纳米颗粒添加剂在柴油燃料中，能够提高润滑性，降低有害气体排放

文字/编辑 听君聊

传统车辆采用燃油发动机提供动力，然而使用这种发动机会排放出有害气体，导致空气质量下降，对生态环境造成不可逆转的负面影响。

因此，寻找一种能够增强燃油发动机性能的材料就显得十分重要。

我们发现一些纳米颗粒可以用作燃料添加剂以增强润滑性，具体来说，就是通过使用最佳浓度的纳米颗粒改善磨损和摩擦。

我们对一系列纳米粒子进行了研究，其中包括碳纳米板、碳纳米管、氧化铝、氧化锌和氧化铈，我们把它们作为选定燃料的润滑性增强添加剂。

此外，我们通过进行磨损表面分析，创建出适合两种柴油燃料的润滑机制。

研究结果表明，它们具有独特的物理、化学和热性能，并且确实能够提高发动机性能，提高柴油与生物柴油的润滑性，从而降低有害气体排放。

一、燃烧样品的制备和润滑性的评价

本研究采用常规柴油（D）和菜籽油脂肪酸甲酯生物柴油（RME）作为基础燃料（BF）。这两种燃料均按原样使用，无需任何额外准备。

至于用作增强润滑性的添加剂，我们选择碳纳米板(CPL)、碳纳米管 (CNT)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO) 和氧化铈(CeO2)。

其中CPL、CNT、ZnO和CeO2纳米材料为粉末状，而Al2O3纳米颗粒溶入20％异丙醇溶液中。

我们测出两种燃料中纳米颗粒的浓度总计为150 ppm，在对粉末状纳米粒子称重的同时，增加Al2O3溶液的量以获得相同浓度的纳米粒子。

我们再将总共150 ppm的SPAN80添加到混合物中以稳定分散体，并选择表面活性剂的量等于纳米粒子的量。

然后通过磁力搅拌和超声处理来制备纳米粒子负载的燃料样品。

首先，将称重的混合物在磁力搅拌器上于20℃和3000min-1下搅拌20min。其次，在60°C下进行水浴超声处理30分钟。

从图中可以看出，含有燃料的碳纳米片和纳米管是不透明的黑色。

而随着其他研究纳米粒子的引入，燃料的颜色没有改变，仅含CeO 2纳米粒子的燃料的不透明度增加。

我们将所制备的纳米分散体稳定5小时，就可以用来进行摩擦学实验了。

我们使用安东帕 Stabinger 粘度计 SVM 3000测定了所研究的纳米粒子负载燃料的运动粘度和密度。

对每个样品进行三次测量，从表中可以看出，不含纳米颗粒的燃料和负载纳米颗粒的燃料之间没有显著差异。

因此，确定纳米颗粒和表面活性剂的浓度太小而无法改变基础燃料的粘度或密度。

我们根据标准测试方法ASTM6079，采用高频往复式钻机(HFRR) Ducom TR-282 摩擦试验机来研究燃油样品的润滑性。

在此测试期间，6毫米球以1毫米冲程、50赫兹的频率与板摩擦。

球和板由轴承钢 E-52100 制成，硬度为 750–800 HV30，表面粗糙度为0.05µm。

而板的硬度为190-200 HV30，表面粗糙度为0.02 µm。

测试结束后，我们将球和板拆下并清洗，使用光学显微镜 Nikon ECLIPSE MA 100测量球的磨痕直径 (WSD)。

并使用 Mahr GD-25 触针轮廓仪测量板上磨损痕迹的横截面轮廓。

平均横截面积乘以磨损痕迹的长度即可得出磨损体积。

在摩擦测试期间，我们连续记录摩擦系数 (COF)，计算了COF 的平均值并在手稿中呈现。

摩擦系数、球上磨痕的直径和磨损量是评价润滑性的主要特征，所提出的润滑机制是基于这些结果和磨损表面分析。

本研究使用实验重复次数的平均值、标准差、误差线和最小显著差异进行统计分析。

二、摩擦力评估

摩擦系数与移动相互作用表面所需的力成正比，因此，减少摩擦力将节省能源并提高机构效率。

在使用柴油的情况下，COF的降低将导致燃油泵驱动所需的能量减少。我们所研究的两种燃料的摩擦变化模式不同，不同之处在于使用生物柴油润滑可提供较低的摩擦系数，在整个摩擦测试中具有相似的值。

