纳米TiN对润滑油性能的影响及其在柴油发动机上的应用

阮亭纲　刘吉华　谢先东　刘启跃

西南交通大学,成都,610031

纳米TiN对润滑油性能的影响及其在柴油发动机上的应用

阮亭纲刘吉华谢先东刘启跃

西南交通大学,成都,610031

控制纳米TiN添加量处于0.25%～1%范围内，利用MRS-10A四球摩擦试验机研究其对润滑油性能的影响。利用磨斑测量系统、激光共聚焦扫描显微镜OLS 1100和EDX能谱仪测试分析含纳米TiN润滑油的摩擦磨损及修复性能。在柴油发动机试验台上考察含有0.5%纳米TiN的润滑油对发动机运转性能的改善，在不同转速条件下检测润滑油添加剂对发动机外特性的影响。试验结果表明：含有0.5%纳米TiN的润滑油比基础油的抗磨减摩及自修复性能更好。纳米TiN润滑油添加剂能显著提高润滑油质量，减小发动机摩擦功，降低机油温度，改善发动机的运转性能，提高发动机的功率和转矩，降低耗油率，从而达到延长发动机的使用寿命和节约能源的目的。

纳米材料;自修复;添加剂;发动机

0　引言

目前,越来越多研究人员对纳米润滑油添加剂展开了研究,美国国家航空航天局(NASA)于2002年开发了基于生物有机体损伤愈合原理的生物机敏材料[1],文献[2]研究了具有自组装、自修复特点的机械系统和利用环氧粒子进行自修复的智能材料系统。将纳米材料适当地加入润滑油中能够显著提高润滑油的质量,从而实现机械零件的抗摩减摩和自修复。文献[3-5]在四球摩擦试验机上进行试验,使用纳米ZnO润滑油添加剂，将硬脂酸改性纳米Pb，然后加入液体石蜡中，纳米Mg2B2O5润滑油添加剂具有减摩抗磨和自修复性能。文献[6-9]在发动机台架试验中，分别采用纳米铜、纳米铜和稀土化合物、纳米铜纳米流体作为润滑油添加剂，都明显改善了发动机的运转性能。

纳米TiN金属是金属陶瓷，能够扩散到摩擦副表面，具有硬度高、导热性好、传热快、耐高温、表面光滑、耐酸碱腐蚀等性能[10-11]。鉴于不同种类和不同含量的润滑油纳米添加剂对于改善润滑油质量、提高润滑油抗磨减磨和自修复性能有很明显的效果,本文采用纳米TiN作为润滑油添加剂，考察其对GCr15摩擦副摩擦学性能的影响,并将其应用于ET2000发动机。

1　试验

试验中使用的纳米TiN颗粒取自北京德科岛金科技有限公司(粒度为20 nm),分散剂的分子量为200,记为PEG-200;钢球为上海钢球厂生产的GCr15精密轴承钢球,其直径为12.7 mm，硬度为64～66 MPa。基础油是长城CF-415 W/40柴油机油。

将纳米TiN和一定质量的分散剂加入基础油(纳米TiN与分散剂的比例为1∶2)，先用玻璃棒人工搅匀,然后在超声波分散器中进行超声分散,分散时间为30 min,制成润滑油添加剂油样。试验所采用的参数是SH-T0762-2005标准所规定的标准工况:温度θ为75 ℃,转速Ω为600 r/min，载荷PB为392 N,运行时间t为60 min(四球法)。在MRS-110A四球摩擦磨损试验机上改变添加剂含量和转速条件进行磨损试验。利用磨斑测量系统测量磨斑直径，采用激光共聚焦扫描显微镜(OLYMPUS OLS 1100)观察磨斑三维形貌,利用EDS分析磨斑的元素成分,从而得到最佳的纳米TiN含量。然后,将最佳含量的润滑添加剂油样和基础油在ET2000发动机测控系统上进行试验，测试发动机的外特性，在不同转速条件下，分别测出发动机的功率、转矩、油耗率和机油温度并分析其随转速的变化规律。根据试验结果评估含有添加剂的油样对发动机性能的影响规律。

