使用纳米金刚石发动机油可改进汽车性能.doc

使用纳米金刚石发动机油可改进汽车性能张书达 朱瑶华 季德钢 张文刚天津市乾宇超硬科技有限公司，3003841【摘要】 纳米金刚石经表面改性后呈超分散状态，制成稳定悬浮的改性纳米金刚石发动机油。台架试验表明，它可使发动机的动力性、经济性和排放性均有较大改善。经多种型号的汽车及大型柴油发电机组的实验：平均燃油节油率为11.96%，普遍感觉噪声降低，运转更加平稳。对摩擦副有独特的自修复功能，且具长效性。润滑油使用周期延长几倍。拆缸检查气缸内壁非常清净光滑。延长发动机使用寿命，从而节省了大量的维修费用和时间。【关键词】纳米金刚石 发动机油 汽车 性能 节能 环保To Improve Auto Performance Using Modified Nano-diamond Engine OilZhang Shuda, Zhu Yaohua, JI Degang, Zhang WengangTianjin Chanyu Superhard Sci-Tech Co., Ltd., Tianjin 300384, ChinaAbstract: After modified surfaces of nano-diamond, it presents ultra dispersive state. Then it can be made stable suspension modified nano-diamond engine oil. The bench test points that the modified engine oil has been obviously improved on its powerful, economic and discharged performance. These functions have been confirmed by many kinds of cars and large diesel generator. The average saving percentage of fuel oil is 11.96%. Most of user feels that cars noise falls a lot and engine runs calmer. It also has self-restore function for the friction-pair, and this function can keep a long time. Lubricants service life can be prolonged by several times. Cylinder inner wall is as clean as a whistle. Engines service life can be prolonged, so it can save a lot of repair cost and time.Key words: Nano-diamond Engine Oil Auto Performance Energy Economy Environment Protection1 前言现市售的润滑油多在矿物油中加入各种添加剂，以改善基础油的理化性能。例如清净分散剂、抗氧抗腐剂、破乳剂、抗泡剂、粘度指数改进剂、防锈剂、降凝剂、油性剂和极压抗磨剂等。两院院士侯祥麟明确指出：在负荷较多的设备中，必需加入活性较多的极压抗磨剂。但在高温下比较稳定的化合物往往极压抗磨性差；而极压抗磨性好的化合物，易在高温下分解，破坏基础油的稳定性，腐蚀金属1。现常用含有磷、硫、硼和氯的极压抗磨剂2，但这会腐蚀机件且不利于环保。目前极压抗磨剂以磷系居多。过多的磷会导致汽车尾气催化剂中毒，控制磷含量乃是机油发展的趋势之一3。合成油在性能上有较大改进，但其价格比矿物油高几倍甚至十几倍，且其性能仍需进一步提高。 为起抗摩减磨作用，亦可在润滑油中加入某些固体微粒。例如石墨、二硫化钼、特氟龙等，它们的粒径都是微米级或亚微米级。由于它们在油中的状态不稳定，其析出物易造成油路堵塞和加速油泥生成，目前已很少推荐使用。 随着纳米技术的升温，近年来在润滑油中加入纳米材料的工作做了一些探索。例如，加入纳米金属微粒（Cu、Fe、Ni、Co等）和纳米SiO2，Ti3(BO3)2， LaPO4等作为极压抗磨剂4,5。用此技术有可能消除较低运动速度时出现的剧烈震动6。但这些材料的微粒粒径大多在20100nm，纳米材料的独特优点尚未充分发挥，其抗磨减摩性能还不够好。 用新型的添加剂代替传统的油性剂和极压抗磨剂，已成为润滑剂科研领域的热门，采用纳米技术已成为解决该课题的最有效途径之一。 由于纳米金刚石具有许多独特优点7，将其加入润滑油中会出现诸多奇特功效8-14。但作为商品的纳米金刚石发动机油在实际大量使用中的效果尚未见报道。本工作则是将所研制的SDZ02型改性纳米金刚石发动机油用于多种型号的汽车，并取得出人预料的优异效果。82纳米金刚石发动机油 工作14的润滑油可存放约2周，而在纳米金刚石应用走在世界前列的俄罗斯和白俄罗斯的产品，放置10天后即明显沉淀，这会影响使用效果。我们解决了纳米金刚石在发动机油中稳定悬浮的世界难题，所研制的SDZ-02型纳米金刚石发动机油，可存放几年而不发生团聚和沉淀。 经中国人民解放军军事交通学院汽车实验中心测试，发动机功率平均提高4.2%，最高可达6.4%。