见，随着纳米金刚石润滑油添加剂的使用，润滑油的导热系数有一定程度的增加，并且导热系数随纳米粒子浓度的增加而增大，质量分数为0.05%，0.08%和0.1%的纳米金刚石润滑油的平均导热系数比基础润滑油分别提高了0.44%,1.08%和1.49%。

1.5 发动机台架试验

为了考察纳米金刚石润滑油在发动机上的实际应用效果，将纳米金刚石润滑油应用于由道依茨一汽(大柴)柴油机有限公司提供的AVL柴油机台架试验系统(图9)，在发动机实际运行工况下研究纳米金刚石润滑油在减少发动机机械损失、强化传热和降低发动机燃油消耗率方面的效果。AVL台架试验系统的主要技术参数和试验条件如表1和表2所示。

表1 AVL台架试验系统的主要技术参数

表2 试验条件

1.5.1 倒拖试验

在发动机的整机损失中，活塞、缸套和活塞环的摩擦功耗占到45%～65%，其工作状况影响整个发动机的效率，配气机构消耗的摩擦功约占发动机总摩擦功的15%～20%。采用倒拖法通过AVL交流电力测功机测量发动机不同工况下的机械损失功率。试验过程中尽量保持水温和油温恒定，结果如图10所示。试验研究发现，当添加纳米金刚石颗粒的质量分数为0.05%，0.08%和0.10%时，相比于基础润滑油平均机械损失功率降低了0.5%，0.4%和1.5%；平均倒拖转矩则降低了0.8%，0.16%和0.27%。证明了纳米金刚石润滑油在降低发动机摩擦功，减少机械损失方面表现出了良好的减摩性能。

1.5.2 万有特性试验

为了全面评价发动机整体性能，进行了发动机的万有特性试验，并将所得试验数据经origin处理分析，所绘制出的万有特性曲线如图11所示。由图可见：基础润滑油的最佳经济区位于低转速低载荷工况，形状不规则，且面积小；而纳米金刚石润滑油的最佳经济区位于中央区域，形状规则，说明在变转速和变载荷工况下燃油消耗率变化都不大，因此可知纳米金刚石润滑油相比基础油有更好的燃油经济性；当纳米金刚石颗粒的质量分数为0.1%时，最佳经济区面积最大，说明在该浓度下纳米金刚石润滑油对发动机的经济性提升效果最明显。

1.5.3 活塞温度场试验

活塞-气缸套温度场试验是目前掌握发动机热负荷状态的最有效途径之一。本文中通过硬度塞方法对一个活塞的温度场进行了测定，测点布置如图12所示。试验结果如表3所示。由表可见，使用质量分数为0.1%的纳米金刚石润滑油后，活塞顶面中心、燃烧室边缘和活塞一环岸的温度分别降低了8、10和4℃。活塞温度场的降低不仅与纳米流体导热系数的增大有关，同时也是纳米金刚石润滑油降低摩擦损失、提高了燃油效率共同作用的结果。

表3 活塞温度场试验结果 ℃

2 结论

(1) 通过摩擦模拟试验机考察了纳米金刚石润滑油对抗磨减摩性能的影响，并应用于AVL发动机台架试验系统，考察其在发动机实际运行工况中对发动机整体性能的影响。采用了黏度计、导热仪、SEM和TEM方法来阐述纳米金刚石润滑油改善润滑、减小摩擦和强化传热的机制。

(2) 摩擦模拟试验结果表明，含有纳米金刚石添加剂的润滑油具有良好的抗磨减摩性能。在低速、低载荷的情况下，球状纳米金刚石颗粒由于其“微轴承”作用，防止摩擦副的直接接触从而改善了润滑；在高速、重载荷的情况下，纳米金刚石颗粒沉积在摩擦副表面，形成边界润滑薄膜，从而提高其承载能力。

(3) 柴油发动机台架试验结果表明，该纳米润滑油添加剂具有良好的实际使用性能，能够有效改善发动机的动力性能，降低机械损失功率，提高燃油经济性，降低活塞组热负荷。质量分数为0.1%的纳米金刚石润滑油对发动机经济性提升效果最好。

[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] 乔玉林,徐滨士,马世宁,等.含纳米铜的减摩修复添加剂摩擦学性能及其作用机理研究[J].石油炼制与化工,2002,33(8):34-38.

[5] 顾彩香,李庆柱,李磊,等.纳米粒子润滑油的抗磨减摩机理[J].机械工程材料,2007,31(10):1-3.

[6] 张翼东,闫加省,孙磊,等.纳米铜润滑油添加剂减摩抗磨及自修复性能[J].机械工程学报,2010,46(5):74-79.

[7] 王补宣.工程传热传质学[M].北京:科学出版社,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] 王东爱,刘美华,张书达,等.表面修饰的纳米金刚石微粒在润滑油中的抗磨减摩性[J].润滑与密封,2009(7):58-61.

[10] 李金凯,赵蔚琳,刘宗明,等.氧化硅纳米流体的导热性能研究[J].化工机械,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

*国家自然科学基金(51276031、51376002和51476019)资助。

原稿收到日期为2013年6月14日，修改稿收到日期为2013年8月14日。