摘 要

近年来，针对如何在高温、高压及高速条件下，优化缸内摩擦副的工作状态，国内外学者进行了大量的研究工作。其中，环境友好的纳米材料作为新型固态润滑油添加剂，引起了广泛的关注。石墨烯因其极薄的层状结构、良好的力学性能和优秀的自润性，进入了人们的视野。但其在润滑油中的分散性较差，制约了其作为纳米润滑油添加剂的发展。

本文首先通过参考大量其他的研究资料，确定了以油酸为表面活性剂，使用二步法以0.03、0.2、0.4和0.6 wt.%四种浓度制备石墨烯纳米润滑剂样品，采用紫外可见吸收光谱（UV）进行分散分析来监测石墨烯纳米润滑剂的稳定性，结果表明随着制备时间的增加，石墨烯在润滑油中的分散性差。

然后为进行石墨烯润滑油的摩擦学特性研究。对40℃和100℃下不同浓度的石墨烯润滑油的运动粘度进行测量，温度的改变对润滑油的黏度产生了明显影响，润滑油的黏度随温度的升高明显降低，在基础油中添加石墨烯可以增大基础油的黏度。设计和建立了发动机缸套-活塞环摩擦磨损专用台架。研究分析了石墨烯润滑油试样的摩擦学性能，证实了缸套-活塞环的润滑方式属于边界润滑。进行了石墨烯浓度对摩擦系数的影响的实验，判断并选取了最优的石墨烯浓度（0.4wt.%）。研究了在最优的石墨烯浓度下的石墨烯润滑油的抗磨损和抗摩擦性能。

最后进行了发动机的台架实验，对发动机的有效功率（BP）和发动机扭矩（Te），以及总摩擦功率（FP）和有效燃油消耗率（BSFC）等各项指标的数据分析，结果表明使用石墨烯润滑油后，发动机动力性能有所增加。设计了NEDC，以评价使用石墨烯润滑油后发动机的经济性，实验结果证明发动机的经济性有所提高。最后通过对比在不同的发动机转速和负荷下，5W-30和石墨烯纳米润滑油对废气排放（CO₂、HC、CO和NO_x）的影响，实验结果表明使用石墨烯纳米润滑油能有效减少废气的排放。

关键词：石墨烯，纳米润滑油，发动机性能，摩擦磨损

Abstract

In recent years, scholars at home and abroad have done a lot of research on how to optimize the working state of the friction pair in the cylinder under the conditions of high temperature, high pressure and high speed. Among them, environmentally friendly nano materials, as a new solid lubricant additive, have attracted extensive attention. Graphene has entered the field of vision because of its very thin layered structure, good mechanical properties and excellent self-lubricating properties.

However, its poor dispersion in lubricating oil restricts its development as a nano lubricant additive. In this paper, firstly, by referring to a large number of other research data, we determined to use oleic acid as the surfactant, use two-step method to prepare graphene nano lubricant samples in four concentrations of 0.03, 0.2, 0.4 and 0.6wt.% and use ultraviolet visible absorption spectrum (UV) for dispersion analysis to monitor the stability of graphene nano lubricant. The results show that with the increase of preparation time, graphene in the lubricant Poor dispersion in oil.

Then, the tribological properties of graphene lubricating oil were studied. The kinematic viscosity of different concentrations of graphene lubricating oil at 40 ℃ and 100 ℃ was measured. The change of temperature had a significant impact on the viscosity of the lubricating oil. The viscosity of the lubricating oil decreased significantly with the increase of temperature. Adding graphene to the base oil can increase the viscosity of the base oil. A special bench for friction and wear between cylinder liner and piston ring was designed and built. The tribological properties of graphene lubricating oil samples are studied and analyzed. It is confirmed that the lubrication mode of cylinder liner piston ring belongs to boundary lubrication. The effect of graphene concentration on friction coefficient was tested, and the optimal concentration (0.4wt.%) was determined. The antiwear and antifriction properties of graphene lubricating oil at the optimal concentration of graphene were studied.

Finally, the engine bench test is carried out, and the data analysis of the effective power (BP) and engine torque (TE), as well as the total friction power (FP) and the effective fuel consumption rate (BSFC) of the engine is carried out. The results show that the engine power performance increases after the use of graphene lubricating oil. NEDC was designed to evaluate the economy of the engine after using graphene lubricating oil. The experimental results show that the economy of the engine has been improved. Finally, by comparing the effects of 5W-30 and graphene nano lubricant on exhaust emissions (CO2, HC, CO and NOx) under different engine speeds and loads, the experimental results show that the use of graphene nano lubricant can effectively reduce exhaust emissions.

