内燃机活塞组-气缸套纳米润滑油传热、润滑摩擦的综合研究

摘要

内燃机是车辆的动力源之一，可将燃料燃烧所释放的热能转化成驱动车辆行驶的机械能，其工作可靠性在很大程度上决定着车辆能否安全运行。活塞组-气缸套作为内燃机的一个重要摩擦副，其热负荷和润滑摩擦状况的好坏直接影响着内燃机的可靠性和耐久性，对内燃机的动力性能、经济性和安全运行起着决定性的作用。活塞组-气缸套摩擦副的工作条件十分恶劣，经常处在高温、高压和高冲击负荷的工作环境。循环瞬变的高温高压燃气使活塞组-气缸套承受着大量的热负荷，如果内燃机受热零部件的温度过高，会使材料硬度和强度急剧下降，可能引发受热部件烧蚀、变形，润滑油膜被破坏甚至结焦，导致磨损加剧，最终失去工作能力。如何解决好这对摩擦副的传热和润滑摩擦问题一直是人们关注的热点之一。
　　大量实验证明，在传统换热介质中添加纳米粒子可以强化其传热效果，在传统润滑油中添加纳米粒子可以显著提高其润滑摩擦性能。本文针对纳米流体强化传热和改善润滑摩擦的双重效果，将纳米金刚石润滑油应用于内燃机，通过实验手段和数值模拟方法研究其实际应用价值，并探讨其强化传热、改善润滑摩擦的耦合作用机制。本文的主要研究内容如下:
　　(1)纳米金刚石润滑油应用于内燃机的基础实验研究。首先，通过二步法制备纳米金刚石润滑油;其次，进行纳米金刚石润滑油输运参数（黏度、导热系数和比热容）的实验研究，并与预测模型进行比较;然后，进行纳米金刚石润滑油的常规摩擦实验，研究其承载能力和抗磨、减摩性能;接着，模拟活塞组-气缸套在连续变化工况（变温度、变速度和变载荷）中的滑动摩擦，进行纳米金刚石润滑油的滑动摩擦模拟实验研究;最后，利用扫描电子显微镜观察摩擦副表面的形貌，并结合分子动力学模拟结果，探讨纳米金刚石润滑油改善润滑摩擦的物理机制。
　　(2)纳米金刚石润滑油的内燃机实机实验研究。将纳米金刚石润滑油应用于真实内燃机，通过AVL台架实机实验系统，进行发动机的倒拖实验、速度特性实验、负荷特性实验、万有特性实验和活塞组-气缸套温度场实验，考察纳米金刚石润滑油改善润滑摩擦、强化传热及提高燃油经济性的实机应用效果，为后文的数值模拟提供相关实验依据，并考证纳米金刚石润滑油的实际应用价值。
　　(3)引入纳米金刚石润滑油，建立活塞组-润滑油膜-气缸套传热、润滑摩擦的耦合数学物理模型。首先，考虑纳米金刚石润滑油对传热的影响，建立活塞组-润滑油膜-气缸套耦合传热数学物理模型，其中包括了动接触部件（活塞组-气缸套）传热模型、纳米金刚石润滑油物性参数预测模型、冷却油腔气-液两相流对流换热模型和摩擦热分配模型;然后，考虑纳米金刚石润滑油对润滑摩擦的影响，基于传统流体动压润滑理论，建立非稳态热混合润滑摩擦数学物理模型，其中包括了活塞环平衡方程、平均Reynolds方程、表面粗糙度、油膜厚度方程、油膜能量方程、黏温方程、微凸体接触模型和活塞环间气体压力模型。
　　(4)使用纳米金刚石润滑油，进行活塞组-润滑油膜-气缸套传热、润滑摩擦耦合数值计算。首先，进行耦合系统稳态温度场的验证，证实该传热、润滑摩擦耦合数学物理模型的合理性和可信性;其次，利用该数学物理模型进行循环瞬态传热、润滑摩擦耦合数值模拟，整体考察纳米金刚石润滑油对活塞组-润滑油膜-气缸套传热和润滑摩擦的耦合影响（温度场、最小油膜厚度、摩擦力、摩擦热、油膜温度、油膜黏度等）;然后，利用数值模拟结果分析应用纳米金刚石润滑油后，摩擦热单独作用于活塞组-气缸套对传热的影响;接着，分析活塞内冷却油腔应用纳米金刚石润滑油后，对活塞组-气缸套传热和润滑摩擦的影响，分别考察纳米金刚石润滑油强化活塞组-气缸套传热的效果，以及该强化传热效果对活塞组-气缸套润滑摩擦的影响;最后，根据耦合数值模拟结果，进行纳米金刚石润滑油强化传热、改善润滑摩擦的耦合机制分析。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 纳米流体改善润滑摩擦的研究进展

