商用柴油车运行时纳米冷却液的节油散热效果与作用机制

罗逸，辛莎，童超，何延，徐长明

(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)

0 引言

提高发动机燃烧效率的方法通常为：一是改进发动机的设计，如涡轮增压发动机；二是完善发动机电控单元(Electronic Control Unit，ECU)及相关传感器，实现对燃烧过程的精准控制。实际上，通过精心设计的纳米冷却液也可以达到相同的省油目的，并可促进动力冷却系统的散热过程。此外，换装冷却液的方法更便捷，成本也低，很容易在车辆的售后维护市场被用户接受。

此前，各国有关纳米冷却液的研究主要集中于如何提高换热效率[1-3]，与发动机实车运行的报道很少，并且以实验室研究为主[4-6]。罗逸等人[7]研究了纳米冷却液在乘用小车上的台架试验及实车运行效果，首次证实具备高度热稳定性的纳米流体可以解决发动机的冷却及节能减排问题。

本文作者对国内首批33台车的产品售后用户组织了一次回访调查，以评估该冷却液在大型柴油机车上的商务运行效果以及普及化应用的可行性。

1 产品的主要性能指标

表1所示为纳米冷却液换装产品的主要性能指标。

注：产品的质量检测，除外观及稳定性为纳米流体的属性外，其他指标均参照国家汽车防冻液标准执行。

2 实车运行数据

数据源自换装产品后的柴油机车用户，数量为33台，时间为夏季，施工地点或运营线路涉及我国华中、华南、华东、华北及西北地区。在信息的采集及机车种类的选择上力求具有代表性、客观性、广泛性及随机性，数据及处理结果见表2—表4。

表2 工程机械换装纳米冷却液产品后结果(15台)

表3 货运卡车换装纳米冷却液产品后结果(6台)

表4 客车换装纳米冷却液产品后对比结果(12台)

3 效果分析

纳米冷却液对运营中的柴油机车均具有节油及降温效果，符合设计预期。

工程机械：节油率5.71%～20%，均值12.86%；水温下降4～13 ℃，均值8.5 ℃。

卡车：节油率10.8～16.7%，均值13.1%；发动机不再高温报警。

客车：节油率2.38%～4.51%，均值3.45%。

对比分析结果可以看出，对于大马力(发热量大)并经常处于超载运行状态的货运重卡及无法借助行驶自然风帮助散热的施工机械，其换装纳米冷却液后的节油效果比客车大概要高3～4倍。

目前还没有冬季实车运行的相关数据，预计其数值会有波动。

4 节能散热的作用机制

节能散热的作用机制主要为：

(1)发动机运行时，夹套内的冷却液温度随之增加，达到沸点时液温不再升高，气缸内燃烧反应达到平衡，此后产生的富余能量不再做有用功并被转化为汽化热(废热)，造成燃油的浪费。例如，优能120的沸点比普通防冻液高约15 ℃，相对而言，当发动机满负荷工作时，其缸体温度存在15 ℃的能效提升空间，即高沸点纳米冷却液可使燃料的利用率增加，动力增强，缸体内机油温度的提高也减小了活塞的运行磨阻，能耗降低。此外，高温充分燃烧也相应地降低了尾气污染物的排放量。

(2)固体材料的热传导能力远大于液体。若将纳米粒径的高导热粒子添加到某种液体中，则该流体的动态热传导性能增加，并且流速越大或扰动越剧烈流体中粒子经由彼此碰撞过程传递的热量就越多。

纳米粒子参与冷却过程对动力系统运行的影响表现为：

(1)防止发动机过热。无论是常用的水+乙二醇型防冻液还是导热系数更低的有机无水冷却液，其换热能力及速度均不能满足高温柴油发动机的散热要求，即无法将燃烧后的废热迅速带出并通过散热器(水箱)快速扩散到环境中，形成热量积累直至“烧缸”“烧机油”或“开锅”等极端情况发生。

(2)降低循环冷却系统的动力负荷。纳米流体可在相同时间内传递更多的热量，促使水箱的冷却效率提高，主要表现为循环泵及风扇的启闭频率降低，运行功率减小，时间缩短，空调制冷效果更好等，显示出既降温亦节能的规律。

它们是上述单一影响因子或二者作用叠加的结果。

5 结论

纳米冷却液可同时降低运行发动机的油耗和温度是由于：(1)冷却流体的高沸点为提高气缸的工作温度和燃烧效率提供了条件；(2)高导热纳米粒子参与了冷却系统的强化散热过程，降低了动力消耗，呈现即降温亦节能的规律。33台商用柴油机车的实车运行结果表明，纳米冷却液可解决发动机的高温过热问题，其平均节油率：工程机械12.86%，卡车13.1%，客车3.45%；水箱温度下降值：工程机械4～13 ℃，均值8.5 ℃。换装后机车的动力增加，热车时间缩短，空调制冷效率提高。与对散热要求相对较低的客车相比，一些配备有大功率柴油机(发热量大)的重型卡车或无法借助行驶自然风帮助散热的工程机械对纳米冷却液应具有更大的市场需求。