抗高溫納米冷卻液及對汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行的影響

羅逸，何延，盧瑞瑞，辛莎

(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)

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抗高溫納米冷卻液及對汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)行的影響

羅逸1，何延2，盧瑞瑞2，辛莎2

(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)

開發(fā)了一種能夠在溫度不低于202 ℃條件下不發(fā)生團(tuán)聚，并能保持良好抗腐蝕以及動態(tài)換熱能力的發(fā)動機(jī)納米冷卻液。發(fā)動機(jī)臺架試驗及尾氣污染物檢測結(jié)果表明:這種冷卻液可以提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率，降低尾氣中CO及HC的含量。行車試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果證實:當(dāng)車速為100～110 km/h時，乘用車的節(jié)油率約為9%，數(shù)據(jù)分布區(qū)間為5%～15%。

納米冷卻液；高溫；發(fā)動機(jī)；節(jié)油率；尾氣

0 引言

1995年，美國Argonne國家實驗室的CHOI等根據(jù)納米粒子與液體的組合物具備高熱導(dǎo)率，首先提出了納米流體的概念[1]。2002年，由美國政府和重型卡車聯(lián)合會資助的《Technology Roadmap for the 21st Century Truck Program, A Government Industry Research Partnership》報告明確將納米流體發(fā)動機(jī)冷卻液的研究列為重點支持的研究方向[2]。

隨后美國通用(GM)和福特(Ford)等汽車公司在納米流體的應(yīng)用項目上作了大量的研究[3]，認(rèn)為將它作為冷卻液應(yīng)用的優(yōu)勢在于:

(1)通過強(qiáng)化傳熱可提高發(fā)動機(jī)冷卻液的傳熱性能;

(2)增加燃料的效率，減小散熱器的體積和面積，從而減小風(fēng)阻;

(3)減少冷卻液的用量;

(4)減小現(xiàn)有體系泵的能量輸出。

例如，CHOI報道了目前冷卻系統(tǒng)的技術(shù)限制：冷卻液側(cè)，傳統(tǒng)的冷卻液和油所固有的導(dǎo)熱性差；空氣側(cè)，為了增加空氣的傳熱，現(xiàn)有散熱器散熱面積的設(shè)計已經(jīng)達(dá)到極限。他認(rèn)為，應(yīng)用能夠承受較高溫度的納米冷卻液的重型卡車散熱器，其尺寸可減少30%，由于減少了空氣阻力、流動損失及驅(qū)動風(fēng)扇的動力損失，因此可以節(jié)省油耗10%[4]。

近些年我國在納米換熱劑的研究上已經(jīng)投入了大量的人力與物力，并取得相應(yīng)的成果。

上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境學(xué)院謝華清教授于2006年主持承擔(dān)了“十一五”國家863計劃項目“發(fā)動機(jī)用強(qiáng)化冷卻液納米流體的研究與開發(fā)”。

在納米流體的應(yīng)用方面，浙江大學(xué)動力機(jī)械及車輛工程研究所俞小莉教授的《車用散熱器中納米流體高溫傳熱基礎(chǔ)問題研究》一文以及“用于發(fā)動機(jī)高溫冷卻技術(shù)的氧化鋁有機(jī)納米流體”專利結(jié)果認(rèn)為，氧化鋁納米粒子+丙二醇水溶液組成的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比基礎(chǔ)液體提高了10.1%～76.3%，流動阻力較小。

多年來，國內(nèi)外同仁一直在尋找一種能使納米冷卻液在高溫下保持長期穩(wěn)定性的技術(shù)方法，以解決流體中的納米粒子由于失穩(wěn)團(tuán)聚、高換熱特性迅速喪失導(dǎo)致無法正常使用的問題。

