纳米铜靶向修复技术在发动机燃烧室的应用研究

瞿芳   姚睿   陆沛霖

(  1.江苏机擎恒安节能环保科技有限公司,江苏 南通,226010，2.美国佐治亚大学,美国 佐治亚州,30601 )

摘要：发动机燃烧室在工作一段时间后活塞和气缸壁会出现一定程度磨损，进而导致烧机油现象。纳米铜靶向修复材料因其熔点温度与发动机摩擦副工作温度接近而能很好的修复发动机活塞和气缸壁之间的磨损。作者选取不同程度烧机油车辆进行试验，在发动机润滑油中添加纳米铜靶向修复材料，结果表明汽车烧机油现象逐步减轻，对于烧机油现象较为严重的车辆，需四至五个治理周期，治理完成后烧机油量基本控制在每1000Km烧0.1L以内。

关键词：纳米铜、靶向修复、发动机燃烧室

Application Research of Nano Cu Targeting Repair Technology in Engine Combustion Chamber

Qu Fang¹     Yao Rui¹      Lu Peilin²

（1 Jiangsu Kingpower Energy conservation and Environmental Protection Technology Co.,Ltd, Jiang Su Nan Tong 226010,2 University of Georgia  USA Georgia 30601)

Abstract： After a certain period of time in the engine combustion chamber, the piston and the cylinder wall will wear to a certain extent, which will lead to burning oil. The nano copper target repair material can repair the wear between the engine piston and the cylinder wall because its melting point temperature is close to the working temperature of the engine friction pair. The author selected vehicles with different degrees of burning oil to test and added nano-copper targeted repair materials to the engine oil. The results showed that the phenomenon of burning oil was gradually reduced. It is four or five treatment cycles that was required for vehicles with severe burning oil. The amount of burning oil is basically controlled within 0.1L per 1,000km after the completion.

Keywords：Nano Copper、Targeted Repair、Engine Combustor

活塞环和缸壁是发动机燃烧室产生动力的主要运动和磨损部件，磨损会导致活塞与气缸壁间隙增大，密封变差，润滑油更多的参与燃烧，产生积碳，大量积碳会导致活塞环失去弹性，加剧磨损。国内外学者在寻求具有优异抗磨减摩和抗极压性能的润滑材料过程中发现纳米铜在发动机润滑油中具有良好的减摩抗磨性能，伴随着发动机的运转能够修复磨损表面的微损伤。^[]-[]

1 发动机燃烧室故障

发动机燃烧室含有火花塞、气缸、气缸壁、活塞、活塞环等部件。汽油发动机工作原理是将空气和汽油以一定比例混合成符合要求的混合气，通过进气门被吸入气缸，混合气经压缩至上止点，火花塞产生火花点燃被压缩混合气产生热能，推动活塞下行，带动曲轴旋转，对外输出机械能，最后燃烧产生的废气通过排气门排出缸体外，完成一个周期的工作循环。发动机在工作时，由于活塞在气缸中上下不断的往复运动，机油通过活塞环的侧隙和背隙，飞溅到气缸壁上，以起到润滑作用。有摩擦的地方伴随着有磨损，气缸壁和活塞的磨损是由一丝深度和一丝宽度的磨痕纵横交错而成，随着发动机使用时间的延长，磨损量增大，各部位间隙也增大。当磨损积累到一定程度，这一对部件所组成的密封体系的密封性能会变差，活塞环的弹力减弱，油环刮油能力下降，泵油作用加剧，更多的机油进入气缸，极大的影响发动机性能，导致烧机油现象。

2 纳米铜在发动机燃烧室靶向修复

在纳米材料出现之前，人们并没有行之有效的方法避免早期轻度磨损，或防止轻度磨损转变为严重的表面磨损^[]。而当发动机表面磨损严重时，一般需要对发动机进行大修，需要将汽车发动机及相关零部件全部拆解下来，进行活塞环、活塞、瓦片等的更换或者镗缸磨轴。但是发动机经过拆解再重新组装容易造成气密性缺失，各处连接的螺丝、固定夹等等会发生不同程度磨损，给原厂发动机造成了物理结构上的破坏，无形之中减少了发动机使用寿命。经过大修的车辆，在一定周期后，会继续产生磨损累积，出现需要再次大修的情况。

一些传统润滑材料通过物理或者化学吸附，以及化学反应来实现良好的摩擦学性能，但不能做到材料的零磨损和对已损伤材料起到修复作用^[]。随着纳米材料及技术的不断发展，各种纳米润滑材料应运而生，包括纳米高分子聚合物，纳米矿物质，纳米高分子镜面材料，纳米金属、非金属及其氧化物^[]等。纳米材料具有比表面积大、高扩散性、易烧结性、熔点降低等特性，不但可以在摩擦表面形成一层易剪切的薄膜，降低摩擦系数，还可以对摩擦副表面进行一定程度的填补和修复^[]。

