上游充通大粤 走进纳米科学课程论文 论文题目：减轻汽车发动机磨损的两种方法 学生姓名：郑海潮 所在院系：机械与动力工程学院 所在班级：F1202001 学生学号：5120209005 指导老师：程先华 完成时间：2014年7月11日
走进纳米科学课程论文 论文题目： 减轻汽车发动机磨损的两种方法 学生姓名： 郑海潮 所在院系： 机械与动力工程学院 所在班级： F1202001 学生学号： 5120209005 指导老师： 程先华 完成时间： 2014 年 7 月 11 日
应用纳米技术减轻汽车发动机磨损的两种方法 郑海潮（机械与动力工程学院） 摘要：零件磨损是造成发动机故障的主要原因之一。其中汽缸活塞间的磨损 对于发动机性能的影响尤为突出。为了提高发动机运行可靠性，本文分析了汽缸 活塞磨损的主要原因，并在此基础上提出两种用纳米技术解决该问题的方法。 关键词：纳米技术；发动机：磨损；解决方法 1.绪论 发动机零件的耐磨性依赖于发动机的技术级别，即制造发动机应用的材料技 术。对于相同型号技术级别相同的发动机，不同的使用情况也会造成其耐磨性的 差异。那么具体影响发动机气缸活塞的因素是什么呢？找到原因之后，能否通过 运用纳米技术对发动机磨损状况提出一些有效方法？以上是本文重点讨论的问 题。 2.立题依据 2.1汽车发动机工作原理 往复活塞式内燃机所用的燃料主要是 汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽 油和柴油具有不同的性质，因而在发动机 的工作原理和结构上有差异。以广泛应用 的四冲程汽油机为例简单讲解发动机工作 原理。 汽油机是将空气与汽油以一定的比例 混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入 汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能， 图2-1发动机原理 高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活 塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在 进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。 2.2汽车发动机汽缸活塞磨损及其影响 影响发动机运行可靠性的主要零件磨损是汽缸活塞之间的磨损。这是因为机 车运行过程中有大量的功通过活塞传递，活塞运行速度极快，与汽缸间的接触也 十分紧密频繁。发动机磨损不但会造成有用功的减少，还会造成汽缸形态的改变。 气缸磨损至一定的程度，发动机的动力性将显著下降，燃油及润滑剂的消耗急剧 增加，使发动机经济性变坏，主要表现在以下几个方面： 1.机油消耗量异常，消耗率超过0.5L/100KM: 2.排气管冒蓝烟，机油加注口脉动冒烟： 3.燃烧室、火花塞（喷油器）易积碳：
应用纳米技术减轻汽车发动机磨损的两种方法 郑海潮（机械与动力工程学院） 摘要：零件磨损是造成发动机故障的主要原因之一。其中汽缸活塞间的磨损 对于发动机性能的影响尤为突出。为了提高发动机运行可靠性，本文分析了汽缸 活塞磨损的主要原因，并在此基础上提出两种用纳米技术解决该问题的方法。 关键词：纳米技术； 发动机； 磨损； 解决方法 1. 绪论 发动机零件的耐磨性依赖于发动机的技术级别，即制造发动机应用的材料技 术。对于相同型号技术级别相同的发动机，不同的使用情况也会造成其耐磨性的 差异。那么具体影响发动机气缸活塞的因素是什么呢？找到原因之后，能否通过 运用纳米技术对发动机磨损状况提出一些有效方法？以上是本文重点讨论的问 题。 2. 立题依据 2.1 汽车发动机工作原理 往复活塞式内燃机所用的燃料主要是 汽油(gasoline)或柴油(diesel)。由于汽 油和柴油具有不同的性质，因而在发动机 的工作原理和结构上有差异。以广泛应用 的四冲程汽油机为例简单讲解发动机工作 原理。 汽油机是将空气与汽油以一定的比例 混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入 汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能， 高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活 塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在 进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。 