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《中南大学》 2010年
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纳米WS_2环保节能发动机润滑油的研制及其性能研究

石琛  
【摘要】:随着石油资源的日益紧缺和石油价格的持续高涨以及世界各地日趋严格的排放与节能法规的出台,节能减排已经成为汽车工业关注的热点。本研究结合纳米摩擦学开发纳米WS:环保节能发动机润滑油,适应目前社会发展的需要,对全国资源节约型和环境友好型社会建设具有重要意义。 本文首先在通过钨硫直接反应法制备出微米WS2颗粒的基础上,采用强超声/螺旋搅拌球磨多能场复合细化法成功制备出平均激光衍射粒度为95nm的片状纳米WS2颗粒,通过与微米WS2颗粒的性能对比分析发现,纳米WS2颗粒具有更加优良的金属表面吸附特性、分散稳定性、润滑性能和较佳的热稳定性(空气气氛下)。而机理分析初步表明,强超声/螺旋搅拌球磨复合细化法主要通过冲击粉碎作用,辅以摩擦剪切粉碎作用和强超声产生的大量·OH对颗粒细化的促进作用来达到超细化WS2粉末的目的。 针对润滑油中纳米WS:颗粒易自发团聚的特点,在强超声/球磨搅拌复合作用下采用修饰剂SA对纳米WS2颗粒进行表面修饰处理,发现该方法修饰后的纳米WS2颗粒在PA06、菜籽油和PriEco3004三种环保型基础油中的分散稳定性均最佳,并且当润滑油中纳米WS2颗粒的质量添加量为2%时,SA的最佳用量为0.5%。机理分析表明,强超声/球磨搅拌的复合作用起到对纳米WS:团聚体的解团聚作用,并使解聚后的纳米WS2颗粒表面活性增强,造成颗粒表面的羟基(-OH)与油液中表面修饰剂SA的羧基(-COOH)发生类似于醇与酸的酯化反应,从而使得纳米颗粒表面特性由亲水疏油转变为亲油疏水,经表面修饰后的纳米WS2颗粒表面的长碳链形成的空间位阻层和润滑油分子形成的溶剂化层共同防止了纳米颗粒的碰撞团聚,最终使得解聚后的纳米WS2颗粒长期稳定分散于润滑油介质中。 通过系列四球摩擦对比实验发现,在基础油PA06、菜籽油中添加2%的纳米WS2颗粒对基础油在常温、高温、低载、高载、低速、高速等工况下润滑性能的改善最显著,且纳米WS2颗粒的改善效果优于纳米MoS2和纳米石墨。此外,纳米WS2颗粒与T462A、T202、T323和T451A等几种常用于发动机润滑油的极压抗磨添加剂在PA06和菜籽油中的配伍性良好,尤其分别与T462A、T202复配时具有增效作用。 在自制发动机模拟实验台架和真实汽车上进行了纳米WS2颗粒的发动机应用实验,结果经发动机模拟台架实验发现,纳米WS2能减少发动机活塞环磨损量27.6%,能降低发动机油耗13%-28%,能使发动机排放尾气中HC、CO、NOx等有害气体的含量分别降低18.6%-37.6%、7.7%14.3%、8.8%-19.7%;而通过行车实验发现,纳米WS2能提高传统发动机润滑油的使用寿命1.5倍,并能有效降低发动机的燃油消耗,最大节油率可达到38.50%,最小节油率也有16.39%,平均节油率为20.26%,表现出优良的节能减排特性。 本文在四球摩擦实验机、AW-3型抗磨试验机和发动机模拟实验台架上进一步考察了纳米WS2颗粒的自修复特性,结果表明,PA06和菜籽油中纳米WS2颗粒在常温、100℃和200℃下均能对摩擦副表面的微损伤、微裂纹实现在线原位动态自修复,但在低载下修复效果不明显;此外,纳米WS2颗粒能减少磨粒磨损表面和粘着磨损表面的表面粗糙度,使表面平整,避免磨损加剧,能改善活塞环磨损表面的形貌,使其平整,能减小发动机内部的磨损烈度指数,使发动机内部的磨损严重程度降低,这表明纳米WS2颗粒还能对已存在的磨损表面实现良好的自修复作用。 为研究环保型润滑油中纳米WS2颗粒的作用机理,对摩擦表面进行了XPS分析、EDS分析和氩离子溅射深度剖析,结果表明,环保型润滑油中纳米WS2颗粒的润滑过程可分为流体润滑阶段和混合润滑阶段,前一阶段主要通过纳米WS2颗粒增加流体润滑油膜厚度来改善润滑,且摩擦过程中,纳米WS2颗粒会逐渐沉积于摩擦表面;后一阶段初期摩擦主要发生在纳米WS2沉积膜内部,在摩擦剪切力的作用下沉积膜中的纳米WS2颗粒发生择优取向分布,从而使得沉积膜的减摩性能得到提高,后期由于摩擦表面温度的升高,沉积的纳米WS2颗粒重新被活化,并随摩擦在表面由富集区(如磨粒磨损表面的犁沟区和粘着磨损表面的凹坑区)向四周转移,在摩擦表面微区高温高压的作用下与金属微凸体作用生成具有低摩擦系数的纳米FeS和纳米FeS04,纳米FeS和纳米FeSO4继而受摩擦剪切作用在摩擦表面滑移铺展,最终将磨损表面修复平整,并在表层形成由纳米W03、纳米FeS、纳米FeS04及纳米WS2组成的致密极压抗磨修复层,该修复层不仅阻止了摩擦表面之间的直接接触,而且拥有很高的承载能力,使得由剪切应力引起的弹性变形和塑性变形局限于修复层,因而有效地抑制了摩擦表面的粘着磨损和接触疲劳,起到保护摩擦表面的作用。此外,发动机缸压分析实验表明,在发动机中纳米WS2颗粒于汽缸-活塞环处密封面形成的自修复层,改善了密封性,提高了缸压,进而保证了更加有效的燃料燃烧,使得燃油消耗和HC、CO、NOx等有害气体的排放降低。 最后,本文选用精炼菜籽油、多元醇酯PriEco3004、聚α烯烃PA06和高压加氢150BS光亮油按比例调配后加入粘度指数改进剂T618、降凝剂LZL803B和抗氧剂L01、L115后获得综合性能优良的环保型基础油,然后加入纳米WS2颗粒和表面修饰剂SA,经分散处理后配以其它功能添加剂制备出达到15W/40级别油品粘度要求且使用性能与SL级发动机润滑油相当的纳米WS:发动机润滑油,其可生物降解性良好,并且与国内外知名节能型发动机油的对比发现,纳米WS:环保节能发动机润滑油无论是润滑性能还是节能减排性能均更加优良。
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