2016年9月，由某公司首席科學(xué)家暨某大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院羅逸教授率領(lǐng)的研究團(tuán)隊在該項關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破，即在溫度不小于202 ℃、連續(xù)恒溫15天時，納米冷卻液無凝聚現(xiàn)象產(chǎn)生，且其原有的理化特性、抗腐蝕能力及熱力學(xué)行為不發(fā)生改變。與之相關(guān)的技術(shù)之一，《一種納米熱交換劑及制備方法與用途》于2017年3月獲得中國發(fā)明專利授權(quán)(專利號: ZL 201610374971.1)。

1 抗高溫納米冷卻液的特性

1.1 沸點、冰點與腐蝕性

圖1為具備高有機(jī)相組分(多元醇及有機(jī)酸等)的納米冷卻液(優(yōu)能185)的檢測結(jié)果。

圖1 優(yōu)能185納米冷卻液的理化及抗腐蝕性能

1.2 靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)

圖2 不同納米冷卻液與防凍液靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果

圖2為由不同納米粒子(YN-A-1:氧化鋅；YN-A-2:氧化鋁；YN-B-1:石墨烯)與復(fù)合乙二醇基液構(gòu)成的冷卻液與含水40%的防凍液(英國BP公司產(chǎn)品)靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果。

圖2顯示：除具備超強(qiáng)導(dǎo)熱性的石墨烯外，2種金屬氧化物的納米無水冷卻液的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)均小于水基型防凍液。它表明在流體靜止的情況下，水對冷卻液熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)度大于低導(dǎo)熱系數(shù)的多元醇等有機(jī)液。

1.3 動態(tài)換熱率及流阻性

在實驗室對處于流動態(tài)的納米流體及含水40%的BP公司防凍液在不同溫度下的換熱行為進(jìn)行了對比測試，結(jié)果為：

(1)當(dāng)30 ℃的優(yōu)能120納米流體通過處于180 ℃熱媒介質(zhì)的換熱器時，其換熱速率大于BP防凍液24%，流動阻力減小了22.05%；

(2)當(dāng)30 ℃的優(yōu)能108納米流體通過處于90 ℃熱媒介質(zhì)的換熱器時，其換熱速率大于BP防凍液8%，流動阻力減小了6.01%。

結(jié)果表明：納米流體的高換熱率通常只在流動時才能充分體現(xiàn)，并且溫度越高換熱效率越高，流阻越小。有關(guān)研究方法與內(nèi)容將另文專述。

2 臺架試驗

防凍液的標(biāo)準(zhǔn)沸點為105～107 ℃。當(dāng)氣缸內(nèi)潤滑油升溫至沸點時冷卻液隨即開始沸騰，此時燃燒室多余熱量完全轉(zhuǎn)化為汽化熱并被帶走，缸體溫度無法再提高。

優(yōu)能120是為汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計的一款納米冷卻液。它可將氣缸溫度提高15 ℃左右，目標(biāo)是改善發(fā)動機(jī)的高溫小溫差換熱，促進(jìn)燃油分子燃燒，降低油耗及尾氣中的有害污染物。

臺架試驗結(jié)果參見表1。

表1 優(yōu)能120與防凍液臺架試驗結(jié)果(報告編號：A1702000200)

備注：數(shù)據(jù)來源于機(jī)械工業(yè)零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為1 600～2 900 r/min時，優(yōu)能120的油耗率低于防凍液0.6%～3.0%。

表2 優(yōu)能120與普通防凍液的排氣污染物對比試驗結(jié)果

備注：數(shù)據(jù)來源于機(jī)械工業(yè)零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

結(jié)果表明：換裝后兩種主要污染物的總體含量變化趨勢是下降的，從而證實了適度地提高氣缸的工作溫度可以使燃油的氧化燃燒更加充分。

有必要說明的是：表2中尾氣污染物是通過了發(fā)動機(jī)排氣管三元催化劑(裝置難以拆卸)之后測得的結(jié)果。如果沒有三元催化劑的催化氧化作用，換裝后其CO及HC含量的下降率應(yīng)該更高些。

3 行車節(jié)油率試驗

3.1 百公里行車試驗

樣車參數(shù)(報告編號：V1701000400)見表3。

表3 樣車參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于機(jī)械工業(yè)零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