2.2 汽车发动机汽缸活塞磨损及其影响 影响发动机运行可靠性的主要零件磨损是汽缸活塞之间的磨损。这是因为机 车运行过程中有大量的功通过活塞传递，活塞运行速度极快，与汽缸间的接触也 十分紧密频繁。发动机磨损不但会造成有用功的减少，还会造成汽缸形态的改变。 气缸磨损至一定的程度，发动机的动力性将显著下降，燃油及润滑剂的消耗急剧 增加，使发动机经济性变坏，主要表现在以下几个方面： 1. 机油消耗量异常，消耗率超过 0.5L/100KM； 2. 排气管冒蓝烟，机油加注口脉动冒烟； 3. 燃烧室、火花塞（喷油器）易积碳； 图 2-1 发动机原理
4.气缸压缩终了压力下降： 5.发动机出现敲缸异响； 6.当重新调整连杆轴承后，会使活塞环与缸壁凸肩相碰而出现异响甚至断 环。 2.3汽车发动机汽缸活塞磨损的主要原因分析 2.3.1表面几何性质对磨损的影响 摩擦表面相互接触时，接触区域的分布情况取决于宏观几何形状，而接触面 积的大小和形状取决于微观几何形状。摩擦副表面接触区域的分布情况、接触面 积的形状和大小，都直接影响表面的破坏形式和磨损进程。 实验表明，一定的摩擦条件（载荷、速度和润滑）相应有一个最佳的工作微观 几何形状。如果初始的微观几何形状越接近工作微观几何形状，就可以使配合副 的初期磨损减少到最小值。因此每一个具体的摩擦条件都相应有一个初期磨损最 小的初始微观几何形状，即最佳的初始微观几何形状。 摩擦表面宏观几何形状偏差对配合副磨损的影响最大。表面宏观几何形状的 圆度，圆柱度以及其它偏差都会恶化摩擦条件，造成金属接触，是擦伤和早期磨 损的根源。宏观几何形状偏差对磨损影响的程度，取决于偏差的绝对值和在表面 分布的特性，如气缸的圆度对气缸活塞组的磨损影响就大于圆柱度，而越靠近上 止点区域的偏差，对气缸的工作可靠性影响就越大。统计数据分析表明，气缸圆 度误差在0-13μm范围内变化，圆度对气缸磨损的影响程度基本没有变化。当圆 度误差大于20μm时，气缸磨损将显著增大。 2.3.2表面物理性质对磨损的影响 零件在机械加工过程中，金属表层一定深度的初始结构受到破坏，产生变形 及冷作硬化。在加工过程中表面层还会与周围介质（空气、润滑冷却液等）互相作 用，发生化学变化。这样，金属表层在加工过程中所受到的机械作用和化学作用 将改变表层的应力状态和金相结构，从而影响摩擦表面的初期磨损性质和磨损的 大小。 金属表层的变形和化学反应，就使表面显微硬度产生相应的变化。如气缸表 面的显微硬度在摩擦过程中，由于运行条件的变化而改变，其变化值相差很大。 表1为气缸表面显微硬度值随摩擦条件的变化情况。由表中可知，由于汽缸 的摩擦条件不同，表面显微硬度值的变化反映了气缸的磨损形式的转变和磨损过 程。 表1气缸表面显微硬度(Hv)的变化 距气缸体上平面的距离(mm) 发动机工作条件 5 14 45 新发动机（即初始值） 312~449 421~449 421-449 发动机磨合后 516-702 280-555 647-917 高温重载60h台架试验 555~12481298-1797481-702 利用石英灰24h台架试验 555~1120253-350 229-280 市内公共汽车运行 559~835 399-555 331-590 150000km 城市间货运150000km 371~917555~764295-449
4. 气缸压缩终了压力下降； 5. 发动机出现敲缸异响； 6. 当重新调整连杆轴承后，会使活塞环与缸壁凸肩相碰而出现异响甚至断 环。 2.3 汽车发动机汽缸活塞磨损的主要原因分析 2.3.1 表面几何性质对磨损的影响 摩擦表面相互接触时，接触区域的分布情况取决于宏观几何形状，而接触面 积的大小和形状取决于微观几何形状。摩擦副表面接触区域的分布情况、接触面 积的形状和大小，都直接影响表面的破坏形式和磨损进程。 实验表明，一定的摩擦条件(载荷、速度和润滑)相应有一个最佳的工作微观 几何形状。如果初始的微观几何形状越接近工作微观几何形状，就可以使配合副 的初期磨损减少到最小值。因此每一个具体的摩擦条件都相应有一个初期磨损最 小的初始微观几何形状，即最佳的初始微观几何形状。 摩擦表面宏观几何形状偏差对配合副磨损的影响最大。