纳米润滑油改善内燃机活塞组-气缸套润滑摩擦的热物理基础问题研究

The lubrication between the piston and cylinder liner affects the durability, economy and reliability of the internal combustion engine. The nano-lubricant, composed of nanoparticles and lubricant, can improve the friction characteristics effectively. If the nano-lubricant can be developed for the lubrication system in engines, the friction power loss would effectively decrease. Moreover, due to the excellent heat transfer capacity of the nano-lubricant, the thermal load would be reduced by a large margin. During the engine working process, the friction characteristic between the piston and cylinder liner is extremely complex, such as high temperature, heavy load and speed change. These behaviors consequently lead to the mixing lubrication: hydrodynamic lubrication, thin film lubrication and boundary lubrication. The thermophysical problems on the nano-lubricant for its actual application are still not clear. Therefore, this study will carry out molecular dynamics simulations and friction experimental researches on different friction states. The physical mechanisms of nano-lubricant on the friction and the interactions between heat transfer and friction will be revealed from the microcosmic and macroscopic aspects. On this basis, the computational fluid dynamics (CFD) method will be employed to investigate the hydrodynamic lubrication state. The two-phase mathematical physical model will be explored to give an appropriate numerical simulation method. Finally, the results obtained from basic researches will be further extended for the coupling study of heat transfer and friction between the piston and cylinder liner, which will provide a theoretical base for the application of nano-lubricant in the internal combustion engine.

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。由纳米粒子与润滑油组成的纳米润滑油，具有改善润滑摩擦的作用，若能在内燃机中应用，将会有效降低其摩擦功损失，加之纳米润滑油良好的传热性，还可有效降低其热负荷。由于活塞组-气缸套的润滑摩擦极为复杂，伴随高温、重载、变速等不利润滑因素，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，而采用纳米润滑油后所涉及的热物理基础问题还不清楚。为此，课题拟对纳米润滑油的不同润滑状态，开展分子动力学模拟和润滑摩擦模拟实验研究，从微观和宏观两个层面，揭示纳米润滑油在不同润滑状态下改善润滑摩擦的热物理机制，及润滑摩擦与传热的耦合作用机制；在此基础上，针对流体润滑开展CFD研究，建立流体润滑两相流数学物理模型，给出数值计算方法；最后将纳米润滑油基础研究结果，应用于活塞组-气缸套的润滑摩擦与传热耦合研究中，为纳米润滑油在内燃机的应用奠定理论基础

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。由纳米粒子与润滑油组成的纳米润滑油，具有改善润滑摩擦的作用，若能在内燃机中应用，将会有效降低其摩擦功损失，加之纳米润滑油良好的传热性，还可有效降低其热负荷。由于活塞组-气缸套的润滑摩擦极为复杂，伴随高温、重载、变速等不利润滑因素，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，而采用纳米润滑油后所涉及的热物理基础问题还不清楚。为此，课题开展了：1）纳米润滑油润滑摩擦的模拟实验研究；2）纳米润滑油分子动力学研究；3）纳米润滑油两相流体润滑摩擦与传热耦合数值模拟研究；4）纳米润滑油在内燃机活塞组-气缸套中的应用研究，以便全面揭示纳米润滑油强化传热和改善润滑摩擦的耦合作用机制。.课题对纳米润滑油的不同润滑状态，开展分子动力学模拟和润滑摩擦模拟实验研究，从微观和宏观两个层面，揭示了纳米润滑油在不同润滑状态下改善润滑摩擦的热物理机制，及润滑摩擦与传热的耦合作用机制；并建立了流体润滑两相流数学物理模型，给出了数值计算方法；还将纳米润滑油基础研究结果，应用于活塞组-气缸套的润滑摩擦与传热耦合研究中，给出纳米润滑油强化传热、改善润滑摩擦的耦合作用机制为：1）纳米润滑油因具有较常规润滑油更好的换热能力，它的使用可以有效降低活塞组-气缸套耦合系统的温度场；2）耦合系统温度场的降低以及纳米润滑油自身优异的摩擦学特性，共同实现了改善活塞组-气缸套摩擦副润滑摩擦的效果；3）活塞组-气缸套摩擦副润滑摩擦性能的改善，使该摩擦副在相互运动过程中产生的摩擦热随之减少，从而降低了耦合系统因摩擦热而引起的温升；4）传热和润滑摩擦的耦合作用机制实现了纳米润滑油应用于内燃机强化燃烧室部件传热、改善摩擦副润滑摩擦的双重效果。这些研究结果为纳米润滑油在内燃机的应用奠定了理论基础，为同步解决内燃机活塞组-气缸套的强化传热问题和改善润滑摩擦问题提供了有效途径。