1．2．1 纳米流体改善润滑摩擦的实验研究

1．2．2 纳米流体改善润滑摩擦的机理研究

1．3 纳米流体强化传热的研究进展

1．3．1 纳米流体强化导热的研究

1．3．2 纳米流体强化对流换热的研究

1．4 纳米流体应用于内燃机的研究进展

1．4．1 纳米流体应用于内燃机的实验研究

1．4．2 纳米流体应用于内燃机的数值模拟研究

1．5 纳米流体应用于内燃机存在的不足和局限性

1．6 本文主要内容与研究思路

2 纳米金刚石润滑油的基础实验研究

2．1 纳米金刚石润滑油的制备和悬浮稳定性实验

2．1．1 纳米金刚石润滑油的制备

2．1．2 纳米金刚石润滑油的悬浮稳定性实验

2．1．3 纳米金刚石润滑油的透射电镜分析

2．2 纳米金刚石润滑油的输运参数研究

2．2．1 纳米金刚石润滑油的黏度实验

2．2．2 纳米金刚石润滑油的导热系数实验

2．2．3 纳米金刚石润滑油的比热容实验

2．3 纳米金刚石润滑油在摩擦机上的实验研究

2．3．1 纳米金刚石润滑油的极压性能实验

2．3．2 纳米金刚石润滑油的长摩性能实验

2．3．3 纳米金刚石润滑油的滑动摩擦性能实验

2．4 纳米金刚石润滑油改善润滑摩擦的机理分析

2．4．1 实验仪器和主要技术参数

2．4．2 扫描电镜实验结果及改善润滑摩擦机理分析

2．5 本章小结

3 纳米金刚石润滑油的内燃机实验研究

3．1 纳米金刚石润滑油的基础摩擦实验

3．1．1 纳米金刚石润滑油的极压性能实验

3．1．2 纳米金刚石润滑油的长摩性能实验

3．2 纳米金刚石润滑油的内燃机台架实验研究

3．2．1 纳米金刚石润滑油的内燃机倒拖实验

3．2．2 纳米金刚石润滑油的内燃机速度特性实验

3．2．3 纳米金刚石润滑油的内燃机负荷特性实验

3．2．4 纳米金刚石润滑油的内燃机万有特性实验

3．3 纳米金刚石润滑油活塞组-气缸套稳态温度场测量

3．4 本章小结

4 纳米金刚石润滑油活塞组-润滑油膜-气缸套传热、润滑摩擦耦合数值模拟

4．1 发动机实机模型

4．2 纳米金刚石润滑油活塞组-润滑油膜-气缸套传热、润滑摩擦耦合数学物理模型

4．2．1 活塞组-润滑油膜-气缸套耦合传热数学物理模型

4．2．2 活塞组-润滑油膜-气缸套非稳态热混合润滑摩擦数学物理模型

4．3 传热、润滑摩擦耦合数值计算流程

4．4 几何模型、网格划分及边界条件的确定

4．4．1 几何模型与网格划分

4．4．2 边界条件的确定

4．5 纳米金刚石润滑油耦合系统稳态温度场验证

4．6 纳米金刚石润滑油对活塞组-润滑油膜-气缸套传热、润滑摩擦耦合影响

4．6．1 纳米金刚石润滑油对活塞组-润滑油膜-气缸套传热的影响

4．6．2 纳米金刚石润滑油对活塞组-润滑油膜-气缸套润滑摩擦的影响

4．7 摩擦热对活塞组-气缸套传热的影响

4．8 冷却油腔应用纳米金刚石润滑油对活塞组-气缸套传热、润滑摩擦的影响

4．8．1 冷却油腔应用纳米金刚石润滑油对活塞组-气缸套强化传热的影响

4．8．2 强化传热效果对活塞组-气缸套润滑摩擦的影响

4．9 纳米金刚石润滑油强化传热、改善润滑摩擦的耦合机制分析

4．10 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点摘要

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介