而柴油的 COF 较高，磨合期较长，这种行为可能与燃料的成分和粘度有关。

根据无添加剂燃烧的特性，我们能够知道所研究的生物柴油含有甘油单酯和甘油二酯，具有吸附能力。

分子的吸附是一个自引发的过程，在大多数情况下，不需要额外的能量。

如果吸附层足够坚固，它就能提供低且稳定的摩擦力，而且，不需要磨合。

在本研究中，生物柴油含有0.2重量的单酸甘油酯，这可能导致低COF。

润滑剂的较高粘度可以促进相互作用表面的分离并防止直接接触，而低硫柴油含有减少摩擦和磨损的添加剂，以确保其润滑性。

我们在柴油摩擦测试中观察到的 COF 变化代表了抗磨添加剂的典型作用机制。

磨合期出现在测试开始时，当引起的摩擦反应形成，COF会稳定下来，具体来说，全程需要40分钟才能达到稳态摩擦。

与抗磨添加剂相比，吸附的分子层可以提供更低的摩擦，而生物柴油的稳态 COF 比柴油低 1.8 倍。

由于减摩机制不同，所研究的燃料对纳米粒子添加剂的反应不同。

我们发现，用纳米颗粒改性生物柴油可提高 COF，然而，摩擦变化模式并没有磨合期，COF 在整个摩擦测试过程中保持相同的值。

必须指出的是，在我们所研究的生物柴油样品中，负载Al2O3纳米颗粒的生物柴油的 COF 波动最小，这是纳米颗粒生物柴油样品中唯一的积极因素。

在柴油中引入纳米颗粒会导致摩擦变化模式发生变化，不过ZnO NP 的改性不会影响摩擦变化。

CNT、Al2O3和CeO2NPs使柴油燃料具有更短的磨合期，从而导致更低的平均COF。

此外，磨合期间观察到的最大COF较低。CPLNP的引入增加了摩擦系数，延长了磨合期，并提供了更波动的摩擦系数。

柴油中纳米颗粒的积极作用是缩短磨合期并降低最大和平均COF值。在大约60分钟的测试后，所有柴油样品都显示出相似的摩擦力，这可能是因为柴油中存在的添加剂控制着稳态COF，而纳米粒子提供了更短的磨合期。

三、磨损分析

为了确保燃油泵和喷嘴的使用寿命，柴油必须具有EN 590标准规定的特定磨损减少能力。

根据该标准，HFRR 摩擦测试中获得的磨痕直径必须≤460 µm，因此，较小的 WSD 始终是首选。

在本研究中，我们对 WSD 和磨损量进行了评估。

结果显示，获得的磨痕直径在 200 至 250 µm 之间。另外，我们所研究的燃料样本之间的磨损量有相当大的变化。

不幸的是，重复次数之间存在很大差异。根据统计分析，生物柴油样品之间必须表现出34.3×10 3 µm 3的差异才具有显着性差异。柴油样品的显着差异甚至更高——50.9 × 10 3 µm 3。

在 HFRR 摩擦测试中，不含纳米颗粒的基础燃料表现出显着不同的磨损减少能力，而柴油燃料优于生物柴油。

就柴油而言，添加碳纳米管和氧化锌纳米颗粒对减少磨损能力具有轻微的积极影响。

然而，这种改进在统计上并不可靠，添加碳纳米片、氧化铝或氧化铈纳米颗粒会产生不利影响，因为观察到更强烈的磨损。

当进入系统的摩擦能以摩擦热或表面变形，而不是磨损的形式释放时，磨损和摩擦之间就会出现矛盾。

表面变形导致材料被推出到磨损疤痕的侧面，如果计算磨损造成的材料损失，则该部分不视为磨损。

通过我们的观察发现，只有碳纳米管才能为这两种燃料带来好处，使用碳纳米管对 RME进行改性后，磨损减少了42%，而COF仍与不含纳米颗粒的样品相似。

除此之外，碳纳米管使柴油燃料的磨损减少了近 8%，COF减少了12%。

然而，如果考虑纳米颗粒对生物柴油的影响，它可以受益于碳纳米片和氧化铝纳米颗粒的改性，并且观察到磨损减少了32% 和44%。

遗憾的是，两种纳米添加剂的应用导致COF稍高，而负载Al2O3的燃料表现出COF稳定。

如前所述，使用不含纳米颗粒的RME进行润滑可提供低摩擦，而添加纳米颗粒则可实现更高的摩擦系数。

RME 润滑产生了相对光滑的磨损表面，然而，它有一些微小的划痕，并且一部分磨损材料被推到磨损痕迹的两侧。

随着纳米颗粒的引入，磨损痕迹中形成了皱纹，结果，磨损表面的粗糙度增加。

此外，在更硬的球表面上也观察到划痕。当相互作用的表面之间存在纳米颗粒时，可能会发生三体磨损，表面变形需要更多的能量来保持表面相对运动。

因此，我们观察到较高的 COF，并且当用作 RME中的添加剂时，没有任何纳米颗粒会降低摩擦。

纳米颗粒也可能嵌入较软的板表面并导致球磨损。

磨损表面的成分表明，在使用负载有氧化铝纳米粒子的生物柴油进行润滑后，发现了更高含量的铝。

我们经过相应的摩擦测试后，磨损痕迹中没有发现其他纳米颗粒的证据。

然而，它们的量可能太小而无法用EDS检测到，纳米颗粒在增加摩擦系数的同时减少磨损的原因尚不清楚。

我们认为，纳米颗粒及其团聚物的滚动发生在表面相互作用过程中。不过，再硬颗粒导致相互作用表面变形的同时，它们还具有低磨损。

另外，在我们使用无纳米颗粒 RME 润滑的情况下，摩擦腐蚀可能会导致低摩擦系数和更高的磨损。

植物酯中存在的酸性成分会导致腐蚀磨损，我们发现纳米颗粒添加剂可以减少这种负面影响。

四、结论

在本研究中，我们通过实验分析了纳米颗粒对柴油和生物柴油润滑性的影响，并用HFRP摩擦测试以评估润滑性。

研究结果表明，当引入纳米粒子时，所研究燃料的不同性质导致不同的润滑响应。无纳米颗粒的生物柴油具有非常低的摩擦力，由此可知引入纳米颗粒会导致更高的摩擦力。

必须指出的是，碳纳米片和氧化铝纳米颗粒的引入增加了磨损，考虑到EN590标准的润滑性要求，所研究的任何纳米颗粒都可用于改进柴油内燃机的燃料。

当纳米颗粒添加剂在柴油燃料中得到广泛应用，能够减少柴油发动机零部件之间的摩擦接触，延长发动机的使用寿命。

这不仅降低了维护成本，还减少了有害气体生成，提高了环保性能。

参考文献：

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