納米TiN對潤滑油性能的影響及其在柴油發動機上的應用

阮亭綱　劉吉華　謝先東　劉啟躍

西南交通大學,成都,610031

納米TiN對潤滑油性能的影響及其在柴油發動機上的應用

阮亭綱劉吉華謝先東劉啟躍

西南交通大學,成都,610031

控制納米TiN添加量處于0.25%～1%范圍內，利用MRS-10A四球摩擦試驗機研究其對潤滑油性能的影響。利用磨斑測量系統、激光共聚焦掃描顯微鏡OLS 1100和EDX能譜儀測試分析含納米TiN潤滑油的摩擦磨損及修復性能。在柴油發動機試驗臺上考察含有0.5%納米TiN的潤滑油對發動機運轉性能的改善，在不同轉速條件下檢測潤滑油添加劑對發動機外特性的影響。試驗結果表明：含有0.5%納米TiN的潤滑油比基礎油的抗磨減摩及自修復性能更好。納米TiN潤滑油添加劑能顯著提高潤滑油質量，減小發動機摩擦功，降低機油溫度，改善發動機的運轉性能，提高發動機的功率和轉矩，降低耗油率，從而達到延長發動機的使用壽命和節約能源的目的。

納米材料;自修復;添加劑;發動機

0　引言

目前,越來越多研究人員對納米潤滑油添加劑展開了研究,美國國家航空航天局(NASA)于2002年開發了基于生物有機體損傷愈合原理的生物機敏材料[1],文獻[2]研究了具有自組裝、自修復特點的機械系統和利用環氧粒子進行自修復的智能材料系統。將納米材料適當地加入潤滑油中能夠顯著提高潤滑油的質量,從而實現機械零件的抗摩減摩和自修復。文獻[3-5]在四球摩擦試驗機上進行試驗,使用納米ZnO潤滑油添加劑，將硬脂酸改性納米Pb，然后加入液體石蠟中，納米Mg2B2O5潤滑油添加劑具有減摩抗磨和自修復性能。文獻[6-9]在發動機臺架試驗中，分別采用納米銅、納米銅和稀土化合物、納米銅納米流體作為潤滑油添加劑，都明顯改善了發動機的運轉性能。

納米TiN金屬是金屬陶瓷，能夠擴散到摩擦副表面，具有硬度高、導熱性好、傳熱快、耐高溫、表面光滑、耐酸堿腐蝕等性能[10-11]。鑒于不同種類和不同含量的潤滑油納米添加劑對于改善潤滑油質量、提高潤滑油抗磨減磨和自修復性能有很明顯的效果,本文采用納米TiN作為潤滑油添加劑，考察其對GCr15摩擦副摩擦學性能的影響,并將其應用于ET2000發動機。

1　試驗

試驗中使用的納米TiN顆粒取自北京德科島金科技有限公司(粒度為20 nm),分散劑的分子量為200,記為PEG-200;鋼球為上海鋼球廠生產的GCr15精密軸承鋼球,其直徑為12.7 mm，硬度為64～66 MPa?；A油是長城CF-415 W/40柴油機油。

將納米TiN和一定質量的分散劑加入基礎油(納米TiN與分散劑的比例為1∶2)，先用玻璃棒人工攪勻,然后在超聲波分散器中進行超聲分散,分散時間為30 min,制成潤滑油添加劑油樣。試驗所采用的參數是SH-T0762-2005標準所規定的標準工況:溫度θ為75 ℃,轉速Ω為600 r/min，載荷PB為392 N,運行時間t為60 min(四球法)。在MRS-110A四球摩擦磨損試驗機上改變添加劑含量和轉速條件進行磨損試驗。利用磨斑測量系統測量磨斑直徑，采用激光共聚焦掃描顯微鏡(OLYMPUS OLS 1100)觀察磨斑三維形貌,利用EDS分析磨斑的元素成分,從而得到最佳的納米TiN含量。然后,將最佳含量的潤滑添加劑油樣和基礎油在ET2000發動機測控系統上進行試驗，測試發動機的外特性，在不同轉速條件下，分別測出發動機的功率、轉矩、油耗率和機油溫度并分析其隨轉速的變化規律。根據試驗結果評估含有添加劑的油樣對發動機性能的影響規律。