表面宏观几何形状的 圆度，圆柱度以及其它偏差都会恶化摩擦条件，造成金属接触，是擦伤和早期磨 损的根源。宏观几何形状偏差对磨损影响的程度，取决于偏差的绝对值和在表面 分布的特性，如气缸的圆度对气缸活塞组的磨损影响就大于圆柱度，而越靠近上 止点区域的偏差，对气缸的工作可靠性影响就越大。统计数据分析表明，气缸圆 度误差在 0-13μm 范围内变化，圆度对气缸磨损的影响程度基本没有变化。当圆 度误差大于 20μm 时，气缸磨损将显著增大。 2.3.2 表面物理性质对磨损的影响 零件在机械加工过程中，金属表层一定深度的初始结构受到破坏，产生变形 及冷作硬化。在加工过程中表面层还会与周围介质(空气、润滑冷却液等)互相作 用，发生化学变化。这样，金属表层在加工过程中所受到的机械作用和化学作用 将改变表层的应力状态和金相结构，从而影响摩擦表面的初期磨损性质和磨损的 大小。 金属表层的变形和化学反应，就使表面显微硬度产生相应的变化。如气缸表 面的显微硬度在摩擦过程中，由于运行条件的变化而改变，其变化值相差很大。 表 1 为气缸表面显微硬度值随摩擦条件的变化情况。由表中可知，由于汽缸 的摩擦条件不同，表面显微硬度值的变化反映了气缸的磨损形式的转变和磨损过 程
环上止点区域（即气缸磨损最大的部位），显微硬度变化最剧烈，这不仅是由 于载荷、温度的影响，而且还受其它因素的影响。显微硬度急剧的变化表明磨损 进程的复杂性。距缸体上平面5mm处的气缸表面（非摩擦区）的显微硬度高于初始 值，主要是由于在燃烧过程的高温高压作用下产生了相变。 摩擦过程中，金属表面由于产生塑性变形，发生冷作硬化，提高了表面显微 硬度，表面抗磨能力是否因此提高，就取决于表面强化层与基体金属材料的联结 强度。若表面强化层与基体材料牢固地联结在一起，这样表面层抵抗破坏能力就 提高；反之，在摩擦过程中产生的冷作硬化就会加剧摩擦表面的磨损。 从提高摩擦表面的抗渗入，抗磨料作用的观点考虑，摩擦表面的硬度高一些 有利。因此，常用机械加工方法强化零件表面，以提高其耐磨性。如有的曲轴轴 颈就采用表面强化来提高耐磨性和疲劳强度。但是，不能说摩擦表面的显微硬度 总是高一些好，甚至说越高越好，这取决于摩擦条件。表面显微硬度高，在某些 摩擦条件下能提高耐磨性。 2.3.3燃料质量对发动机汽缸活塞磨损的影响 汽车发动机的燃料、润滑油的质量直接影响发动机的经济性、可靠性和起动 性能，从而影响发动机零件的磨损。 汽车发动机燃料质量指标是：组成成份、辛烷值或十六烷值和含硫量。汽油 的馏出温度反映了组成成份，它是评价蒸发性的主要参数。馏出温度是指汽油被 馏出一定数量时的温度，通常以初馏点10%馏出点(t10),50%馏出温度(t50), 90%馏出温度(t90)和干点等几个温度表示。馏出温度低，汽油的蒸发就好。汽油 蒸发性差，就使发动机起动因难，增大燃油消耗量，增加发动机起动磨损，汽油 蒸发性过强，影响燃油的正常供给，甚至使发动机熄火停车。对一定结构的发动 机来说，汽车干点数值越高，残余馏分比重越大，就会有一定数量的汽油以液体 薄膜的形式进人气缸，凝结在缸壁上，破坏了润滑油膜，落人曲轴箱就会稀释润 滑油，这些都会增加发动机的磨损。 汽油的辛烷值和柴油的十六烷都要适合发动机的要求，以免引起发动机工作 过程发生爆燃或工作粗暴，从而增加发动机的磨损。 燃油中的腐蚀物质和机械杂质对发动机的磨损有明显影响。燃油中含有水分、 硫及硫化物都会引起腐蚀磨损的增大，而机械杂质会使气缸活塞组零件发生磨料 磨损，同时还会增加化油器量孔、加速泵等零件的磨损，也会增加柴油机的喷油 泵柱塞副、喷油嘴针阀的磨损，恶化发动机工作。 2.3.3润滑油质量对发动机汽缸活塞磨损的影响 发动机气缸壁的润滑是通过曲轴一一连杆一一活塞一一活塞环来润滑的。就 是机油泵把机油压入联通曲轴、连杆、活塞的润滑道，最后机油在活塞表面流出 来润滑气缸壁，活塞上有一道油环专门回首气缸壁上的机油使机油再流回机油箱 (防止机油流入燃烧室燃烧)。 润滑油的粘度要恰当，粘度过高或过低都会增大发动机零件的磨损。由于发 动机的工况是变化的，大部分时间是以不稳定工况工作，因此要求润滑油粘度能 适应发动机不稳定工况的变化，即要求润滑油粘度基本上不随发动机工作温度变 化，具有良好的粘温特性。 发动机中的润滑油在工作过程中受高温高压作用，还与空气、燃料的凝聚物 和不完全燃烧的产物，凝聚的水蒸汽，以及进人发动机的灰尘接触，还与零件的 金属表面及磨损产物接触，并与这些外来物质相互作用，从而使润滑油的物理化 学性质不断发生变化。因此，润滑油的工作过程也是润滑油损耗老化过程。在这