燃油消耗率平均降低4.7%，最高可达10.3%。气缸压力提高28.9%。怠速转速提高10.2%。发动机怠速HC排放降低60%，NOX排放降低20.5% 7。图1示出了两种油的外特性对比，图2示出了两种油的负荷特性对比。 Pe(kW) 图1 外特性对比曲线 图2 负荷特性（1600r/min） 注：图中原机油为市售的名牌发动机油，改性发动机油为在原机油中加入改性纳米金刚石 3应用 SDZ-02型改性纳米金刚石发动机油自2002年投放市场以来，多种型号的汽车及大型柴油发电机试验均取得良好效果。多种类型的发动机平均燃油节油率为11.96%，普遍感觉噪声降低，运转更加平稳。不同的用户所关注的主要参数也不尽相同。例如： 已行驶80万公里的夏利1.0，烧机油严重，机油耗量为2L/1000km（不包括更换机油）；改用本品后，机油消耗骤降至0.03 L/1000km(仅相当于原来的1/66)，已达我国新车标准。可见本品对减排环保之功效极佳。 长安之星1.3未使用本品时最高时速105 km/h，（连续行使15分钟后时速即明显下降），缸压为0.70.8MPa；使用本品后最高时速提高到120 km/h，且可长时间连续行驶，缸压升至1.25MPa，增幅达56%（缸压是用亿德牌缸压表测量的）。油耗由9.2L/100km降至7.03L/100km。 近乎报废的北京130轻卡，原来由静止提速到80km/h需24秒；改用本品后，此时间缩短至20秒，加速度增加了约17%。 一辆出租车夏利TJ7100 ，98年产，自2000年3月启用，每年行驶10万多公里。行驶16万公里后用了两次本品。至2005年8月已运行53.8万公里，从未大修过。这说明改性纳米金刚石发动机油对摩擦副具有长期保养的独特功能。 2000年出厂的夏利车已运行10万km，使用本品后节能减排效果出乎预料之外。燃油消耗由6.4L/100km降至5.4 L/100km，原机油换油期5000km，现至15000km机油仍可用。但同时车主担心是否会对汽缸有不利影响，为此到大修厂进行了拆缸检查，结果表明气缸内壁非常清净光滑。 别克2.5新车即使用本品，行驶2千多公里需强保换油时，维修技师发现发动机油非常清净，决定5千多公里再换。 桑塔纳1.6车主因出国而将它闲置4个月未用。当他在严冬的1月首次启动时，一切正常，而未出现通常应有的金属撞击声。这超出车主和维修技师的意料之外。 京华BK6780B2中客，原燃油消耗13.13L/100km，使用本品后降至12.07 L/100km。 夏利1.0 每次加19L燃油，原可行驶240km，加入油精后，第一次行驶了247km,第二次行驶了256km，第三次行驶了265km，以后逐渐增加至300km以上，节约燃油率达25。这说明有的车自修复需要一个过程，但效果很好。为满足广大用户的需求，我们研制的SDZ-02型改性发动机油已经推出系列产品。 为了方便用户使用，我们精心推出改性纳米金刚石发动机油精系列产品，实物照片见图3。图3 改性纳米金刚石发动机油精系列产品4对摩擦副有自修复功能为了验证改性纳米金刚石发动机油对整车的良好效果，尤其是对摩擦副的自修复功能，我们检测了钢/钢摩擦副的表面，电镜照片见图4。（b）与（c）的摩擦条件相同，除润滑油之外。（a）(a) （b）（c）图4 使用不同润滑剂下试件摩擦表面电镜图（a）油样1磨损前 （b）油样1磨损后 （c）油样3磨损后油样1：460合成极压涡轮蜗杆油成品；油样3：用纳米金刚石代替油样1中的油性剂和极压抗磨剂。5理论分析对于纳米金刚石润滑油的减摩抗磨机理，目前大多数论文均处于定性分析和推测阶段。我们进行了系统的研究，创立了“纳金减抗理论”。 5.1 变滑动摩擦为滚动摩擦每升油中约含3*1017粒纳米金刚石，天文数字的微滚珠所起的作用是其它减摩剂不可比拟的。5.2 滚动摩擦系数最小滚动摩擦系数与滚动体半径成正比。对于油中加入纳米固体微粒而言，一般纳米微粒的粒径为20100nm,而纳米金刚石的平均粒径仅有4nm。因此，在润滑油中加入纳米金刚石，其滚动摩擦系数仅相当于加入其它纳米微粒的1/10左右。5.3 表面效应改善润滑它的表面原子可占原子总数的百分之几十。这些带有悬空键的表面原子可牢固地吸附油分子，只样的油膜急难被破坏。5.4 表面强化使用这种发动机油一段时间后，缸套表面基体会形成金属碳化物。它的硬度要比原来金属的高很多，这不仅成倍提高了使用寿命，而且提高了金属的的压缩屈服极限。因而表面强化可大大降低摩擦副的摩擦因数。5.5 塑性指数剧减经纳米金刚石抛光一段时间后，微凸体平均曲率半径急剧增大。微凸体高度均方根偏差急剧减小，因而塑性指数值大大减小。5.6 粘着磨损几无可能呈超分散状态的金刚石微粒会将两个摩擦表面“架”起来，而这些微粒表面及它们之间又充满了润滑油。这几乎否定了摩擦副“咬合”的可能。5.7 磨粒磨损明显减少使用普通润滑油时，由于涂抹、擦伤、融蚀等机械损伤会造成油中含有大量金属磨屑，其粒径达几微米甚至几十微米。这些金属屑是造成磨粒磨损的重要原因。而使用本品后，这些金属屑的粒径通常是纳米级，因而磨粒磨损明显减轻。5.8 具有自修复功能如前所述，使用本品可迅速降低表面粗糙度，增大摩擦副的实际接触面积，表面粗糙度减小对提高金属抗腐蚀磨损的能力有重大影响。“纳金减抗理论”已将减摩抗磨机理从定性分析上升到定性分析与定量分析相结合的新高度，详见工作15。6 结论与展望6.1结论使用我们的专利经表面改性的超分散金刚石加入到润滑油中，会产生许多原先预想不到的奇特效果。