2　試驗結果與分析

2.1納米TiN添加劑對摩擦學性能的影響

2.1.1不同納米TiN含量對潤滑油摩擦磨損性能的影響

納米添加劑的含量對潤滑油摩擦學性能影響很大:如果納米添加劑的含量過高容易發生團聚現象,不僅達不到預想的效果，而且很可能出現相反的情況。如果納米粒子團聚成大的顆粒在潤滑油中，就像油中有雜質一樣,反而會降低潤滑油的性能。如果納米添加劑的含量比較少，可能不足以提高潤滑油質量，抗磨減磨作用明顯不足。因此,潤滑油必須有合理的納米添加劑含量才能獲得最小的摩擦因數和磨斑直徑[12-13]。

不同含量(指質量分數,下同)納米TiN添加劑的CF-4-15W/40柴油機潤滑油的摩擦學性能見表1?？梢钥闯觯斴d荷為392 N、轉速為600 r/min、溫度為75 ℃、試驗時間為60 min時,在所試驗的含量范圍內,納米TiN添加劑能顯著改善基礎油的磨損性能,含0.25%納米TiN添加劑的潤滑油的摩擦因數和鋼球表面磨斑直徑比基礎油的摩擦因數和鋼球表面磨斑直徑明顯要小,這表明加入少量TiN納米粒子就可以顯著提高潤滑油的抗磨減摩能力。當納米TiN添加劑含量為0.5%時,摩擦因數和磨斑直徑達到最小值:摩擦因數為0.0667,相比無添加劑工況減小了19.8%;鋼球磨斑直徑為0.345 mm,減小了14.2%。但是當添加劑含量達到1.0%時,摩擦因數和磨斑直徑逐漸增大。這是因為納米顆粒添加劑在潤滑油中小顆粒發生團聚生成了較大的顆粒,阻礙了納米顆粒進入摩擦副表面，所以不易沉積在鋼球的摩擦表面,形成均勻的修復層。

表1　CF-4-15W/40柴油機油的摩擦學性能與納米TiN添加劑含量的關系(SH-T0762-2005潤滑油摩擦因數測定法)

圖1所示為鋼球磨損表面的OLS1100三維形貌。在基礎油潤滑條件下磨斑表面犁溝較深,磨損表面平均犁溝深度為1887 nm(圖1a),磨損表面有明顯的劃傷跡象。而在含有0.5%的納米TiN的潤滑油工況下,磨斑表面相對平滑,只有輕微的擦傷,磨損表面平均犁溝深度為957 nm(圖1b)。這表明采用納米TiN作為添加劑時，潤滑油具有良好的抗磨性能。

(a)基礎油

(b)含0.5%納米TiN的添加劑圖1　三維形貌圖

2.1.2不同轉速對潤滑油摩擦磨損性能的影響

在不同轉速下(若發生卡咬就停止試驗),含0.5%納米TiN添加劑的潤滑油和基礎油下的鋼球磨斑直徑和摩擦因數見表2(試驗條件:納米TiN質量分數為0.5%,t=60 min,PB=392 N,θ=75 ℃)?？梢钥闯?不論高轉速還是低轉速條件下含有納米TiN的潤滑油的磨斑直徑和摩擦因數都比在基礎油條件下有明顯的減小。另外,磨斑直徑同樣隨著轉速的增加而增大。由表2可知,從400 r/min到1000 r/min,摩擦因數隨著轉速的增加有明顯增大,但是從1200 r/min到1600 r/min時,摩擦因數變化不明顯。隨著轉速的提高,磨屑的運動速度加快,在潤滑油侵入接觸表面時,磨屑容易溢出接觸表面,導致接觸區域第三體減少,兩個接觸體直接接觸,磨屑對摩擦因數的影響降低,因而摩擦因數變化趨勢平緩,平均摩擦因數降低了12.1%,磨斑直徑減小了11.0%。當轉速增加至1600 r/min時,對于基礎油,機器發出尖銳的聲音,表明此時已出現潤滑失效；含0.5%納米TiN潤滑油能有效潤滑,機器并沒有發生卡咬。