2　试验结果与分析

2.1纳米TiN添加剂对摩擦学性能的影响

2.1.1不同纳米TiN含量对润滑油摩擦磨损性能的影响

纳米添加剂的含量对润滑油摩擦学性能影响很大:如果纳米添加剂的含量过高容易发生团聚现象,不仅达不到预想的效果，而且很可能出现相反的情况。如果纳米粒子团聚成大的颗粒在润滑油中，就像油中有杂质一样,反而会降低润滑油的性能。如果纳米添加剂的含量比较少，可能不足以提高润滑油质量，抗磨减磨作用明显不足。因此,润滑油必须有合理的纳米添加剂含量才能获得最小的摩擦因数和磨斑直径[12-13]。

不同含量(指质量分数,下同)纳米TiN添加剂的CF-4-15W/40柴油机润滑油的摩擦学性能见表1。可以看出，当载荷为392 N、转速为600 r/min、温度为75 ℃、试验时间为60 min时,在所试验的含量范围内,纳米TiN添加剂能显著改善基础油的磨损性能,含0.25%纳米TiN添加剂的润滑油的摩擦因数和钢球表面磨斑直径比基础油的摩擦因数和钢球表面磨斑直径明显要小,这表明加入少量TiN纳米粒子就可以显著提高润滑油的抗磨减摩能力。当纳米TiN添加剂含量为0.5%时,摩擦因数和磨斑直径达到最小值:摩擦因数为0.0667,相比无添加剂工况减小了19.8%;钢球磨斑直径为0.345 mm,减小了14.2%。但是当添加剂含量达到1.0%时,摩擦因数和磨斑直径逐渐增大。这是因为纳米颗粒添加剂在润滑油中小颗粒发生团聚生成了较大的颗粒,阻碍了纳米颗粒进入摩擦副表面，所以不易沉积在钢球的摩擦表面,形成均匀的修复层。

表1　CF-4-15W/40柴油机油的摩擦学性能与纳米TiN添加剂含量的关系(SH-T0762-2005润滑油摩擦因数测定法)

图1所示为钢球磨损表面的OLS1100三维形貌。在基础油润滑条件下磨斑表面犁沟较深,磨损表面平均犁沟深度为1887 nm(图1a),磨损表面有明显的划伤迹象。而在含有0.5%的纳米TiN的润滑油工况下,磨斑表面相对平滑,只有轻微的擦伤,磨损表面平均犁沟深度为957 nm(图1b)。这表明采用纳米TiN作为添加剂时，润滑油具有良好的抗磨性能。

(a)基础油

(b)含0.5%纳米TiN的添加剂图1　三维形貌图

2.1.2不同转速对润滑油摩擦磨损性能的影响

在不同转速下(若发生卡咬就停止试验),含0.5%纳米TiN添加剂的润滑油和基础油下的钢球磨斑直径和摩擦因数见表2(试验条件:纳米TiN质量分数为0.5%,t=60 min,PB=392 N,θ=75 ℃)。可以看出,不论高转速还是低转速条件下含有纳米TiN的润滑油的磨斑直径和摩擦因数都比在基础油条件下有明显的减小。另外,磨斑直径同样随着转速的增加而增大。由表2可知,从400 r/min到1000 r/min,摩擦因数随着转速的增加有明显增大,但是从1200 r/min到1600 r/min时,摩擦因数变化不明显。随着转速的提高,磨屑的运动速度加快,在润滑油侵入接触表面时,磨屑容易溢出接触表面,导致接触区域第三体减少,两个接触体直接接触,磨屑对摩擦因数的影响降低,因而摩擦因数变化趋势平缓,平均摩擦因数降低了12.1%,磨斑直径减小了11.0%。当转速增加至1600 r/min时,对于基础油,机器发出尖锐的声音,表明此时已出现润滑失效；含0.5%纳米TiN润滑油能有效润滑,机器并没有发生卡咬。

表2　转速对纳米TiN润滑油添加剂性能的影响

2.1.3含纳米TiN润滑油的自修复性能

图2所示为含0.5%纳米TiN润滑油在SH-T0762-2005标准工况条件下,钢球磨斑的EDS能谱分析结果。从图2可明显看出,在磨斑处能检测到Ti元素,磨斑的Ti含量为1.12%,说明发生了材料转移,即添加剂颗粒补偿到了已磨损的部位,对磨斑起到了一定的修复作用。前后元素对比表明纳米添加剂在摩擦过程中产生了自修复效应。