我们研制的SDZ02型改性纳米金刚石发动机油及油精系列产品，可使发动机的性能得到全面、明显地改进：其动力性、经济性和排放性均有较大改善；普遍感觉噪声降低，运转更加平稳；对摩擦副有独特的自修复功能，且具长效性；机油使用期成倍延长。 6.2有利环保天津市机动车排放污染在全市排放总量中的分担率分别为氮氧化物占55%，碳氢化物占81%。各大城市大致如此。推广使用改性纳米金刚石发动机油，是投入少见效快的最佳方案之一16。6.3显著节能目前，全世界的轮船采取以下三种措施：球鼻艏、自抛光漆、改进螺旋桨，总节能近2%。如果使用改性纳米金刚石发动机油，则节能的功效是上述三项措施的几倍是完全可能的。6.4提高整机质量为了达到节能环保的要求，各公司不断从汽车的发动机系统上改进设计，但这需要较长的时间和较大的投入。对于汽车而言，使用改性纳米金刚石发动机油可改善整机性能，对于新型的发动机更是好上加好。因可改善排放性，故更易达到欧标准或其它更高标准，这就提高了汽车的档次。此外还可大大缩短磨合时间，成倍延长发动机寿命。6.5应用领域广泛 它不仅可用于汽车的发动机油，亦可用于发电机组的大型柴油机。用于柴油发电机组使油温降低了2.50C。多种类型的发动机平均燃油节油率为11.96%。将油精加入汽车齿轮箱可使空档滑行距离成倍延长。 用纳米金刚石可制作蜗杆油、齿轮油、液压油、高速机械油、导轨油17，对于机车、轮船、工程机械18等均会有类似效益。6.6市场前景据权威报道，2007年我国生产汽车904.3万辆（同比增长22.9%）,润滑油表观消费量为7.689106t（同比增长11.5%）,但同时SL、SJ等高档油的比例迅速提升至1/4以上。采用传统的润滑油添加剂已无多大潜力，而纳米金刚石发动机油是立足于高端的，这迎合了社会发展的需要。我们的发明专利已获国家知识产权局授权19。 参考文献1 侯祥麟.中国炼油技术M.北京：中国石化出版社.2001.472.2梁治齐.润滑剂生产及应用M.北京：化学工业出版社.2000.128172。3李月荣,蔡祝华.内燃机油规格的最新发展及趋势J.润滑油.2002.17（5）：68。4Wang Xiaoli,Xu,Binshi,XuYi et al.Study on Friction and Wear Behavior and mechanism of Nano Cu Additive in Lubrication OilsJ. Tribology.2006,27(3):235239.5Yang Hanmin,Xiang Hui,Liu Haowen et al. Tribological Properties of LaPO4 Nanoparticals on Surface of Aluminum AlloyJ. Lubrication Engineering. 2007.32(8):7476.6 林子光,李修仁,刘维民等.往复运动机构的摩擦过渡J.润滑与密封.2001（3）：2830。7 张书达.超分散金刚石的某些特性J.工业金刚石.2002（5）：2627。8 Zhang Shuda, Liu Meihua , Ji Degang. The singular function of the Ultra Dispersive Diamond in Lubricant OilA . Li Zhihong . 4th Zhengzhou International Super hard Materials & Related Products ConferenceC. Beijing : China Machine Press.2003,405410. 9 Mabuchi Y , Nakagawa A . Nanparticle-containing lubricating Oil compositiong used in internal combustion engine ,contains additive having hgdroxyl group,base oil and nano particleP WO2007088649-A1.2006.10 Polyakov LA,Nikitin E V, Vasitenko V I et al.Antifriction additiveP.RU2225879-C1.2004.11 Zhang Jiaxi,Liu Kun ,Hu xianguo.Effect of Ultra-dispersed diamond nano particles as additive on the tribological propers of 15W/30 engine oil J. Tribology.2002,22(1):4448.12 Zakharov A A,Kuchma E I , Staver A M. Industrial oil for lubricating reducers and various types of transmission devices-contains ultra-disperse graphite-diamond powder and specified fraction of synthetic fatty acids or tall oil acidsp. RU2042711-C1.1996.13Zhang Dong,Hu Xiaogang,Ton