表2　轉速對納米TiN潤滑油添加劑性能的影響

2.1.3含納米TiN潤滑油的自修復性能

圖2所示為含0.5%納米TiN潤滑油在SH-T0762-2005標準工況條件下,鋼球磨斑的EDS能譜分析結果。從圖2可明顯看出,在磨斑處能檢測到Ti元素,磨斑的Ti含量為1.12%,說明發生了材料轉移,即添加劑顆粒補償到了已磨損的部位,對磨斑起到了一定的修復作用。前后元素對比表明納米添加劑在摩擦過程中產生了自修復效應。

圖2　鋼球磨斑的EDS能譜分析

對于在摩擦副表面逐漸形成的修復層，分散劑對納米粒子懸浮和穩定在潤滑油中形成各種微修復的球形納米顆粒起到很大的作用。運動副之間的摩擦,使局部產生巨大應力,微凸體被打破時高達數GPa，對于摩擦過程中產生的細小磨屑,與添加劑結合在一起形成微球形納米顆粒，起到類似“球軸承”的作用,可提高潤滑性能。在重載或高溫的條件下,兩個摩擦表面的球形顆粒被壓平，形成一個滑動系，減少了摩擦和磨損。納米粉體可以填充在工作表面的微坑和損傷部位,起到修復作用。由于潤滑劑的流速快，納米粒子在接觸區滯留的時間短，外載荷來不及壓扁納米粒子，納米粒子就離開了接觸區,只在接觸區壓出一道窄而淺的溝紋，相當于滾珠在上面滾過，故減小了磨損[14-15]。由圖2可知,在鋼球磨斑處能檢測到Ti元素,但是磨斑表面沒有明顯的裂紋。因為在含納米TiN潤滑油中出現了裂解的鏈和磨屑,在適當的條件下,沉積的粒子開始發生結構的重組,并且最終在局部形成了修復層。隨著摩擦的繼續，新生表面不斷產生,油中粒子的不斷沉積和局部修復，修復膜逐漸擴大到整個摩擦表面。

試驗結果表明:含納米TiN潤滑油添加劑能顯著提高潤滑油質量,含0.5%納米TiN的潤滑油比基礎油抗磨減摩及自修復性能更好。

2.2納米TiN潤滑油添加劑對發動機性能的影響

納米金剛石、納米銅和稀土化合物作為潤滑油添加劑能夠提高潤滑油的質量,在發動機工作中減小摩擦功,提高功率和轉矩,降低油耗率，減小碳氧化合、氣氧化物的排放量,延長使用壽命[8,16]。

2.2.1納米TiN添加劑對發動機的外特性的影響

將含0.5%納米TiN的潤滑油添加劑與基礎油在某型號柴油發動機試驗臺架上進行試驗,考察發動機的外特性,測得發動機的功率、扭矩以及油耗率等重要指標,如圖3～圖5所示?？梢钥闯?含納米TiN添加劑潤滑油與基礎油相比,納米TiN添加劑明顯提高了潤滑油質量,使得發動機的功率和轉矩顯著提高(圖3、圖4),并伴隨燃油消耗量降低(圖5)。當轉速為1200 r/min時,添加劑潤滑油對發動機的功率和轉矩較基礎油分別提高了27.40%和27.32%,油耗率降低了21.24%(最大限度)。當轉速為2100 r/min時,含添加劑潤滑油的發動機的功率和轉矩較基礎油依次提高了12.33%和12.34%,油耗率降低了10.65%(最小限度)。在一定轉速范圍內,含添加劑潤滑油的平均功率和轉矩分別提高了18.21%和18.22%,平均耗油率降低了14.11%。

圖3　功率隨轉速變化的曲線

圖4　轉矩隨轉速變化的曲線

圖5　油耗率隨轉速變化的曲線

從圖5看出,轉速為1200～1800 r/min時,含納米TiN添加劑的潤滑油而言,降低幅度較大,平均油耗率下降了17.3%;轉速為2100～2500 r/min時,發動機的油耗率的降低達到最小限度,平均油耗率下降了10.8%;轉速為2700 r/min時,發動機的油耗率降低了14.3%。由此可知:在較低轉速情況下,往潤滑油中加入納米TiN添加劑可以顯著減低油耗。

