抗高温纳米冷却液及对汽车发动机运行的影响

罗逸，何延，卢瑞瑞，辛莎

(1.华中科技大学化学与化工学院,湖北武汉 430074；2.武汉优能纳米流体技术有限公司,湖北武汉 430014)



抗高温纳米冷却液及对汽车发动机运行的影响

罗逸1，何延2，卢瑞瑞2，辛莎2

(1.华中科技大学化学与化工学院,湖北武汉 430074；2.武汉优能纳米流体技术有限公司,湖北武汉 430014)

开发了一种能够在温度不低于202 ℃条件下不发生团聚，并能保持良好抗腐蚀以及动态换热能力的发动机纳米冷却液。发动机台架试验及尾气污染物检测结果表明:这种冷却液可以提高发动机的燃烧效率，降低尾气中CO及HC的含量。行车试验的数据结果证实:当车速为100～110 km/h时，乘用车的节油率约为9%，数据分布区间为5%～15%。

纳米冷却液；高温；发动机；节油率；尾气

0 引言

1995年，美国Argonne国家实验室的CHOI等根据纳米粒子与液体的组合物具备高热导率，首先提出了纳米流体的概念[1]。2002年，由美国政府和重型卡车联合会资助的《Technology Roadmap for the 21st Century Truck Program, A Government Industry Research Partnership》报告明确将纳米流体发动机冷却液的研究列为重点支持的研究方向[2]。

随后美国通用(GM)和福特(Ford)等汽车公司在纳米流体的应用项目上作了大量的研究[3]，认为将它作为冷却液应用的优势在于:

(1)通过强化传热可提高发动机冷却液的传热性能;

(2)增加燃料的效率，减小散热器的体积和面积，从而减小风阻;

(3)减少冷却液的用量;

(4)减小现有体系泵的能量输出。

例如，CHOI报道了目前冷却系统的技术限制：冷却液侧，传统的冷却液和油所固有的导热性差；空气侧，为了增加空气的传热，现有散热器散热面积的设计已经达到极限。他认为，应用能够承受较高温度的纳米冷却液的重型卡车散热器，其尺寸可减少30%，由于减少了空气阻力、流动损失及驱动风扇的动力损失，因此可以节省油耗10%[4]。

近些年我国在纳米换热剂的研究上已经投入了大量的人力与物力，并取得相应的成果。

上海第二工业大学城市建设与环境学院谢华清教授于2006年主持承担了“十一五”国家863计划项目“发动机用强化冷却液纳米流体的研究与开发”。

在纳米流体的应用方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所俞小莉教授的《车用散热器中纳米流体高温传热基础问题研究》一文以及“用于发动机高温冷却技术的氧化铝有机纳米流体”专利结果认为，氧化铝纳米粒子+丙二醇水溶液组成的纳米流体的导热系数比基础液体提高了10.1%～76.3%，流动阻力较小。

多年来，国内外同仁一直在寻找一种能使纳米冷却液在高温下保持长期稳定性的技术方法，以解决流体中的纳米粒子由于失稳团聚、高换热特性迅速丧失导致无法正常使用的问题。

2016年9月，由某公司首席科学家暨某大学化学与化工学院罗逸教授率领的研究团队在该项关键技术方面取得重大突破，即在温度不小于202 ℃、连续恒温15天时，纳米冷却液无凝聚现象产生，且其原有的理化特性、抗腐蚀能力及热力学行为不发生改变。与之相关的技术之一，《一种纳米热交换剂及制备方法与用途》于2017年3月获得中国发明专利授权(专利号: ZL 201610374971.1)。

