商用柴油車運(yùn)行時(shí)納米冷卻液的節(jié)油散熱效果與作用機(jī)制

羅逸，辛莎，童超，何延，徐長(zhǎng)明

(1.華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,湖北武漢 430074；2.武漢優(yōu)能納米流體技術(shù)有限公司,湖北武漢 430014)

0 引言

提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的方法通常為：一是改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，如渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；二是完善發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(Electronic Control Unit，ECU)及相關(guān)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過程的精準(zhǔn)控制。實(shí)際上，通過精心設(shè)計(jì)的納米冷卻液也可以達(dá)到相同的省油目的，并可促進(jìn)動(dòng)力冷卻系統(tǒng)的散熱過程。此外，換裝冷卻液的方法更便捷，成本也低，很容易在車輛的售后維護(hù)市場(chǎng)被用戶接受。

此前，各國(guó)有關(guān)納米冷卻液的研究主要集中于如何提高換熱效率[1-3]，與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)車運(yùn)行的報(bào)道很少，并且以實(shí)驗(yàn)室研究為主[4-6]。羅逸等人[7]研究了納米冷卻液在乘用小車上的臺(tái)架試驗(yàn)及實(shí)車運(yùn)行效果，首次證實(shí)具備高度熱穩(wěn)定性的納米流體可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻及節(jié)能減排問題。

本文作者對(duì)國(guó)內(nèi)首批33臺(tái)車的產(chǎn)品售后用戶組織了一次回訪調(diào)查，以評(píng)估該冷卻液在大型柴油機(jī)車上的商務(wù)運(yùn)行效果以及普及化應(yīng)用的可行性。

1 產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)

表1所示為納米冷卻液換裝產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)。

注：產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，除外觀及穩(wěn)定性為納米流體的屬性外，其他指標(biāo)均參照國(guó)家汽車防凍液標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)源自換裝產(chǎn)品后的柴油機(jī)車用戶，數(shù)量為33臺(tái)，時(shí)間為夏季，施工地點(diǎn)或運(yùn)營(yíng)線路涉及我國(guó)華中、華南、華東、華北及西北地區(qū)。在信息的采集及機(jī)車種類的選擇上力求具有代表性、客觀性、廣泛性及隨機(jī)性，數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見表2—表4。

表2 工程機(jī)械換裝納米冷卻液產(chǎn)品后結(jié)果(15臺(tái))

表3 貨運(yùn)卡車換裝納米冷卻液產(chǎn)品后結(jié)果(6臺(tái))

表4 客車換裝納米冷卻液產(chǎn)品后對(duì)比結(jié)果(12臺(tái))

3 效果分析

納米冷卻液對(duì)運(yùn)營(yíng)中的柴油機(jī)車均具有節(jié)油及降溫效果，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

工程機(jī)械：節(jié)油率5.71%～20%，均值12.86%；水溫下降4～13 ℃，均值8.5 ℃。

卡車：節(jié)油率10.8～16.7%，均值13.1%；發(fā)動(dòng)機(jī)不再高溫報(bào)警。

客車：節(jié)油率2.38%～4.51%，均值3.45%。

對(duì)比分析結(jié)果可以看出，對(duì)于大馬力(發(fā)熱量大)并經(jīng)常處于超載運(yùn)行狀態(tài)的貨運(yùn)重卡及無法借助行駛自然風(fēng)幫助散熱的施工機(jī)械，其換裝納米冷卻液后的節(jié)油效果比客車大概要高3～4倍。

目前還沒有冬季實(shí)車運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)其數(shù)值會(huì)有波動(dòng)。

4 節(jié)能散熱的作用機(jī)制

節(jié)能散熱的作用機(jī)制主要為：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，夾套內(nèi)的冷卻液溫度隨之增加，達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)液溫不再升高，氣缸內(nèi)燃燒反應(yīng)達(dá)到平衡，此后產(chǎn)生的富余能量不再做有用功并被轉(zhuǎn)化為汽化熱(廢熱)，造成燃油的浪費(fèi)。例如，優(yōu)能120的沸點(diǎn)比普通防凍液高約15 ℃，相對(duì)而言，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，其缸體溫度存在15 ℃的能效提升空間，即高沸點(diǎn)納米冷卻液可使燃料的利用率增加，動(dòng)力增強(qiáng)，缸體內(nèi)機(jī)油溫度的提高也減小了活塞的運(yùn)行磨阻，能耗降低。此外，高溫充分燃燒也相應(yīng)地降低了尾氣污染物的排放量。

(2)固體材料的熱傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)大于液體。若將納米粒徑的高導(dǎo)熱粒子添加到某種液體中，則該流體的動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)性能增加，并且流速越大或擾動(dòng)越劇烈流體中粒子經(jīng)由彼此碰撞過程傳遞的熱量就越多。

納米粒子參與冷卻過程對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的影響表現(xiàn)為：

(1)防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。無論是常用的水+乙二醇型防凍液還是導(dǎo)熱系數(shù)更低的有機(jī)無水冷卻液，其換熱能力及速度均不能滿足高溫柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要求，即無法將燃燒后的廢熱迅速帶出并通過散熱器(水箱)快速擴(kuò)散到環(huán)境中，形成熱量積累直至“燒缸”“燒機(jī)油”或“開鍋”等極端情況發(fā)生。

(2)降低循環(huán)冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力負(fù)荷。納米流體可在相同時(shí)間內(nèi)傳遞更多的熱量，促使水箱的冷卻效率提高，主要表現(xiàn)為循環(huán)泵及風(fēng)扇的啟閉頻率降低，運(yùn)行功率減小，時(shí)間縮短，空調(diào)制冷效果更好等，顯示出既降溫亦節(jié)能的規(guī)律。

它們是上述單一影響因子或二者作用疊加的結(jié)果。

5 結(jié)論

納米冷卻液可同時(shí)降低運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗和溫度是由于：(1)冷卻流體的高沸點(diǎn)為提高氣缸的工作溫度和燃燒效率提供了條件；(2)高導(dǎo)熱納米粒子參與了冷卻系統(tǒng)的強(qiáng)化散熱過程，降低了動(dòng)力消耗，呈現(xiàn)即降溫亦節(jié)能的規(guī)律。33臺(tái)商用柴油機(jī)車的實(shí)車運(yùn)行結(jié)果表明，納米冷卻液可解決發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫過熱問題，其平均節(jié)油率：工程機(jī)械12.86%，卡車13.1%，客車3.45%；水箱溫度下降值：工程機(jī)械4～13 ℃，均值8.5 ℃。換裝后機(jī)車的動(dòng)力增加，熱車時(shí)間縮短，空調(diào)制冷效率提高。與對(duì)散熱要求相對(duì)較低的客車相比，一些配備有大功率柴油機(jī)(發(fā)熱量大)的重型卡車或無法借助行駛自然風(fēng)幫助散熱的工程機(jī)械對(duì)納米冷卻液應(yīng)具有更大的市場(chǎng)需求。