油耗率對比試驗結(jié)果見表4，排氣污染物對比試驗結(jié)果見表5。

表4 油耗率對比試驗結(jié)果

備注：數(shù)據(jù)來源于機(jī)械工業(yè)零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

表5 排氣污染物對比試驗結(jié)果

注：數(shù)據(jù)來源于機(jī)械工業(yè)零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

從表4—5可見：納米冷卻液可以降低發(fā)動機(jī)的油耗率和有害氣體的排放，它驗證了臺架試驗的結(jié)果；相比于普通防凍液，當(dāng)車速為110 km/h和90 km/h時，其節(jié)油效率分別提高了6%和0.4%。

3.2 多車型的長距離行車試驗

此次試驗總里程為2 057 km，總次數(shù)為11次，車型選用排量為1.6 L和2.5 L及自然吸氣的兩種比較典型的乘用車。試驗樣車及參數(shù)詳見表6。

表6 試驗樣車與參數(shù)

參照前述百公里標(biāo)準(zhǔn)方法，納米冷卻液采用優(yōu)能120，設(shè)定普通防凍液作參照物。節(jié)油率的數(shù)據(jù)處理采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析方法，結(jié)果參見圖3和圖4。

對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析的結(jié)果表明：相比于普通傳統(tǒng)防凍液，優(yōu)能120納米冷卻液對乘用車的節(jié)油率主要集中分布在9%附近。

圖3 優(yōu)能120節(jié)油率回歸分析擬合曲線

圖4 優(yōu)能120節(jié)油率的概率分布曲線

4 結(jié)論

抗高溫納米冷卻液具備如下特點：

(1)當(dāng)溫度不小于202 ℃、連續(xù)恒溫15天時，納米冷卻液不發(fā)生團(tuán)聚，其理化性質(zhì)、抗腐蝕能力及熱力學(xué)行為不改變。

(2)靜態(tài)導(dǎo)熱性通常不及水基型防凍液，但當(dāng)流動態(tài)時其換熱效率明顯增加，并且溫度越高導(dǎo)熱越好，流阻越低。

(3)可以提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率，降低CO及HC的排放。

(4)換裝優(yōu)能120冷卻液后，普通乘用車的平均節(jié)油率為9%，節(jié)油率的分布區(qū)間為5%～15%。發(fā)動機(jī)的最佳節(jié)油轉(zhuǎn)速為(2 000±500)r/min，乘用車的最佳行車速度為100～110 km/h。

[1]CHOI S.Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles[M].New York:ASMS,1995:99-103.

[2]Information Bridge.DOE Scientific and Technical Information[EB/OL].2011-06-10.HTTP://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/777307.pdf.

[3]王瑋.納米流體在發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[4]CHOI S.Nanofluids for Improved Efficiency in Cooling Systems for Heavy Vehicle Systems Review[R].USA:Argonne National Laboratory,2006:18-20.

汽車級Linux的標(biāo)準(zhǔn)參考平臺采用瑞薩電子R-Car入門套件，

可加速下一代聯(lián)網(wǎng)汽車的IVI開發(fā)

2017年5月24日，半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社宣布，汽車級Linux(AGL)已將R-Car入門套件作為其一個軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)參考軟件平臺而采用。 AGL是一個合作的開源項目，將汽車制造商、供應(yīng)商和技術(shù)公司聚集起來，為汽車應(yīng)用構(gòu)建基于Linux的開放軟件平臺，可以作為實際應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用瑞薩R-Car入門工具包使軟件開發(fā)人員能夠輕松獲取運(yùn)行該項目開發(fā)的軟件和硬件環(huán)境，快速、輕松地為下一代聯(lián)網(wǎng)汽車開發(fā)車載信息娛樂(IVI)應(yīng)用軟件。

R-Car入門套件支持AGL項目于2017年1月發(fā)布的Unified Code Base(UCB)3.0。R-Car入門套件還支持最新的64位軟件開發(fā)環(huán)境，與之前的32位環(huán)境不同，前者允許將最新的IT解決方案(包括容器技術(shù)(注1))無縫應(yīng)用于汽車應(yīng)用。

