优能120纳米冷却液对油-电混动车运行热效率的影响

罗逸，徐长明，何延，辛莎，田力

(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

通过改进设计提高内燃机的热效率已经变得相当困难，因为通过一百多年的发展人们对它的研究已接近极致，并且研发费用高昂。通过改换冷却液来减小它与机油之间的温差，构造小温差发动机，将是一种简单有效的减少热损失及提高热机效率的方法。

基于专利技术[1]的抗高温发动机纳米冷却液是近年来开发的一种应用于内燃机系统冷却的新型换热剂产品，3年的实车(汽、柴油动力机车)运行结果证实：在降低油耗、减少尾气排放、快速散热及缩短冷启动时间等性能方面明显优于传统冷却液[2-4]，表明我国在纳米流体高温冷却技术及内燃机应用领域已经跨入世界前沿。

有关纳米流体能否作为电动机车的冷却剂目前未见报道，本文作者以某油-电混动车为研究对象，分析和探讨纳米冷却液对发动机温度、油耗及发电功率等动力负荷特性行为的影响，为实车运行的可行性评估提供技术依据。

1 台架试验

冷却液：测试样为优能120纳米冷却液，参比样为普通防冻液。

试验方法：设定的发动机冷却液进口端温度为90、95 ℃，转速为1 800、2 000、2 500 r/min，功率为10、15、20 kW，试验负荷为不超过80%发动机总负荷。

数据采集：发动机稳定运转后，持续30 min，每5 min采集一次数据，记录下发动机进口及出口的冷却液温度、功率及油耗量。

测试过程：90 ℃各组试验正常，当进口温度为95 ℃及功率为15 kW时，6组平行试验中的2组由于水温过高触发发动机启停，故后续20 kW功率试验未继续进行。

数据处理：

ΔT=T120-Tcool

(1)

式中：ΔT为出口温度变化；T120为加入优能120后出口温度；Tcool为参比防冻液出口温度。

(2)

式中：Δη为发电效率变化；P120为加入优能120后发电功率；Pcool为参比防冻液发电功率。

(3)

式中：ΔQ为油耗变化；Q120为加入优能120后油耗量；Qcool为参比防冻液油耗量。

2 结果与讨论

换装优能120纳米冷却液的影响主要表现为：

(1)提高气缸温度及热机效率

优能120可提高气缸温度，且进口温度越高则其升温越明显。如表1所示，由90 ℃至95 ℃时，它与防冻液间的温差急剧扩大至9.29 ℃，油耗率变化也明显加大。若同时加大转速、功率分别至2 500 r/min、15 kW，冷却液温度接近109 ℃(临界温度)，此时，6次平行试验中2次过热停机，但油耗大幅下降-18.1%，引擎热效率至最高。它表明：在安全工作范围内，优能120具备现行防冻液所缺少的促使发动机达到最佳燃烧温度的能力，是使内燃机具有较低油耗及燃油经济性的主要原因之一。

(2)提高发电效率

增加发动机功率时无论何种冷却液其发电功率都获得相应提高，但优能120相对变化幅度较大，两种温度下的平均变化率+2.25%，表明它可以提高发电效率，且发动机工作温度越高时变化幅度差异越小(表1)。

表1 油-电混动车换装纳米冷却液前后台架试验结果

注：变化率“+”为提高，“-”为降低。

(3)降低冷却器汽化热损及动力能耗

将进口温度由90 ℃提高95 ℃，传统防冻液平均油耗增加57 mL/5 min，优能120仅增加了9.67 mL/5 min(表2)，即前者的高温能损要比后者大5倍。其原因在于，防冻液的沸点为104 ℃，此时其出口温度约为100 ℃(表1)，流体近乎沸腾状态，由之产生的汽化潜热损失及循环流动气阻能耗很大，因此它远大于具备高沸点(120 ℃)且出口温度为103～108 ℃的优能120纳米冷却液，显然，这两种能耗的降低也是高沸点纳米冷却液在高温下工作时相对比较节省燃油的原因之一。

(4)循环热平衡运行机制

上述高温燃烧产生的高温冗余热量必须通过水箱快速传导到环境中，否则会导致发动机过热，为此纳米流体的高温强化换热特性在此过程中将起着关键作用。它提高了水箱的散热速度与效率，确保冷却流体温度快速下降至安全工作温度以下，从而形成“发动机高温燃烧→水箱快速散热→发动机高温燃烧” 周期性热平衡的良性循环。

表2 改变冷却液进口温度对发动机油耗及发

对于此次试验，由于发动机进口温度被恒定至设定值，纳米流体的快速散热降温效果未能在循环冷却过程中得以体现，故在测试中出现了过热停机现象。实际上，让冷却循环过程自然运行，并通过调节流量建立发动机出口处温度在108 ℃附近(即低于安全临界温度)时的循环热平衡，那么此时的发动机热效率应该最高。

3 结论

采用发动机台架试验方法研究了在改变进口温度、功率及转速条件下，换装优能120纳米冷却液对油-电混动车运行热效率的影响。结果表明，将温度由90 ℃切换至95 ℃时，发动机出口温度至108 ℃，比参比防冻液要高9.29 ℃、相对平均油耗由2.81%下降至 -11.85%，最大油耗下降-18.1%、发电效率提高0.52%～3.97%，并且入口温度提高后其增加的油耗量仅占防冻液的20%左右。

热机效率的提高是纳米冷却液提升了气缸工作温度，高沸点与高换热率降低了流体由于汽化产生的气阻与热损失，及“发动机高温燃烧→水箱快速散热→发动机高温燃烧”周期性循环热平衡运行机制三者共同作用的结果。试验出现过热停机现象是由于发动机进口温度被恒定至设定值，流经水箱的纳米流体的快速降温作用无法体现所致。