纳米润滑油改善内燃机活塞组—气缸套润滑摩擦热物理机制研究

发布时间：2017-08-30 02:43

  本文关键词：纳米润滑油改善内燃机活塞组—气缸套润滑摩擦热物理机制研究

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【摘要】：活塞组-气缸套的润滑摩擦直接影响内燃机的动力性、经济性和可靠性。由于活塞组-气缸套的润滑摩擦环境极为复杂,伴随高温、重载、变速等不利于润滑的因素,使其处于流体润滑、薄膜润滑、边界润滑共存的混合润滑状态。由纳米颗粒与基础油组成的纳米润滑油,具有改善润滑摩擦和强化换热的双重优势,非常适用于活塞组-气缸套的润滑和冷却。不同润滑状态下,纳米颗粒改善润滑摩擦的热物理机制尚不完全清楚,传统的研究方法无法将这几种润滑状态分开进行研究。分子动力学(MD)方法可以模拟不同的润滑状态和工作状态,有效地从微观角度揭示润滑摩擦的机理,并能够准确地描述纳米流体的结构特点,因此可以采用MD方法对各润滑状态下,纳米润滑油改善润滑摩擦的热物理机制分别进行深入研究。本文根据活塞组-气缸套的润滑状态分别建立了流体润滑、薄膜润滑和边界润滑模拟模型,采用MD方法对比分析了基础油和纳米润滑油润滑摩擦特性的不同,给出了各润滑状态下纳米颗粒所发挥的作用,最后对纳米流体强化换热与润滑摩擦的耦合作用机制做了进一步研究。本文的主要研究内容如下：(1)流体润滑状态下,分别研究了光滑表面和非平表面条件下,纳米颗粒对润滑膜剪切流动特性的影响。研究发现,纳米颗粒通过影响流体的微观结构使得润滑膜的承载能力有所增大；沉积到凹坑内的纳米颗粒对摩擦表面起到了填充作用,降低了摩擦阻力；除了沉积到凹坑内的纳米颗粒,润滑膜中其他位置的纳米颗粒均增大了摩擦阻力；不管是基础流体还是纳米流体,随着温度的上升,润滑膜的承载能力下降。(2)薄膜润滑状态下,主要分析了纳米流体与基础流体润滑摩擦特性的不同。研究发现,随着载荷的增加,基础流体和纳米流体润滑膜均由液态转变为“类固态”,但纳米流体的转变压力高于基础流体；纳米颗粒通过提高润滑膜的转变压力,使得摩擦力能够在较宽的载荷范围内维持在较低的水平；纳米流体在较高的载荷下表现出减摩效果的物理机制为：纳米流体较高的液固转变压力、纳米颗粒的无规则运动以及体积效应。(3)边界润滑状态下,分别研究了软质Cu和硬质金刚石纳米颗粒对边界润滑膜承载能力的影响。研究发现纳米润滑油的承载能力显著高于基础油,并且随着载荷的增加,这种增强效果更加明显。纳米颗粒提高边界润滑膜承载能力的物理机制主要有三点：一是纳米颗粒周围致密的吸附层使得润滑剂分子排列得更加紧密有序,提高了边界膜的强度；二是随着载荷的增加,油膜结构逐渐转变为“上壁面吸附层-颗粒周围吸附层-纳米颗粒-下壁面吸附层”这种特殊形式,该形式大大提高了边界膜的强度：三是随着载荷的进一步增加,在边界膜破裂前,纳米颗粒就已经开始为边界膜提供良好的支撑作用。(4)发生凸峰接触时,文中研究了软质Cu、硬质金刚石和Si02纳米颗粒对凸峰接触润滑摩擦特性的影响,主要考察了纳米颗粒与摩擦副间的协同作用关系,以及纳米颗粒对摩擦副机械特性的影响。研究证实了软质纳米颗粒在摩擦表面间形成了固体润滑膜,模拟结果表明这层固体润滑膜有效承担了摩擦副间的剪切作用,降低了摩擦副的塑性变形、内部缺陷和温度分布；硬质纳米颗粒有效地避免了摩擦表面的直接接触,并具有“滚动轴承”和“抛光”效果,摩擦副的温度和缺陷结构大大降低；不管是硬质还是软质纳米颗粒,纳米颗粒改善凸峰接触润滑摩擦特性的效果随着温度的上升变得更加明显。当相对滑动速度较高时,摩擦界面附近出现了“转移层”,纳米颗粒进入“转移层”,失去了抗磨减摩效果。(5)通过研究纳米颗粒对流动特性的影响,以及纳米流体流动与换热的耦合作用,进一步明确了纳米流体的强化换热机理,最后对纳米流体强化换热与润滑摩擦的耦合作用机制进行了阐述。结果表明：纳米流体的速度脉动相对于基础流体增强,纳米颗粒与连续相间存在速度滑移；纳米颗粒微运动和导热系数增加对纳米流体对流换热性能提高的贡献比例相当；纳米流体的强化换热特性有助于改善活塞组-气缸套的摩擦磨损。
【关键词】：内燃机活塞组-气缸套 纳米润滑油 分子动力学 润滑摩擦 强化换热
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 授权4-6
• ABSTRACT6-24
• 1 绪论24-45
• 1.1 研究背景与意义24-29
• 1.1.1 课题研究的背景及实际意义24-27
• 1.1.2 课题研究的理论价值27-29
• 1.2 国内外相关工作研究进展29-41
• 1.2.1 纳米润滑油改善润滑摩擦物理机制的实验研究29-36
• 1.2.2 纳米润滑油改善润滑摩擦物理机制的CFD研究36-37
• 1.2.3 纳米润滑油改善润滑摩擦物理机制的MD研究37-39
• 1.2.4 纳米润滑油在内燃机中的应用研究39-41
• 1.3 当前研究中存在的问题与不足41-42
• 1.4 本文主要研究思路与内容42-45
• 2 分子动力学模拟理论基础45-62
• 2.1 MD模拟原理45
