內(nèi)燃機(jī)活塞組-氣缸套納米潤滑油傳熱、潤滑摩擦的綜合研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)是車輛的動力源之一，可將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)化成驅(qū)動車輛行駛的機(jī)械能，其工作可靠性在很大程度上決定著車輛能否安全運(yùn)行?；钊M-氣缸套作為內(nèi)燃機(jī)的一個重要摩擦副，其熱負(fù)荷和潤滑摩擦狀況的好壞直接影響著內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性，對內(nèi)燃機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行起著決定性的作用?；钊M-氣缸套摩擦副的工作條件十分惡劣，經(jīng)常處在高溫、高壓和高沖擊負(fù)荷的工作環(huán)境。循環(huán)瞬變的高溫高壓燃?xì)馐够钊M-氣缸套承受著大量的熱負(fù)荷，如果內(nèi)燃機(jī)受熱零

2、部件的溫度過高，會使材料硬度和強(qiáng)度急劇下降，可能引發(fā)受熱部件燒蝕、變形，潤滑油膜被破壞甚至結(jié)焦，導(dǎo)致磨損加劇，最終失去工作能力。如何解決好這對摩擦副的傳熱和潤滑摩擦問題一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
　　大量實驗證明，在傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中添加納米粒子可以強(qiáng)化其傳熱效果，在傳統(tǒng)潤滑油中添加納米粒子可以顯著提高其潤滑摩擦性能。本文針對納米流體強(qiáng)化傳熱和改善潤滑摩擦的雙重效果，將納米金剛石潤滑油應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)，通過實驗手段和數(shù)值模擬方法研究其實際

3、應(yīng)用價值，并探討其強(qiáng)化傳熱、改善潤滑摩擦的耦合作用機(jī)制。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)納米金剛石潤滑油應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)實驗研究。首先，通過二步法制備納米金剛石潤滑油;其次，進(jìn)行納米金剛石潤滑油輸運(yùn)參數(shù)（黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容）的實驗研究，并與預(yù)測模型進(jìn)行比較;然后，進(jìn)行納米金剛石潤滑油的常規(guī)摩擦實驗，研究其承載能力和抗磨、減摩性能;接著，模擬活塞組-氣缸套在連續(xù)變化工況（變溫度、變速度和變載荷）中的滑動摩擦，進(jìn)行納米金剛石

4、潤滑油的滑動摩擦模擬實驗研究;最后，利用掃描電子顯微鏡觀察摩擦副表面的形貌，并結(jié)合分子動力學(xué)模擬結(jié)果，探討納米金剛石潤滑油改善潤滑摩擦的物理機(jī)制。
　　(2)納米金剛石潤滑油的內(nèi)燃機(jī)實機(jī)實驗研究。將納米金剛石潤滑油應(yīng)用于真實內(nèi)燃機(jī)，通過AVL臺架實機(jī)實驗系統(tǒng)，進(jìn)行發(fā)動機(jī)的倒拖實驗、速度特性實驗、負(fù)荷特性實驗、萬有特性實驗和活塞組-氣缸套溫度場實驗，考察納米金剛石潤滑油改善潤滑摩擦、強(qiáng)化傳熱及提高燃油經(jīng)濟(jì)性的實機(jī)應(yīng)用效果，為后文的數(shù)

5、值模擬提供相關(guān)實驗依據(jù)，并考證納米金剛石潤滑油的實際應(yīng)用價值。
　　(3)引入納米金剛石潤滑油，建立活塞組-潤滑油膜-氣缸套傳熱、潤滑摩擦的耦合數(shù)學(xué)物理模型。首先，考慮納米金剛石潤滑油對傳熱的影響，建立活塞組-潤滑油膜-氣缸套耦合傳熱數(shù)學(xué)物理模型，其中包括了動接觸部件（活塞組-氣缸套）傳熱模型、納米金剛石潤滑油物性參數(shù)預(yù)測模型、冷卻油腔氣-液兩相流對流換熱模型和摩擦熱分配模型;然后，考慮納米金剛石潤滑油對潤滑摩擦的影響，基于傳統(tǒng)流

6、體動壓潤滑理論，建立非穩(wěn)態(tài)熱混合潤滑摩擦數(shù)學(xué)物理模型，其中包括了活塞環(huán)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、黏溫方程、微凸體接觸模型和活塞環(huán)間氣體壓力模型。
　　(4)使用納米金剛石潤滑油，進(jìn)行活塞組-潤滑油膜-氣缸套傳熱、潤滑摩擦耦合數(shù)值計算。首先，進(jìn)行耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場的驗證，證實該傳熱、潤滑摩擦耦合數(shù)學(xué)物理模型的合理性和可信性;其次，利用該數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行循環(huán)瞬態(tài)傳熱、潤滑摩擦耦合數(shù)值模

7、擬，整體考察納米金剛石潤滑油對活塞組-潤滑油膜-氣缸套傳熱和潤滑摩擦的耦合影響（溫度場、最小油膜厚度、摩擦力、摩擦熱、油膜溫度、油膜黏度等）;然后，利用數(shù)值模擬結(jié)果分析應(yīng)用納米金剛石潤滑油后，摩擦熱單獨(dú)作用于活塞組-氣缸套對傳熱的影響;接著，分析活塞內(nèi)冷卻油腔應(yīng)用納米金剛石潤滑油后，對活塞組-氣缸套傳熱和潤滑摩擦的影響，分別考察納米金剛石潤滑油強(qiáng)化活塞組-氣缸套傳熱的效果，以及該強(qiáng)化傳熱效果對活塞組-氣缸套潤滑摩擦的影響;最后，根據(jù)耦合