CN1500977A - 内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法，其特征是在水冷却系中使用添加纳米颗粒的纳米冷却液。内燃机纳米冷却液由水、冷却液添加剂和颗粒直径小于100nm的纳米颗粒组成。纳米冷却液的配制按下列步骤进行，纳米颗粒种类和浓度的选择、超声波振荡形成稳定的纳米颗粒悬浮液或纳米颗粒添加剂、应用于内燃机闭式强制循环水冷却系。本发明可提高冷却液与气缸水套及散热管之间的对流换热系数，改善冷却效果，或在设计中减少散热器空气侧换热面积，缩小散热器的体积。

Description

内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法

技术领域

本发明涉及一种在内燃机冷却液中添加纳米颗粒，生成纳米冷却液，强化内燃机闭式强制循环水冷却系冷却效果的方法，主要应用于采用闭式强制循环水冷却系的内燃机，提高水冷却系的冷却效果，或在设计中缩小水冷却系散热器的体积，也可用于其他封闭式强制循环水冷却系统。

背景技术

内燃机工作时，气缸内燃气温度可达2200K-2700K。因此，与燃气接触的气缸盖、气缸、活塞和气门等零件必须得到有效的冷却，以保证它们能在正常的温度范围内工作。绝大多数车用内燃机采用闭式强制循环水冷却系对气缸进行冷却。该冷却系冷却性能的好坏直接影响内燃机的性能和寿命。封闭式强制循环水冷却系的传热环节包括：气缸水套壁面与冷却水之间的对流换热、冷却水与散热器散热水管壁面之间的对流换热、散热水管至散热片的导热和散热片与冷却空气之间的对流换热。如果能有效地降低气缸水套壁面与冷却水之间以及冷却水与散热器散热水管壁面之间的对流换热热阻，可提高水冷却系的冷却效果，或在设计中缩小散热器的体积。纳米科学的研究与纳米技术的发展，为实现这一设想提供了理论依据和技术措施。

自1995年Choi提出用纳米颗粒强化流体换热的构想之后，许多学者对在流体中加入纳米颗粒可提高流体的导热系数和强化对流换热这一现象开展了多方面的实验和理论研究。近期的实验研究表明，在乙二醇中加入4％体积分数的35nm直径的氧化铜颗粒，其导热系数可提高约20％。在水中加入三氧化二铝纳米颗粒也获得过类似的结果。在乙二醇中加入0.3％体积分数的10nm直径的铜颗粒和适量分散剂后，乙二醇的导热系数提高了40％。据公开报道的实验研究结果，采用三氧化二铝-水、二氧化钛-水、铜-水及氧化铜-水组成的纳米颗粒悬浮液在水平光滑圆管内的对流换热系数值均比未加入纳米颗粒时的数值要高。

发明内容

本发明的目的是利用纳米颗粒具有提高流体导热系数和对流换热系数的特点，将纳米颗粒添加到内燃机冷却液中，生成纳米冷却液，以强化内燃机闭式强制循环水冷却系水侧冷却效果，或在设计中缩小水冷却系散热器的体积。

为完成上述目的所采取的技术方案：

本发明在内燃机冷却液中添加纳米颗粒，生成纳米冷却液，提高水冷却系水侧对流换热系数。纳米冷却液由水、冷却液添加剂和颗粒直径小于100nm的纳米颗粒组成。纳米颗粒的浓度不应超过4％体积分数，以避免冷却液流动阻力的显著增加。

上述纳米冷却液的配制和加注方法，其特征在于按比例在水中加入冷却液添加剂和纳米颗粒，并充分搅拌，使纳米颗粒、冷却液添加剂和水均匀混合，再经超声波振荡，形成稳定的纳米颗粒悬浮液，注入内燃机水冷却系。如果内燃机原先使用的不是纳米冷却液，应将原冷却液全部排放，然后按冷却液全面更换的方法加注纳米冷却液。

上述纳米冷却液还可以用纳米颗粒添加剂配制，其特征在于按一定比例在冷却液添加剂中加入高浓度的纳米颗粒，并充分搅拌，使纳米颗粒与冷却液添加剂均匀混合，再经超声波振荡，形成稳定悬浮的纳米颗粒添加剂，供配制内燃机纳米冷却液使用。纳米颗粒在纳米颗粒添加剂中的体积分数以10-20％为宜。现场使用纳米颗粒添加剂的方法为将纳米颗粒添加剂经充分摇晃后按比例与水和冷却液添加剂混合，搅拌均匀后注入内燃机水冷却系。使用纳米颗粒添加剂配制纳米冷却液不需要超声波振荡。

采用上述纳米冷却液可强化内燃机闭式强制循环水冷却系的冷却液与气缸水套壁面以及散热水管之间的对流换热，提高水冷却系的冷却性能，并可在水冷却系的设计中减少散热器空气侧换热面积，缩小散热器的体积。