此外，可與R-Car 入門套件一起使用、由瑞薩電子合作伙伴開發(fā)(注2)的兩個IVI開發(fā)擴(kuò)展板將于2017年7月推出。標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展板包括多個顯示器及不同類型網(wǎng)絡(luò)接口，高級套件提供的接口可擴(kuò)展到多達(dá)八個攝像頭輸入及高速/大容量存儲的通道。

軟件開發(fā)人員可通過將作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最新軟件開發(fā)環(huán)境平臺輕松開展IVI軟件開發(fā)，并針對IVI開發(fā)進(jìn)行優(yōu)化。該平臺由瑞薩電子構(gòu)建的免費(fèi)軟件庫和由190多家公司組成的R-Car生態(tài)系統(tǒng)提供的支持，使軟件開發(fā)人員能夠快速開發(fā)IVI應(yīng)用軟件并降低成本。

瑞薩電子將作為金牌贊助商參加于2017年5月31日在東京會議中心舉行的汽車Linux峰會(ALS)。除了展示最新的AGL開發(fā)環(huán)境之外，瑞薩電子還將展示其連接到云端IT服務(wù)的最先進(jìn)聯(lián)網(wǎng)汽車駕駛艙。

汽車級Linux，Linux Foundation執(zhí)行總監(jiān)Dan Cauchy表示：“瑞薩是開源開發(fā)的積極支持者，充分預(yù)見到汽車級Linux將對整個行業(yè)的發(fā)展帶來快速創(chuàng)新的影響。通過采用作為我們的標(biāo)準(zhǔn)參考平臺之一的瑞薩電子R-Car入門套件，開發(fā)人員將能夠使用AGL Unified Code Base快速輕松地開發(fā)應(yīng)用程序”。

瑞薩電子汽車信息解決方案業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人副總裁鈴木正宏表示：“很高興我們的R-Car入門套件被致力于創(chuàng)建業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的高級開源軟件的AGL項目用作標(biāo)準(zhǔn)參考平臺之一。軟件開發(fā)人員現(xiàn)在可以使用R-Car入門套件硬件和AGL Unified Code Base，從而使他們能夠?qū)Ｗ㈤_發(fā)更高級別的專業(yè)軟件。瑞薩電子希望為加快整個行業(yè)的IVI開發(fā)創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)”。

注1：容器是一種類型的虛擬化技術(shù)，它并入到與應(yīng)用程序需要的執(zhí)行環(huán)境相結(jié)合的系統(tǒng)中。近年來，由于IT技術(shù)可顯著降低軟件管理成本，該技術(shù)受到了很多關(guān)注。

注2：SHIMAFUJI Electric Incorporated的產(chǎn)品

(來源：俞慶華)

Influence of a Nano-coolant with High Temperature-resistant on Action of Car Engines

LUO Yi1,HE Yan2,LU Ruirui2,XIN Sha2

(1.School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei430074,China;2.Wuhan Ucan Nano Fluid Technology Co., Ltd., Wuhan Hubei 430014,China)

A nano-coolant used in engine has developed. Not only nano-particles in the fluid can’t be reunited at 202 ℃, but also the coolant has good anti-corrosiveness and thermal conductivity in flow yet. The results for both the platform test and the test of pollutant in burned gas show that burn effectiveness of the engine is raised, and CO and HC in the tail gas are reduced after used nano-coolant. Besides the result of statistical analysis of the drive vehicles test shows that the fuel-saving rate of the cars is 9% and their distribution range are 5%～15% when the speed of cars is 100～110 km/h.

Nano-coolant； High temperature； Engine； Fuel-saving rate； Tail gas

2017-05-09

羅逸(1951—)，男，碩士，教授，專業(yè)方向為材料與環(huán)境化學(xué)。E-mail：luoyi1951@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.002

U464

A

1674-1986(2017)07-006-04