环上止点区域(即气缸磨损最大的部位)，显微硬度变化最剧烈，这不仅是由 于载荷、温度的影响，而且还受其它因素的影响。显微硬度急剧的变化表明磨损 进程的复杂性。距缸体上平面 5mm 处的气缸表面(非摩擦区)的显微硬度高于初始 值，主要是由于在燃烧过程的高温高压作用下产生了相变。 摩擦过程中，金属表面由于产生塑性变形，发生冷作硬化，提高了表面显微 硬度，表面抗磨能力是否因此提高，就取决于表面强化层与基体金属材料的联结 强度。若表面强化层与基体材料牢固地联结在一起，这样表面层抵抗破坏能力就 提高;反之，在摩擦过程中产生的冷作硬化就会加剧摩擦表面的磨损。 从提高摩擦表面的抗渗入，抗磨料作用的观点考虑，摩擦表面的硬度高一些 有利。因此，常用机械加工方法强化零件表面，以提高其耐磨性。如有的曲轴轴 颈就采用表面强化来提高耐磨性和疲劳强度。但是，不能说摩擦表面的显微硬度 总是高一些好，甚至说越高越好，这取决于摩擦条件。表面显微硬度高，在某些 摩擦条件下能提高耐磨性。 2.3.3 燃料质量对发动机汽缸活塞磨损的影响 汽车发动机的燃料、润滑油的质量直接影响发动机的经济性、可靠性和起动 性能，从而影响发动机零件的磨损。 汽车发动机燃料质量指标是:组成成份、辛烷值或十六烷值和含硫量。汽油 的馏出温度反映了组成成份，它是评价蒸发性的主要参数。馏出温度是指汽油被 馏出一定数量时的温度，通常以初馏点 10%馏出点(t10), 50%馏出温度(t50), 90%馏出温度(t90)和干点等几个温度表示。馏出温度低，汽油的蒸发就好。汽油 蒸发性差，就使发动机起动因难，增大燃油消耗量，增加发动机起动磨损，汽油 蒸发性过强，影响燃油的正常供给，甚至使发动机熄火停车。对一定结构的发动 机来说，汽车干点数值越高，残余馏分比重越大，就会有一定数量的汽油以液体 薄膜的形式进人气缸，凝结在缸壁上，破坏了润滑油膜，落人曲轴箱就会稀释润 滑油，这些都会增加发动机的磨损。 汽油的辛烷值和柴油的十六烷都要适合发动机的要求，以免引起发动机工作 过程发生爆燃或工作粗暴，从而增加发动机的磨损。 燃油中的腐蚀物质和机械杂质对发动机的磨损有明显影响。燃油中含有水分、 硫及硫化物都会引起腐蚀磨损的增大，而机械杂质会使气缸活塞组零件发生磨料 磨损，同时还会增加化油器量孔、加速泵等零件的磨损，也会增加柴油机的喷油 泵柱塞副、喷油嘴针阀的磨损，恶化发动机工作。 2.3.3 润滑油质量对发动机汽缸活塞磨损的影响 发动机气缸壁的润滑是通过曲轴－－连杆－－活塞－－活塞环来润滑的。就 是机油泵把机油压入联通曲轴、连杆、活塞的润滑道，最后机油在活塞表面流出 来润滑气缸壁，活塞上有一道油环专门回首气缸壁上的机油使机油再流回机油箱 （防止机油流入燃烧室燃烧）。 润滑油的粘度要恰当，粘度过高或过低都会增大发动机零件的磨损。由于发 动机的工况是变化的，大部分时间是以不稳定工况工作，因此要求润滑油粘度能 适应发动机不稳定工况的变化，即要求润滑油粘度基本上不随发动机工作温度变 化，具有良好的粘温特性。 发动机中的润滑油在工作过程中受高温高压作用，还与空气、燃料的凝聚物 和不完全燃烧的产物，凝聚的水蒸汽，以及进人发动机的灰尘接触，还与零件的 金属表面及磨损产物接触，并与这些外来物质相互作用，从而使润滑油的物理化 学性质不断发生变化。因此，润滑油的工作过程也是润滑油损耗老化过程。在这
个过程中一部分润滑油将被烧掉，润滑油粘度会逐渐改变，在发动机零件上形成 沉积物，以及在润滑油中聚集各种污垢物。润滑油中的污垢积沉物会破坏润滑油 在润滑系中的正常循环，使高温表面的散热情况恶化，增加了气缸组零件的热负 荷，降低活塞的活动性，这样又会促使润滑油加速老化，破坏发动机正常工作， 增大发动机零件的磨损，最后导致整个发动机全部或部分的丧失工作能力。为了 保证发动机正常工作，就必须定期、及时地更换已老化的润滑油。 混在润滑油中的无机污垢物（如道路灰尘或磨损产物）会随润滑油循环起多 次磨料作用，加速零件的磨损。若随润滑油进人气缸的磨粒数量足以使磨损成为 主要磨损形式时，就会改变气缸轴向磨损特性，使气缸中部的磨损加剧。 研究表明，润滑油中的有机杂质（如碳化物，胶质和沥青等）对发动机零件磨 损的影响，取决于有机杂质的数量和分散度，以及润滑油的清洁性和分散性。当 润滑油的清洁分散性不好时，有机污垢杂质就会堵塞滤清器和管路，恶化零件的 热工况，使活塞环结胶，从而加快了零件的磨损，降低发动机工作可靠性。