图2　钢球磨斑的EDS能谱分析

对于在摩擦副表面逐渐形成的修复层，分散剂对纳米粒子悬浮和稳定在润滑油中形成各种微修复的球形纳米颗粒起到很大的作用。运动副之间的摩擦,使局部产生巨大应力,微凸体被打破时高达数GPa，对于摩擦过程中产生的细小磨屑,与添加剂结合在一起形成微球形纳米颗粒，起到类似“球轴承”的作用,可提高润滑性能。在重载或高温的条件下,两个摩擦表面的球形颗粒被压平，形成一个滑动系，减少了摩擦和磨损。纳米粉体可以填充在工作表面的微坑和损伤部位,起到修复作用。由于润滑剂的流速快，纳米粒子在接触区滞留的时间短，外载荷来不及压扁纳米粒子，纳米粒子就离开了接触区,只在接触区压出一道窄而浅的沟纹，相当于滚珠在上面滚过，故减小了磨损[14-15]。由图2可知,在钢球磨斑处能检测到Ti元素,但是磨斑表面没有明显的裂纹。因为在含纳米TiN润滑油中出现了裂解的链和磨屑,在适当的条件下,沉积的粒子开始发生结构的重组,并且最终在局部形成了修复层。随着摩擦的继续，新生表面不断产生,油中粒子的不断沉积和局部修复，修复膜逐渐扩大到整个摩擦表面。

试验结果表明:含纳米TiN润滑油添加剂能显著提高润滑油质量,含0.5%纳米TiN的润滑油比基础油抗磨减摩及自修复性能更好。

2.2纳米TiN润滑油添加剂对发动机性能的影响

纳米金刚石、纳米铜和稀土化合物作为润滑油添加剂能够提高润滑油的质量,在发动机工作中减小摩擦功,提高功率和转矩,降低油耗率，减小碳氧化合、氣氧化物的排放量,延长使用寿命[8,16]。

2.2.1纳米TiN添加剂对发动机的外特性的影响

将含0.5%纳米TiN的润滑油添加剂与基础油在某型号柴油发动机试验台架上进行试验,考察发动机的外特性,测得发动机的功率、扭矩以及油耗率等重要指标,如图3～图5所示。可以看出,含纳米TiN添加剂润滑油与基础油相比,纳米TiN添加剂明显提高了润滑油质量,使得发动机的功率和转矩显著提高(图3、图4),并伴随燃油消耗量降低(图5)。当转速为1200 r/min时,添加剂润滑油对发动机的功率和转矩较基础油分别提高了27.40%和27.32%,油耗率降低了21.24%(最大限度)。当转速为2100 r/min时,含添加剂润滑油的发动机的功率和转矩较基础油依次提高了12.33%和12.34%,油耗率降低了10.65%(最小限度)。在一定转速范围内,含添加剂润滑油的平均功率和转矩分别提高了18.21%和18.22%,平均耗油率降低了14.11%。

图3　功率随转速变化的曲线

图4　转矩随转速变化的曲线

图5　油耗率随转速变化的曲线

从图5看出,转速为1200～1800 r/min时,含纳米TiN添加剂的润滑油而言,降低幅度较大,平均油耗率下降了17.3%;转速为2100～2500 r/min时,发动机的油耗率的降低达到最小限度,平均油耗率下降了10.8%;转速为2700 r/min时,发动机的油耗率降低了14.3%。由此可知:在较低转速情况下,往润滑油中加入纳米TiN添加剂可以显著减低油耗。

通过试验发现(图6):在发动机工作时,使用纳米TiN添加剂油样的温度比基础油降低了,平均温度要降低2.1～6.1 ℃。另外,从图6可以看出,转速为1200～1800 r/min时,纳米TiN润滑油添加剂的温度相对于基础油降低达到最大限度。转速为2100～2500 r/min时,纳米TiN润滑油添加剂温度降低达到最小限度。另外,通过试验发现,润滑油的温度与发动机的功率、转矩和油耗率有关。含纳米TiN添加剂的润滑油温度越低时,越能显著提高发动机的功率、转矩,油耗率越低。在发动机的各种摩擦副表面，添加剂在润滑油里逐渐形成修复层从而减小摩擦因数、降低摩擦功。因此,纳米TiN添加剂使得润滑油温度降低,提高了发动机的功率和转矩,显著降低了油耗率。