1 抗高温纳米冷却液的特性

1.1 沸点、冰点与腐蚀性

图1为具备高有机相组分(多元醇及有机酸等)的纳米冷却液(优能185)的检测结果。

图1 优能185纳米冷却液的理化及抗腐蚀性能

1.2 静态导热系数

图2 不同纳米冷却液与防冻液静态导热系数测定结果

图2为由不同纳米粒子(YN-A-1:氧化锌；YN-A-2:氧化铝；YN-B-1:石墨烯)与复合乙二醇基液构成的冷却液与含水40%的防冻液(英国BP公司产品)静态导热系数测试结果。

图2显示：除具备超强导热性的石墨烯外，2种金属氧化物的纳米无水冷却液的静态导热系数均小于水基型防冻液。它表明在流体静止的情况下，水对冷却液热传导的贡献度大于低导热系数的多元醇等有机液。

1.3 动态换热率及流阻性

在实验室对处于流动态的纳米流体及含水40%的BP公司防冻液在不同温度下的换热行为进行了对比测试，结果为：

(1)当30 ℃的优能120纳米流体通过处于180 ℃热媒介质的换热器时，其换热速率大于BP防冻液24%，流动阻力减小了22.05%；

(2)当30 ℃的优能108纳米流体通过处于90 ℃热媒介质的换热器时，其换热速率大于BP防冻液8%，流动阻力减小了6.01%。

结果表明：纳米流体的高换热率通常只在流动时才能充分体现，并且温度越高换热效率越高，流阻越小。有关研究方法与内容将另文专述。

2 台架试验

防冻液的标准沸点为105～107 ℃。当气缸内润滑油升温至沸点时冷却液随即开始沸腾，此时燃烧室多余热量完全转化为汽化热并被带走，缸体温度无法再提高。

优能120是为汽车发动机设计的一款纳米冷却液。它可将气缸温度提高15 ℃左右，目标是改善发动机的高温小温差换热，促进燃油分子燃烧，降低油耗及尾气中的有害污染物。

台架试验结果参见表1。

表1 优能120与防冻液台架试验结果(报告编号：A1702000200)

备注：数据来源于机械工业零部件产品质量监督检测中心。

结果表明：转速为1 600～2 900 r/min时，优能120的油耗率低于防冻液0.6%～3.0%。

表2 优能120与普通防冻液的排气污染物对比试验结果

备注：数据来源于机械工业零部件产品质量监督检测中心。

结果表明：换装后两种主要污染物的总体含量变化趋势是下降的，从而证实了适度地提高气缸的工作温度可以使燃油的氧化燃烧更加充分。

有必要说明的是：表2中尾气污染物是通过了发动机排气管三元催化剂(装置难以拆卸)之后测得的结果。如果没有三元催化剂的催化氧化作用，换装后其CO及HC含量的下降率应该更高些。

3 行车节油率试验

3.1 百公里行车试验

样车参数(报告编号：V1701000400)见表3。

表3 样车参数

注：数据来源于机械工业零部件产品质量监督检测中心。

油耗率对比试验结果见表4，排气污染物对比试验结果见表5。

表4 油耗率对比试验结果

备注：数据来源于机械工业零部件产品质量监督检测中心。

表5 排气污染物对比试验结果

注：数据来源于机械工业零部件产品质量监督检测中心。

从表4—5可见：纳米冷却液可以降低发动机的油耗率和有害气体的排放，它验证了台架试验的结果；相比于普通防冻液，当车速为110 km/h和90 km/h时，其节油效率分别提高了6%和0.4%。