欧忠文等^[]按照作用原理将自修复分为摩擦成膜自修复、原位摩擦化学自修复、摩擦自适应修复。纳米铜属于摩擦成膜自修复，自修复膜的生成速率与磨损率间的动态平衡是实现自修复的关键^[]。纳米铜能与摩擦副相对运动，铺展成膜，在边界润滑条件下，局部摩擦高温促使润滑介质中纳米微粒与磨损微粒形成共晶微球，从而在摩擦副表面形成具有滚动润滑功能的保护膜，并可填充摩擦表面微观沟谷，改善摩擦表面的密封性能，并降低摩擦阻力，实现磨损表面的自修复^[]。

纳米铜靶向修复材料是采用液相法制备纳米铜颗粒，选择亲油官能团作为修饰剂，在纳米铜粒子生成时以化学键形式结合在其表面，并利用高分子保护剂阻止纳米铜颗粒团聚，从而构成一个能够在发动机润滑油中稳定分散，与其他添加剂不反应的纳米抗磨自修复材料。发动机内缸壁、曲轴、轴瓦和活塞环的材质通常为钢或铝的合金，靶向修复的实质是当摩擦副表面由于磨损出现裂纹、犁沟、点蚀等缺陷时，磨损部位的局部高温能使沉积在摩擦副表面的纳米铜熔化进入破损晶格，形成“微区固溶体”^[]，牢固渗嵌到金属表面凹痕和微孔的晶格中，与基体结合形成合金，修复受损表面。而未磨损部位，达不到纳米铜熔化温度，因其表面界面效应将形成油膜持久附着在摩擦副表面，增强油膜的抗剪切和抗极压性能。要实现靶向修复必须燃烧室磨损部位温度和靶向修复材料熔点温度保持一致。

发动机燃烧室内燃料燃烧会释放1500-1800℃的高温，气缸壁的外部由于有冷却系统及时吸收热量，将保持略高于90℃的相对稳定的温度环境。发动机气缸内部，活塞、气缸套和冷却介质三者之间的换热过程相对复杂，活塞与活塞环、活塞环与气缸套、活塞与气缸套之间，既有油膜又有气隙，并且有相对运动，换热系数很难准确确定。东风商用车技术中心的邹利亚^[]利用硬度塞对发动机活塞不同工况下工作温度进行了测试，结果表明燃烧室底部温度在266-321℃，燃烧室喉口温度在348-387℃，活塞顶部温度在306-361℃，活塞销座温度在126-141℃。纯的金属铜的熔点温度在1083℃，由于纳米粒子的小尺寸效应，当金属铜粒径减小至纳米量级，其熔点温度也会大幅度降低。饶卫红^[]对纳米铜及其熔点关系进行了研究发现，当铜粒径在104nm时熔点温度为413.5℃，当铜粒径在52nm时熔点温度为354.3℃，当铜粒径在23nm时熔点温度在321.9℃，当粒径在13nm时熔点温度降至224.4℃，纳米铜粒径越小，熔点越低。

3 实车试验

3.1 试验方法

作者选择粒径在30nm以内的纳米铜颗粒与清净剂、抗氧剂等按一定的科学配比配制成纳米铜靶向修复材料，选取行驶里程在十万公里左右或以上，有不同程度烧机油现象车辆，记录机油消耗量，再在机油中添加纳米铜靶向修复材料，并动态跟踪车辆机油消耗情况。对于每1000Km烧机油量大于0.2L的车辆需要多次添加纳米铜靶向修复添加剂，建议每10000Km添加一次。每1000Km烧机油量小于2L则可以采用纳米铜靶向修复材料进行烧机油治理，若每1000Km烧机油量大于2升则要谨慎处理，可能会伴随活塞环断裂，建议开缸修理。

表1 选取车辆信息表

3.2 试验结果与讨论

图 车辆烧机油治理情况

由车辆烧机油治理情况可知，四辆不同程度烧机油车辆在经过纳米铜靶向修复材料的治理后烧机油现象均得到了有效控制。车辆1由每1000公里烧0.25升机油降为0.04升，下降幅度达到84%；车辆2由每1000公里烧0.6升机油降为0.07升，下降幅度达到88.3%；车辆3由每1000公里烧1.2升机油降为0.09升，下降幅度达到92.5%；车辆4由每1000公里烧2.1升机油降为0.05升，下降幅度达到97.6%。

对于烧机油现象较为严重的车辆，需延长治理周期，治理完成后烧机油量基本控制在每1000Km烧0.1L以内。表明在使用纳米铜靶向修复材料后，发动机燃烧室内气缸壁与活塞之间的磨损间隙已得到很好的修复。

4 结论

a 纳米铜靶向修复材料能修复发动机燃烧室内气缸壁与活塞之间的磨损，减轻车辆烧机油现象。

b 对于烧机油现象较为严重的车辆，需四至五个治理周期，治理完成后烧机油量基本控制在每1000Km烧0.1L以内。

参考文献

[] 王晓丽, 刘 谦, 于鹤龙, 等. 纳米铜自修复添加剂的制备及其摩擦学性能[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2006, 11(6):337−340.