附图说明

图1为纳米冷却液直接配制的流程图。

图2为先配制纳米颗粒添加剂，然后在现场用纳米颗粒添加剂配制纳米冷却液的流程图。

图3为一轿车水冷却系冷却液循环图，由散热器1、冷却液泵和节温器2、化油器3、膨胀箱4、暖气换热器5、ATF散热器6、气缸体和气缸盖7、冷却液管8、暖气控制阀9和三通热敏开关10组成。冷却液被气缸体、气缸盖、化油器和ATF散热器加热后，流向暖气换热器和散热器，将热量传给空气。

具体实施方式

本发明实施例为一国产轿车汽油发动机的内燃机闭式强制循环水冷却系，如图3所示。该轿车在夏季空调系统长时间工作时，由于水冷却系冷却能力不够，造成冷却液温度过高，水冷却系压力过大，甚至胀破冷却液软管。为改善水冷却系的冷却效果，可考虑使用纳米冷却液。

如图1所示，本发明的纳米冷却液由水、冷却液添加剂和颗粒直径小于30nm的三氧化二铝纳米颗粒组成。纳米颗粒的浓度定为1％体积分数，以避免冷却液流动阻力的显著增加。水和冷却液添加剂的比例按内燃机生产厂和冷却液添加剂生产厂的要求分别为60％和40％体积分数。

纳米冷却液的配制步骤为：在40％的冷却液添加剂中加入1％的三氧化二铝颗粒，搅拌均匀后加入59％的水，再次搅拌均匀，然后用超声波振荡24小时，形成稳定的纳米颗粒悬浮液后注入膨胀箱4。

如图2所示，纳米冷却液也可以用体积分数为10％、颗粒直径小于30nm的三氧化二铝颗粒添加剂配制，水、冷却液添加剂和纳米颗粒添加剂的比例可按下式计算：

y₁＝x₁(1-x₃)×100％

$y_2=[x_2(1-x_3)-\frac{1-m}{m}{x}_3]\×100\%$

$y_3=\frac{x_3}{m}\×100\%$

其中，x₁和x₂分别为生产厂提出的不加纳米颗粒时水和冷却液添加剂的体积分数，x₃为纳米冷却液中纳米颗粒的体积分数，m为纳米颗粒添加剂中纳米颗粒的体积分数，y₁，y₂和y₃分别为配制纳米冷却液所需的水、冷却液添加剂和纳米颗粒添加剂的体积分数。

使用纳米颗粒添加剂配制纳米冷却液不需要超声波振荡。将纳米颗粒添加剂经充分摇晃后按10％的三氧化二铝颗粒添加剂、30％的冷却液添加剂和60％的水的比例混合，搅拌均匀后注入膨胀箱4。

更换冷却液时，应先全部放空水冷却系中原有的冷却液；将暖气阀开关9拨到最大(全开)；在膨胀箱4中加入配制好的纳米冷却液至最高标记处；拧紧膨胀箱盖；让发动机运转，直至散热风扇起动；关闭发动机；检查冷却液液面，必要时补充。加入纳米冷却液后，冷却液与气缸体和气缸盖7、化油器3、ATF散热器6、暖气换热器5和散热器1的壁面的对流换热得到加强，使冷却效果得到改善。

Claims (4)

1、一种内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法，其特征在于：在内燃机冷却液中添加纳米颗粒，生成纳米冷却液，提高水冷却系水侧对流换热系数，所述的内燃机纳米冷却液由水、冷却液添加剂和颗粒直径小于100nm的纳米颗粒组成。

2、根据权利要求1所述的内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法，其特征在于：纳米冷却液的配制方法为按比例在水中加入冷却液添加剂和纳米颗粒，并充分搅拌，使纳米颗粒、冷却液添加剂和水均匀混合，再经超声波振荡，形成稳定的纳米颗粒悬浮液，注入内燃机水冷却系。

3、根据权利要求1所述的内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法，其特征在于：首先将体积分数为10-20％的纳米颗粒与体积分数为80-90％的冷却液添加剂混合并充分搅拌，使纳米颗粒与冷却液添加剂均匀混合，再经超声波振荡，形成稳定悬浮的纳米颗粒添加剂，供配制内燃机纳米冷却液使用；使用时将纳米颗粒添加剂经充分摇晃后按比例与水和冷却液添加剂混合，搅拌均匀后注入内燃机水冷却系。

4、根据权利要求1至3所述的内燃机闭式强制循环水冷却系强化冷却方法，其特征在于采用纳米冷却液提高水冷却系的传热性能后，可减少散热器空气侧换热面积，缩小散热器的体积。

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