Key words: graphene, nano lubricating oil, engine performance, friction and wear

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容和方法 3

第2章 发动机内摩擦学及纳米润滑油减摩抗磨的原理分析 4

2.1 摩擦学 4

2.1.1 润滑状态 4

2.1.2 流体的粘度 6

2.1.3 发动机内摩擦学 7

2.2 纳米润滑油 7

2.3 本章小结 8

第3章 石墨烯纳米润滑油的制备 9

3.1 石墨烯纳米润滑油样品的制备 9

3.2 石墨烯纳米润滑油样品的悬浮稳定性监测 11

3.4 本章小结 11

第4章 石墨烯纳米润滑油摩擦学特性研究 13

4.1 石墨烯纳米润滑油的运动粘度 13

4.2 石墨烯纳米润滑油的摩擦磨损实验 14

4.2.1 发动机缸套-活塞环摩擦磨损专用台架的设计与建立 14

4.2.2 石墨烯润滑油的摩擦磨损实验 15

4.3石墨烯纳米润滑油的边界润滑性能研究 16

4.4 本章小结 21

第5章 石墨烯纳米润滑油对发动机特性影响研究 22

5.1 发动机实验 22

5.2 石墨烯纳米润滑油对发动机特性影响 24

5.2.1 发动机动力性能 24

5.2.2 发动机经济性能 25

5.2.3 发动机排放性能 26

5.3 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 30

致谢 31

绪论

研究背景和意义

近年来，随着科技的快速发展，石油等不可再生资源也愈渐短缺，环境污染问题也愈来愈被大家所重视，对于汽车行业，各个国家也开始对汽车的燃油消耗及排放有了更加严格的标准和要求。传统车用内燃机的能源利用率仅有三成，为提高其能源利用效率，可通过优化发动机设计以降低摩擦损耗，从而达到节能减排的效果。针对如何在高温、高压及高速条件下，优化缸内摩擦副的工作状态，国内外学者进行了大量的研究工作。其中，环境友好的纳米材料作为新型固态润滑油添加剂，引起了广泛的关注。

发动机被称为汽车的“心脏”，机内存在众多摩擦副，尤以缸内活塞环-汽缸壁摩擦副的高温、高压及高速的工作条件突出。当摩擦副的摩擦力过大，可能导致发动机运行异常，但发动机润滑油的使用可以缓解这一情况。发动机润滑油在发动机内的各个摩擦副间起作用，减少它们之间的摩擦磨损，除润滑外，它对发动机的密封、减震，以及内部零件的冷却、防腐和防氧化等方面都起到一定作用，因此它也被称为汽车的“血液”。发动机润滑油的调配需要用到基础油和添加剂。其中基础油是润滑油的主要成分，也叫底油，它是润滑油的基础作用部分，在绝大部分上决定了润滑油的基本性能。另外，添加剂是现代润滑油的精华所在，添加剂的种类有许多种，其性质也各不相同，合理地添加添加剂可以提高润滑油的理化性能，例如提高润滑油的粘性等，赋予润滑油新的性能，例如防腐性能等，或强化润滑油原有的性能，来满足复杂多变的实际使用工况。根据润滑油的使用工况，合理选用相应的添加剂，是润滑油研究的重要课题。

如今，润滑油使用传统的添加剂已然不能满足当下发动机缸内摩擦副的抗摩减磨要求，人们的目光转向了与传统材料不同的低维材料——纳米材料。纳米材料是一种超细化的材料，它的原子构成与传统材料不同，大部分都是表面层原子，它的内部原子在晶粒中存在着有序和无序两种排列分布。纳米材料在近些年的科研领域尤为火热，在其他领域早已有许多颇有成效的应用，但是在润滑系统中还是一个新的领域。用作润滑剂添加剂的纳米粒子有许多种，目前研究的方向主要有纳米单体物、纳米化合物、纳米稀土和纳米聚合物等。另外，在进行薄膜润滑时也会使用一些低熔点的金属以及其合金，如锡等，它们同样也是十分优秀的保护材料，使用这些金属的纳米粒子制作纳米润滑油也能改善润滑油的摩擦学性能。纳米润滑油已经成为了一个火热且可行的研究方向。

国内外研究现状

武汉理工大学的陈必成在润滑油中添加了氧化铝/氧化钛纳米复合粒子，通过模拟和实验方法研究了其在发动机上的应用价值，设计了摩擦实验台，对润滑油的润滑性能进行了实验研究，对润滑油的粘度和导热性进行了实验研究，氧化铝/氧化钛纳米复合颗粒的添加让润滑油的抗摩擦性能、粘性和导热性都有所提升。在发动机实验中，将纳米润滑油应用到发动机上，与参考油进行对比，发现发动机的动力性能和经济性能也都有所提升^[1]。