当有 机杂质在润滑油中高度分散及其尺寸很小时（约1μm),有机杂质不但不损坏润 滑油的减磨能力，而且还起着类似石墨胶体的作用，能将摩擦表面分隔开，从而 降低零件的磨损。这是由于有机杂质在沥青胶质的极性作用下，吸附在无机微粒 的周围，形成一个有机的外套，防止无机的磨料微粒直接与摩擦表面接触，减少 了零件的磨损。润滑油中类似胶质的高度分散的碳黑微粒，覆盖在摩擦表面上， 特别是在边界摩擦条件下，由于炭黑微粒尺寸超过了摩擦表面的平面度，就起到 了缓冲作用，并防止摩擦表面直接接触，减少了零件的磨损。试验表明，发动机 气缸活塞组零件的磨损速度与润滑油有机杂质和无机杂质的比值有一定关系。当 润滑油中的无机杂质完全被吸附在它周围的有机杂质所覆盖时，磨损速度基本不 变。但是，润滑油中的有机杂质总数超过2.1%，或沥青超过0.15%磨损性能就不 再增加。随着润滑油老化变质，润滑油中磨料微粒的不断增多，碳微粒尺寸也会 逐渐增大，而以高度分散为前提的碳微粒保护作用就降低，零件磨损将增大。 因此，为改善润滑油减磨性能，滤清器应允许润滑油中存在高度分散的碳微 粒而只将多余的碳粒等有机杂质滤去，并能最大限度地滤除润滑油中的无机杂 质，以使污垢杂质具有最佳的组成比。 2.4用纳米技术减少发动机磨损的方法 2.4.1用纳米材料制备活塞表面 根据造成气缸活塞磨损的主要影响因素分析，活塞表面几何性质和物理性 质对于摩擦的影响极大。寻找合适的纳米材料修饰活塞表面能使其各种成分比例 保持一个最为合适的比例条件，提高活塞的抗磨性。从而使发动机活塞的几何形 状和物理性质从一开始就与气缸达到良好的使用状态，减少磨合时间和不必要的 磨损。 2.4.2在燃油及润滑油中加入纳米添加剂 汽油的辛烷值和柴油的十六烷都要适合发动机的要求，以免引起发动机工作 过程发生爆燃或工作粗暴，从而增加发动机的磨损。燃油中的腐蚀物质和机械杂 质对发动机的磨损有明显影响，燃油中含有水分、硫及硫化物都会引起腐蚀磨损 的增大。寻找合适的纳米材料添加剂，使其能够调节汽油辛烷值，并减少水分、 硫等腐蚀性物质对发动机的腐蚀性。 润滑油中磨粒的大小成分比例对于润滑效果都至关重要，不容疏忽，纳米材 料的几种特性使其能够有效调节润滑油成分，应该能够起到很好效果
个过程中一部分润滑油将被烧掉，润滑油粘度会逐渐改变，在发动机零件上形成 沉积物，以及在润滑油中聚集各种污垢物。润滑油中的污垢积沉物会破坏润滑油 在润滑系中的正常循环，使高温表面的散热情况恶化，增加了气缸组零件的热负 荷，降低活塞的活动性，这样又会促使润滑油加速老化，破坏发动机正常工作， 增大发动机零件的磨损，最后导致整个发动机全部或部分的丧失工作能力。为了 保证发动机正常工作，就必须定期、及时地更换已老化的润滑油。 混在润滑油中的无机污垢物(如道路灰尘或磨损产物)会随润滑油循环起多 次磨料作用，加速零件的磨损。若随润滑油进人气缸的磨粒数量足以使磨损成为 主要磨损形式时，就会改变气缸轴向磨损特性，使气缸中部的磨损加剧。 研究表明，润滑油中的有机杂质(如碳化物，胶质和沥青等)对发动机零件磨 损的影响，取决于有机杂质的数量和分散度，以及润滑油的清洁性和分散性。当 润滑油的清洁分散性不好时，有机污垢杂质就会堵塞滤清器和管路，恶化零件的 热工况，使活塞环结胶，从而加快了零件的磨损，降低发动机工作可靠性。当有 机杂质在润滑油中高度分散及其尺寸很小时(约 1μm)，有机杂质不但不损坏润 滑油的减磨能力，而且还起着类似石墨胶体的作用，能将摩擦表面分隔开，从而 降低零件的磨损。这是由于有机杂质在沥青胶质的极性作用下，吸附在无机微粒 的周围，形成一个有机的外套，防止无机的磨料微粒直接与摩擦表面接触，减少 了零件的磨损。润滑油中类似胶质的高度分散的碳黑微粒，覆盖在摩擦表面上， 特别是在边界摩擦条件下，由于炭黑微粒尺寸超过了摩擦表面的平面度，就起到 了缓冲作用，并防止摩擦表面直接接触，减少了零件的磨损。试验表明，发动机 气缸活塞组零件的磨损速度与润滑油有机杂质和无机杂质的比值有一定关系。当 润滑油中的无机杂质完全被吸附在它周围的有机杂质所覆盖时，磨损速度基本不 变。但是，润滑油中的有机杂质总数超过 2.1%，或沥青超过 0.15%磨损性能就不 再增加。随着润滑油老化变质，润滑油中磨料微粒的不断增多，碳微粒尺寸也会 逐渐增大，而以高度分散为前提的碳微粒保护作用就降低，零件磨损将增大。 因此，为改善润滑油减磨性能，滤清器应允许润滑油中存在高度分散的碳微 粒而只将多余的碳粒等有机杂质滤去，并能最大限度地滤除润滑油中的无机杂 质，以使污垢杂质具有最佳的组成比。 