通過試驗發現(圖6):在發動機工作時,使用納米TiN添加劑油樣的溫度比基礎油降低了,平均溫度要降低2.1～6.1 ℃。另外,從圖6可以看出,轉速為1200～1800 r/min時,納米TiN潤滑油添加劑的溫度相對于基礎油降低達到最大限度。轉速為2100～2500 r/min時,納米TiN潤滑油添加劑溫度降低達到最小限度。另外,通過試驗發現,潤滑油的溫度與發動機的功率、轉矩和油耗率有關。含納米TiN添加劑的潤滑油溫度越低時,越能顯著提高發動機的功率、轉矩,油耗率越低。在發動機的各種摩擦副表面，添加劑在潤滑油里逐漸形成修復層從而減小摩擦因數、降低摩擦功。因此,納米TiN添加劑使得潤滑油溫度降低,提高了發動機的功率和轉矩,顯著降低了油耗率。

圖6　不同轉速條件下潤滑油的溫度

試驗結果表明:無論高轉速還是低轉速時,含有0.5%納米TiN添加劑的潤滑油能提高發動機的功率和轉矩,降低油耗率，改善發動機的外特性。

2.2.2不同轉速下發動機運行較長時間的油耗率對比

試驗周期為30 min(和下文的90 min對應),含添加劑潤滑油跟基礎油對比,在不同轉速條件下,每隔2 min電腦記錄一次,然后計算平均油耗率，試驗工況及結果見表3。

表3　不同轉速下對發動機的平均油耗率

圖7　平均油耗率隨轉速變化曲線

由表3和圖7可以看出,納米TiN添加劑的加入對降低發動機的油耗率有顯著作用:當轉速為1200 r/min、轉矩為60 N·m時,使用納米TiN潤滑油添加劑后,發動機的油耗率降低8.74%;轉速為2500 r/min、轉矩為100 N·m時,發動機的油耗率降低5.86%。在不同轉速范圍內,納米TiN作為潤滑油添加劑.使發動機的平均油耗率降低了7.2%。

圖8所示為在轉速為1500 r/min、轉矩為80 N·m時，試驗周期90 min下油耗率隨時間的變化曲線。由圖8可知,使用納米TiN潤滑油添加劑,從開始到45 min發動機的平均油耗率比使用基礎油時的發動機油耗率低6.81%，從45～90 min發動機的平均油耗率比使用基礎油時的發動機油耗率低7.0%,而且試驗過程中油耗率隨著時間變化的穩定性提高。

圖8　油耗率隨時間變化曲線

對發動機降低油耗率來說:一方面,因為納米TiN添加劑在潤滑油里能夠減小摩擦因數,減小摩擦功,提高發動機的功率和轉矩,顯著降低了油耗率;另一方面,添加劑在潤滑油里逐漸形成修復層的活塞環密封面處,恰當比例的混合氣進入曲軸箱的量減少可以顯著提高汽缸壓力。汽缸壓力是影響油耗的主要因素，汽缸缸壓越大,混合氣的燃燒速度就越快，被冷卻水及廢氣帶走的損失就越少，發動機的動力性和經濟性就越好。

試驗結果表明:在不同轉速下,考察試驗周期分別為30 min和90 min時的平均油耗率,含0.5%納米TiN潤滑油添加劑提高了潤滑油質量,顯著降低了發動機的油耗率，改善了發動機性能,節約了能源。

3　結論

(1)當添加量處于0.25%～1%范圍內時,在相同工況條件下,含量為0.5%的納米TiN潤滑油添加劑對GCr15摩擦副具有最佳的抗磨減摩和自修復性能。

(2)在發動機上的試驗結果表明:與基礎油相比,含量為0.5%的納米TiN添加劑能顯著提高潤滑油質量,含納米TiN添加劑的潤滑油溫度顯著降低,減小了發動機的摩擦功,提高了平均功率和轉矩以及顯著降低了平均耗油率，從而達到延長維修周期、使用壽命和節約能源的目的。

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(編輯陳勇)

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

阮亭綱,男,1980年生。西南交通大學摩擦學研究所博士研究生。主要研究方向為納米添加劑的自修復性。劉吉華,男,1988年生。西南交通大學摩擦學研究所博士研究生。謝先東,男,1990年生。西南交通大學摩擦學研究所碩士研究生。劉啟躍,男,1964年生。西南交通大學摩擦學研究所教授、博士研究生導師。