图6　不同转速条件下润滑油的温度

试验结果表明:无论高转速还是低转速时,含有0.5%纳米TiN添加剂的润滑油能提高发动机的功率和转矩,降低油耗率，改善发动机的外特性。

2.2.2不同转速下发动机运行较长时间的油耗率对比

试验周期为30 min(和下文的90 min对应),含添加剂润滑油跟基础油对比,在不同转速条件下,每隔2 min电脑记录一次,然后计算平均油耗率，试验工况及结果见表3。

表3　不同转速下对发动机的平均油耗率

图7　平均油耗率随转速变化曲线

由表3和图7可以看出,纳米TiN添加剂的加入对降低发动机的油耗率有显著作用:当转速为1200 r/min、转矩为60 N·m时,使用纳米TiN润滑油添加剂后,发动机的油耗率降低8.74%;转速为2500 r/min、转矩为100 N·m时,发动机的油耗率降低5.86%。在不同转速范围内,纳米TiN作为润滑油添加剂.使发动机的平均油耗率降低了7.2%。

图8所示为在转速为1500 r/min、转矩为80 N·m时，试验周期90 min下油耗率随时间的变化曲线。由图8可知,使用纳米TiN润滑油添加剂,从开始到45 min发动机的平均油耗率比使用基础油时的发动机油耗率低6.81%，从45～90 min发动机的平均油耗率比使用基础油时的发动机油耗率低7.0%,而且试验过程中油耗率随着时间变化的稳定性提高。

图8　油耗率随时间变化曲线

对发动机降低油耗率来说:一方面,因为纳米TiN添加剂在润滑油里能够减小摩擦因数,减小摩擦功,提高发动机的功率和转矩,显著降低了油耗率;另一方面,添加剂在润滑油里逐渐形成修复层的活塞环密封面处,恰当比例的混合气进入曲轴箱的量减少可以显著提高汽缸压力。汽缸压力是影响油耗的主要因素，汽缸缸压越大,混合气的燃烧速度就越快，被冷却水及废气带走的损失就越少，发动机的动力性和经济性就越好。

试验结果表明:在不同转速下,考察试验周期分别为30 min和90 min时的平均油耗率,含0.5%纳米TiN润滑油添加剂提高了润滑油质量,显著降低了发动机的油耗率，改善了发动机性能,节约了能源。

3　结论

(1)当添加量处于0.25%～1%范围内时,在相同工况条件下,含量为0.5%的纳米TiN润滑油添加剂对GCr15摩擦副具有最佳的抗磨减摩和自修复性能。

(2)在发动机上的试验结果表明:与基础油相比,含量为0.5%的纳米TiN添加剂能显著提高润滑油质量,含纳米TiN添加剂的润滑油温度显著降低,减小了发动机的摩擦功,提高了平均功率和转矩以及显著降低了平均耗油率，从而达到延长维修周期、使用寿命和节约能源的目的。

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(编辑陈勇)

Influence of Nano TiN on Lubricating Oil’s Performance and Its Application to Diesel Engine

Nguyen Dinhcuong Liu JihuaXie XiandongLiu Qiyue

Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031

Research on effect of TiN nano additive on lubricity using MRS-10 A Computer Controlled Hydraulic Four-ball Friction Tester MRS-10A in condition the content of the nano additive in the range from 0.25%～1%.In addition,take advantage of Grinding Spot Measurement System,Laser Scanning Confocal Microscope OLS1100 and EDS Measurement Instruments to analyze its frictional wear behavior and self-repair characteristic.Surveys 0.5% TiN performance improving lubricant on experimental Diesel engine with diferent speed,measuring the impact of additive lubricant in the engine characteristic outer curve.Experimental results show that:0.5% of TiN nano additive in lubricant have improved the lubricant quality significantly:anti-corrosion,self-repair,reduce heat by decreasing friction work,reducing lubricant temperature,improved operating characteristics,power and torque of the engine,reducing specific fuel costs,there by achieving the longevity of the engine and more energy-saving compared to the normal lubricant.

nano materials；self-repairing；additive；engine

2015-01-20

TH117.3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.009

阮亭纲,男,1980年生。西南交通大学摩擦学研究所博士研究生。主要研究方向为纳米添加剂的自修复性。刘吉华,男,1988年生。西南交通大学摩擦学研究所博士研究生。谢先东,男,1990年生。西南交通大学摩擦学研究所硕士研究生。刘启跃,男,1964年生。西南交通大学摩擦学研究所教授、博士研究生导师。