2.4 用纳米技术减少发动机磨损的方法 2.4.1 用纳米材料制备活塞表面 根据造成气缸活塞磨损的主要影响因素分析，活塞表面几何性质和物理性 质对于摩擦的影响极大。寻找合适的纳米材料修饰活塞表面能使其各种成分比例 保持一个最为合适的比例条件，提高活塞的抗磨性。从而使发动机活塞的几何形 状和物理性质从一开始就与气缸达到良好的使用状态，减少磨合时间和不必要的 磨损。 2.4.2 在燃油及润滑油中加入纳米添加剂 汽油的辛烷值和柴油的十六烷都要适合发动机的要求，以免引起发动机工作 过程发生爆燃或工作粗暴，从而增加发动机的磨损。燃油中的腐蚀物质和机械杂 质对发动机的磨损有明显影响，燃油中含有水分、硫及硫化物都会引起腐蚀磨损 的增大。寻找合适的纳米材料添加剂，使其能够调节汽油辛烷值，并减少水分、 硫等腐蚀性物质对发动机的腐蚀性。 润滑油中磨粒的大小成分比例对于润滑效果都至关重要，不容疏忽，纳米材 料的几种特性使其能够有效调节润滑油成分，应该能够起到很好效果
3.可行性分析 3.1纳米材料的特性 3.1.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所 引起的性质上的变化。 3.1.2小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、 透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、 光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。 3.1.3量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分 立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚 能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能 变化。 3.1.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧 道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观 量子隧道效应。 3.2用纳米材料制备活塞表面的可行性分析 3.2.1现有的研究结果 有研究人员在某125cc摩托车发动机铝合金活塞（以下简称普通活塞）中加 入多种纳米级、具有热收缩性、能重组铝合金结构、提高铝合金硬度和强度、降 低磨损、杜绝咬合的贵金属元素，经过特殊的热处理，使普通铝合金活塞的金相 组织结构发生转变（如图1所示），制成具有纳米材料独特性能的铝合金复合陶瓷 活塞。在与普通活塞进行的耐久性和普通性能的对比实验中，这种纳米活塞表现 出了极为优良的特点，并得出以下结论：基于纳米技术的发动机性能实验研究表 明，与配装普通活塞发动机相比，配装纳米活塞发动机呈现出新的性能特点：不 仅可以实现发动机在“微配缸间隙”和更恶劣润滑条件下的正常运转，而且可以 使发动机及其摩托车动力、经济性和排放等常规性能耐磨性能和抗拉缸极限性能 得到一定程度的提升。 3.2.2纳米粉末在发动机活塞上的应用 正如科学家将纳米级陶瓷粉末加入到传统陶瓷中制成具有或高强度或高硬 度或耐高温的纳米陶瓷材料一样，我们一样可以制备纳米级金属粉末及非金属粉 末加入到发动机活塞表面，用以减少磨损，改善发动机性能。 在发动机活塞和汽缸摩擦过程中，金属表面由于产生塑性变形，发生冷作硬 化，提高了表面显微硬度，表面抗磨能力是否因此提高，就取决于表面强化层与 基体金属材料的联结强度。若表面强化层与基体材料牢固地联结在一起，这样表 面层抵抗破坏能力就提高。因而我们可以在发动机表面加入一些耐高温纳米氧化 铝作为表面强化层和基体材料的粘结剂，同时选择其他高硬度材料比如纳米级二 氧化硅粉末提高表面耐磨性，再加入铝等金属粉末提高韧性。通过实验对比最终 可以实现最好的成分配比