3.2 多车型的长距离行车试验

此次试验总里程为2 057 km，总次数为11次，车型选用排量为1.6 L和2.5 L及自然吸气的两种比较典型的乘用车。试验样车及参数详见表6。

表6 试验样车与参数

参照前述百公里标准方法，纳米冷却液采用优能120，设定普通防冻液作参照物。节油率的数据处理采用数学统计分析方法，结果参见图3和图4。

对测得的数据进行统计学分析的结果表明：相比于普通传统防冻液，优能120纳米冷却液对乘用车的节油率主要集中分布在9%附近。

图3 优能120节油率回归分析拟合曲线

图4 优能120节油率的概率分布曲线

4 结论

抗高温纳米冷却液具备如下特点：

(1)当温度不小于202 ℃、连续恒温15天时，纳米冷却液不发生团聚，其理化性质、抗腐蚀能力及热力学行为不改变。

(2)静态导热性通常不及水基型防冻液，但当流动态时其换热效率明显增加，并且温度越高导热越好，流阻越低。

(3)可以提高发动机的燃烧效率，降低CO及HC的排放。

(4)换装优能120冷却液后，普通乘用车的平均节油率为9%，节油率的分布区间为5%～15%。发动机的最佳节油转速为(2 000±500)r/min，乘用车的最佳行车速度为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]王玮.纳米流体在发动机散热系统中的应用研究[D].上海：上海交通大学，2009.

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

汽车级Linux的标准参考平台采用瑞萨电子R-Car入门套件，

可加速下一代联网汽车的IVI开发

2017年5月24日，半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社宣布，汽车级Linux(AGL)已将R-Car入门套件作为其一个软件开发的标准参考软件平台而采用。 AGL是一个合作的开源项目，将汽车制造商、供应商和技术公司聚集起来，为汽车应用构建基于Linux的开放软件平台，可以作为实际应用的行业标准。采用瑞萨R-Car入门工具包使软件开发人员能够轻松获取运行该项目开发的软件和硬件环境，快速、轻松地为下一代联网汽车开发车载信息娱乐(IVI)应用软件。

R-Car入门套件支持AGL项目于2017年1月发布的Unified Code Base(UCB)3.0。R-Car入门套件还支持最新的64位软件开发环境，与之前的32位环境不同，前者允许将最新的IT解决方案(包括容器技术(注1))无缝应用于汽车应用。

此外，可与R-Car 入门套件一起使用、由瑞萨电子合作伙伴开发(注2)的两个IVI开发扩展板将于2017年7月推出。标准扩展板包括多个显示器及不同类型网络接口，高级套件提供的接口可扩展到多达八个摄像头输入及高速/大容量存储的通道。

软件开发人员可通过将作为行业标准的最新软件开发环境平台轻松开展IVI软件开发，并针对IVI开发进行优化。该平台由瑞萨电子构建的免费软件库和由190多家公司组成的R-Car生态系统提供的支持，使软件开发人员能够快速开发IVI应用软件并降低成本。

瑞萨电子将作为金牌赞助商参加于2017年5月31日在东京会议中心举行的汽车Linux峰会(ALS)。除了展示最新的AGL开发环境之外，瑞萨电子还将展示其连接到云端IT服务的最先进联网汽车驾驶舱。

汽车级Linux，Linux Foundation执行总监Dan Cauchy表示：“瑞萨是开源开发的积极支持者，充分预见到汽车级Linux将对整个行业的发展带来快速创新的影响。通过采用作为我们的标准参考平台之一的瑞萨电子R-Car入门套件，开发人员将能够使用AGL Unified Code Base快速轻松地开发应用程序”。

瑞萨电子汽车信息解决方案业务负责人副总裁铃木正宏表示：“很高兴我们的R-Car入门套件被致力于创建业内标准的高级开源软件的AGL项目用作标准参考平台之一。软件开发人员现在可以使用R-Car入门套件硬件和AGL Unified Code Base，从而使他们能够专注开发更高级别的专业软件。瑞萨电子希望为加快整个行业的IVI开发创新做出贡献”。

注1：容器是一种类型的虚拟化技术，它并入到与应用程序需要的执行环境相结合的系统中。近年来，由于IT技术可显著降低软件管理成本，该技术受到了很多关注。

注2：SHIMAFUJI Electric Incorporated的产品

(来源：俞庆华)

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

罗逸(1951—)，男，硕士，教授，专业方向为材料与环境化学。E-mail：luoyi1951@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.002

U464

A

1674-1986(2017)07-006-04