• 2.2 势函数的选取及依据45-51
• 2.3 边界条件的选择51-52
• 2.4 系综的选用52-53
• 2.5 温度控制方法53-55
• 2.6 原子运动方程的求解55-56
• 2.7 数据统计方法的选择及建立56-60
• 2.8 MD方法的可靠性验证60-61
• 2.9 MD应用软件及计算硬件条件61
• 2.10 本章小结61-62
• 3 流体润滑状态下纳米润滑油的润滑摩擦特性研究62-89
• 3.1 模拟模型的建立63-67
• 3.1.1 氩基流体光滑表面模拟模型63-64
• 3.1.2 氩基流体非平表面模拟模型64-66
• 3.1.3 有机流体光滑表面模拟模型66
• 3.1.4 有机流体非平表面模拟模型66-67
• 3.2 势函数67-68
• 3.3 计算过程68
• 3.4 氩基模拟结果分析68-79
• 3.4.1 光滑表面结果分析68-76
• 3.4.2 非平表面结果分析76-79
• 3.5 有机流体模拟结果分析79-83
• 3.5.1 光滑表面结果分析79-82
• 3.5.2 非平表面结果分析82-83
• 3.6 液氩和有机流体分别作为基础液的结果对比83
• 3.7 不同温度下的润滑摩擦特性83-86
• 3.8 流体润滑状态下纳米润滑油影响润滑摩擦特性的热物理机制及其在活塞组-气缸套中的应用分析86-87
• 3.9 本章小结87-89
• 4. 薄膜润滑状态下纳米润滑油的润滑摩擦特性研究89-103
• 4.1 模拟模型的建立89-90
• 4.2 势函数90-91
• 4.3 计算过程91
• 4.4 计算结果与分析91-96
• 4.4.1 基础流体和纳米流体润滑摩擦特性的对比91-94
• 4.4.2 滑动速度对润滑摩擦特性的影响94-95
• 4.4.3 纳米颗粒种类对润滑摩擦特性的影响95-96
• 4.5 薄膜润滑状态下纳米颗粒影响润滑摩擦特性的物理机制96-101
• 4.6 薄膜润滑状态下纳米润滑油在活塞组-气缸套中的应用分析101-102
• 4.7 本章小结102-103
• 5. 边界润滑状态下纳米颗粒对润滑摩擦特性的影响103-167
• 5.1 纳米颗粒对边界润滑膜承载能力的影响104-119
• 5.1.1 模拟模型的建立105-106
• 5.1.2 势函数106-107
• 5.1.3 计算过程107
• 5.1.4 软质纳米颗粒对边界润滑膜承载能力的影响107-115
• 5.1.5 硬质纳米颗粒对边界润滑膜承载能力的影响115-119
• 5.2 纳米颗粒对凸峰接触润滑摩擦特性的影响119-140
• 5.2.1 模拟模型的建立120-121
• 5.2.2 势函数121
• 5.2.3 计算过程121-122
• 5.2.4 软质纳米颗粒对凸峰接触润滑摩擦特性的影响122-132
• 5.2.5 硬质纳米颗粒对凸峰接触润滑摩擦特性的影响132-140
• 5.3 纳米颗粒对凸峰接触温度分布的影响140-162
• 5.3.1 模拟模型的建立141-142
• 5.3.2 势函数142
• 5.3.3 计算过程142-143
• 5.3.4 软质纳米颗粒对凸峰接触温度分布的影响143-156
• 5.3.5 硬质纳米颗粒对凸峰接触温度分布的影响156-162
• 5.4 边界润滑状态下纳米润滑油影响润滑摩擦特性的热物理机制及其在活塞组-气缸套中的应用分析162-165
• 5.5 本章小结165-167
• 6. 纳米流体的流动和换热特性研究167-187
• 6.1 纳米颗粒对流动特性的影响168-174
• 6.1.1 模拟模型的建立168-169
• 6.1.2 势函数169
• 6.1.3 计算过程169
• 6.1.4 纳米颗粒的运动状态169-172
• 6.1.5 纳米颗粒与连续相间的速度滑移172-173
• 6.1.6 连续相的速度脉动173-174
• 6.2 纳米流体流动和换热特性的耦合计算174-184
• 6.2.1 模拟模型的建立174-175
• 6.2.2 势函数175-176
• 6.2.3 计算过程176-177
• 6.2.4 液氩作为基础液时等效导热系数的计算177-180
• 6.2.5 液氩作为基础液,热物性变化和纳米颗粒微运动对对流换热性能提高的贡献比例180-182
• 6.2.6 有机流体作为基础液对液氩计算结果的进一步验证182-184
• 6.3 纳米润滑油强化换热特性对活塞组-气缸套润滑摩擦特性的影响分析184-185
• 6.4 本章小结185-187
• 7. 结论与展望187-193
• 7.1 结论187-191
• 7.2 创新点摘要191-192
• 7.3 展望192-193
• 参考文献193-208
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果208-211
• 致谢211-212
• 作者简介212

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本文编号：756852