3.可行性分析 3.1 纳米材料的特性 3.1.1 表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所 引起的性质上的变化。 3.1.2 小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、 透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、 光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。 3.1.3 量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分 立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚 能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能 变化。 3.1.4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧 道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观 量子隧道效应。 3.2 用纳米材料制备活塞表面的可行性分析 3.2.1 现有的研究结果 有研究人员在某 125cc 摩托车发动机铝合金活塞(以下简称普通活塞)中加 入多种纳米级、具有热收缩性、能重组铝合金结构、提高铝合金硬度和强度、降 低磨损、杜绝咬合的贵金属元素，经过特殊的热处理，使普通铝合金活塞的金相 组织结构发生转变(如图 1 所示)，制成具有纳米材料独特性能的铝合金复合陶瓷 活塞。在与普通活塞进行的耐久性和普通性能的对比实验中，这种纳米活塞表现 出了极为优良的特点，并得出以下结论：基于纳米技术的发动机性能实验研究表 明，与配装普通活塞发动机相比，配装纳米活塞发动机呈现出新的性能特点:不 仅可以实现发动机在“微配缸间隙”和更恶劣润滑条件下的正常运转，而且可以 使发动机及其摩托车动力、经济性和排放等常规性能耐磨性能和抗拉缸极限性能 得到一定程度的提升。 3.2.2 纳米粉末在发动机活塞上的应用 正如科学家将纳米级陶瓷粉末加入到传统陶瓷中制成具有或高强度或高硬 度或耐高温的纳米陶瓷材料一样，我们一样可以制备纳米级金属粉末及非金属粉 末加入到发动机活塞表面，用以减少磨损，改善发动机性能。 在发动机活塞和汽缸摩擦过程中，金属表面由于产生塑性变形，发生冷作硬 化，提高了表面显微硬度，表面抗磨能力是否因此提高，就取决于表面强化层与 基体金属材料的联结强度。若表面强化层与基体材料牢固地联结在一起，这样表 面层抵抗破坏能力就提高。因而我们可以在发动机表面加入一些耐高温纳米氧化 铝作为表面强化层和基体材料的粘结剂，同时选择其他高硬度材料比如纳米级二 氧化硅粉末提高表面耐磨性，再加入铝等金属粉末提高韧性。通过实验对比最终 可以实现最好的成分配比
3.3在燃油及润滑油中加入纳米添加剂的可行性分析 3.3.1现有的研究成果 现在市面上较为流行的纳米燃油添加剂主要是亚历山纳米燃油添加剂。亚历 山纳米燃油添加剂是利用最新的液相纳米材料技术和先进的生产工艺，研制生产 出的全新概念的第四代燃油添加剂。使用亚历山纳米燃油添加剂优点：提高抗爆 性能，降低发动机对辛烷值的需求：提高动力性能：节约燃油；降低排污：改善 车辆性能。添加剂使用范围非常广泛，对于轿车、货车、公共汽车、拖拉机、摩 托车，火车以及船舶、飞机、燃油锅炉，发电机等均可应用。 润滑油添加剂方面，纳米润滑油是在原子、分子尺度研究相对转动界面上的 摩擦磨损与润滑行为，而揭示微观摩擦磨损机理，设计与制备出纳米尺度上的润 滑剂及摩耐磨材料的学科。它是随着纳米科学与技术的发展而派出来的，是90 年代以来摩擦学研究领域最活跃的，也是材料科学与摩擦学交叉领域最前沿的内 容。目前采用的表面修饰剂主要有：二烷基二硫代磷酸(DDP)、烷基磷酸醋、硬 脂酸、油酸、EHA、含N有机化合物等。 3.3.2在润滑油中加入纳米添加剂 锡、铟、铋及其合金的熔点都低于300℃，许多有机溶剂的沸点都高于这一 温度，并能长时间保持稳定，因此便于找到合适的反应介质。直接分散法制备锡、 铟和秘纳米微粒及其摩擦学性能纳米微粒由于具有特殊的物理化学性能和较小 的粒子尺寸在摩擦领域中倍受关注，而将纳米微粒用作润滑油添加剂是润滑领 域中的一个研究热点。研究表明纳米微粒由于自身组成和结构上的特点，具有不 同于传统有机润滑添加剂的润滑特性。具体表现在以下三个方面：(1)纳米微粒 多为球形，它们在摩擦对偶面间可能起一种类似“球轴承”的作用，从而有效提 高润滑油的摩擦学性能：(2)在重载荷和高温下，摩擦对偶面间的纳米微粒可能 被压平，形成一个滑动系，从而降低摩擦和磨损：(3)纳米微粒可以填充在工件 表面的微坑和损伤部位，有可能实现摩擦表面的原位修复。金属纳米微粒润滑剂 兼有纳米微粒上述三种机制的联合作用，被认为最有可能成为新一代的润滑添加 剂。 另外，润滑油中的有机杂质（如碳化物，胶质和沥青等）对发动机零件磨损 的影响，取决于有机杂质的数量和分散度，以及润滑油的清洁性和分散性。所以 润滑油中的有机质也应该通过纳米技术调节，提高其分散度，稳定其成分。 4.结语 通过以上分析，运用纳米技术和材料实现发动机气缸活塞磨损的减轻有很 大发展前景。为了创造更大的价值，实现纳米技术产业化，国家和科研工作者都 要投入更多
