內燃機活塞組-氣缸套納米潤滑油傳熱、潤滑摩擦的綜合研究.pdf

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

2、部件的溫度過高，會使材料硬度和強度急劇下降，可能引發(fā)受熱部件燒蝕、變形，潤滑油膜被破壞甚至結焦，導致磨損加劇，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注的熱點之一。
　　大量實驗證明，在傳統(tǒng)換熱介質中添加納米粒子可以強化其傳熱效果，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用于內燃機，通過實驗手段和數(shù)值模擬方法研究其實際

3、應用價值，并探討其強化傳熱、改善潤滑摩擦的耦合作用機制。本文的主要研究內容如下:
　　(1)納米金剛石潤滑油應用于內燃機的基礎實驗研究。首先，通過二步法制備納米金剛石潤滑油;其次，進行納米金剛石潤滑油輸運參數(shù)（黏度、導熱系數(shù)和比熱容）的實驗研究，并與預測模型進行比較;然后，進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，并結合分子動力學模擬結果，探討納米金剛石潤滑油改善潤滑摩擦的物理機制。
　　(2)納米金剛石潤滑油的內燃機實機實驗研究。將納米金剛石潤滑油應用于真實內燃機，通過AVL臺架實機實驗系統(tǒng)，進行發(fā)動機的倒拖實驗、速度特性實驗、負荷特性實驗、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、強化傳熱及提高燃油經濟性的實機應用效果，為后文的數(shù)

5、值模擬提供相關實驗依據(jù)，并考證納米金剛石潤滑油的實際應用價值。
　　(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)學物理模型的合理性和可信性;其次，利用該數(shù)學物理模型進行循環(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)值模擬結果分析應用納米金剛石潤滑油后，摩擦熱單獨作用于活塞組-氣缸套對傳熱的影響;接著，分析活塞內冷卻油腔應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化活塞組-氣缸套傳熱的效果，以及該強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