3.3 在燃油及润滑油中加入纳米添加剂的可行性分析 3.3.1 现有的研究成果 现在市面上较为流行的纳米燃油添加剂主要是亚历山纳米燃油添加剂。亚历 山纳米燃油添加剂是利用最新的液相纳米材料技术和先进的生产工艺，研制生产 出的全新概念的第四代燃油添加剂。使用亚历山纳米燃油添加剂优点：提高抗爆 性能，降低发动机对辛烷值的需求；提高动力性能；节约燃油；降低排污；改善 车辆性能。添加剂使用范围非常广泛，对于轿车、货车、公共汽车、拖拉机、摩 托车，火车以及船舶、飞机、燃油锅炉，发电机等均可应用。 润滑油添加剂方面，纳米润滑油是在原子、分子尺度研究相对转动界面上的 摩擦磨损与润滑行为，而揭示微观摩擦磨损机理，设计与制备出纳米尺度上的润 滑剂及摩耐磨材料的学科。它是随着纳米科学与技术的发展而派出来的，是 90 年代以来摩擦学研究领域最活跃的，也是材料科学与摩擦学交叉领域最前沿的内 容。目前采用的表面修饰剂主要有： 二烷基二硫代磷酸(DDP)、烷基磷酸醋、硬 脂酸、油酸、EHA、含 N 有机化合物等。 3.3.2 在润滑油中加入纳米添加剂 锡、铟、铋及其合金的熔点都低于 300℃，许多有机溶剂的沸点都高于这一 温度，并能长时间保持稳定，因此便于找到合适的反应介质。直接分散法制备锡、 铟和铋纳米微粒及其摩擦学性能纳米微粒由于具有特殊的物理化学性能和较小 的粒子尺寸在摩擦领域中倍受关注, 而将纳米微粒用作润滑油添加剂是润滑领 域中的一个研究热点。研究表明纳米微粒由于自身组成和结构上的特点，具有不 同于传统有机润滑添加剂的润滑特性。具体表现在以下三个方面：（1）纳米微粒 多为球形，它们在摩擦对偶面间可能起一种类似“球轴承”的作用，从而有效提 高润滑油的摩擦学性能；（2）在重载荷和高温下，摩擦对偶面间的纳米微粒可能 被压平，形成一个滑动系，从而降低摩擦和磨损；(3) 纳米微粒可以填充在工件 表面的微坑和损伤部位，有可能实现摩擦表面的原位修复。金属纳米微粒润滑剂 兼有纳米微粒上述三种机制的联合作用，被认为最有可能成为新一代的润滑添加 剂。 另外，润滑油中的有机杂质(如碳化物，胶质和沥青等)对发动机零件磨损 的影响，取决于有机杂质的数量和分散度，以及润滑油的清洁性和分散性。所以 润滑油中的有机质也应该通过纳米技术调节，提高其分散度，稳定其成分。 4.结语 通过以上分析，运用纳米技术和材料实现发动机气缸活塞磨损的减轻有很 大发展前景。为了创造更大的价值，实现纳米技术产业化，国家和科研工作者都 要投入更多
5.参考文献 [1]张家玺，发动机活塞环组摩擦润滑状态分析车用发动机[J],1996(⑤)，25-310 [2]桂长林，马争，内燃机缸套表面形貌摩擦学设计探讨(J),润滑与密封，1989（⑤），3-8. [3]葛中民，耐磨损设计仁[M们，北京：机械工业出版社，1991. [4]严立余，余宪海，内燃机磨损及可靠性技术[M,北京：人民交通出版社，1992. [5]黄文轩，韩长宇，润滑油与燃料添加剂手册]，北京：中国石化出版社，1994 [6]左洪福编著，发动机磨损状态监测与故障诊断技术，北京：航空工业出版社，1995. [7]黄智勇，纳米技术在液体火箭发动机上的应用[A],火箭推进，2004(5)，36-39
5.参考文献 [1]张家玺，发动机活塞环组摩擦润滑状态分析车用发动机[J]，1996 (5)，25-310 [2]桂长林，马争，内燃机缸套表面形貌摩擦学设计探讨〔J〕，润滑与密封，1989 (5),3-8. [3]葛中民，耐磨损设计仁[M]，北京:机械工业出版社，1991. [4]严立余，余宪海，内燃机磨损及可靠性技术[M]，北京:人民交通出版社，1992. [5]黄文轩，韩长宇，润滑油与燃料添加剂手册[M]，北京:中国石化出版社，1994. [6]左洪福编著,发动机磨损状态监测与故障诊断技术,北京:航空工业出版社,1995. [7]黄智勇，纳米技术在液体火箭发动机上的应用[A],火箭推进，2004（5），36-39
