内燃机批量与连续润滑供给策略的比较研究：材料效率与稳态运行优化

《Processes》：Comparative Study of Batch and Continuous Lubricant Supply Strategies in Internal Combustion Engines Saúl Domínguez-García, Maximino Pérez-López, Andrés López-Velázquez, Marco Antonio Espinosa-Medina and Rafael Maya-Yescas

为应对内燃机传统间歇换油策略导致的材料浪费与润滑膜厚度波动问题，本研究基于质量平衡方程建立了润滑剂前驱体消耗、成膜与去膜动力学的现象学模型，对比分析了批量与连续润滑供给策略。结果表明，连续供给策略能在稳态下维持稳定的膜厚度，并显著降低前驱体消耗，尤其在超临界条件下可避免过度消耗。这为基于前驱体利用效率的润滑策略系统评估提供了工具，对提升内燃机可持续性与经济效益具有指导意义。

　　

在全球机动性和应急发电领域，内燃机（Internal Combustion Engines, ICEs）仍占据着主导地位。尽管全球投资和政策正逐步向电动交通转型，内燃机车辆的保有量依然庞大，并且预计在未来的几十年内其生产仍将持续。因此，提升内燃机的效率和可持续性，对满足全球移动需求至关重要。在众多影响内燃机性能的系统中，润滑过程扮演着控制摩擦和磨损的关键角色。已有研究指出，与摩擦磨损相关的能量损失、经济成本和污染物排放巨大，这意味着即使是对润滑管理做出微小的改进，也可能带来显著的经济和环境效益。

传统的发动机润滑实践主要基于批量或准批量的换油模式，即润滑油在离散的时间间隔内被周期性更换。这种方法虽然能恢复润滑油性能，但通常伴随着润滑油消耗量增加、材料浪费和能量损失，同时也会导致润滑膜稳定性的周期性波动。相比之下，连续润滑策略（在发动机应用中较少见）在其它摩擦学系统中已被探索用于稳定润滑油供应和减少材料使用。然而，在可比操作条件下，对批量与连续润滑策略进行定量比较的研究仍很有限。

为解决这一研究空白，本文从现象学视角出发，分析了内燃机润滑系统中润滑剂消耗的材料效率。研究基于先前开发的描述摩擦膜前驱体消耗和成膜动力学的摩擦动力学质量平衡框架，并将其扩展用于比较批量与连续润滑剂供给策略。通过引入连续补加流和稳态分析，识别了能够在维持摩擦膜稳定性的同时，提高润滑剂前驱体利用效率的运行区间。

为开展这项研究，研究人员采用了基于摩擦动力学质量平衡的数学建模方法，描述了批量与连续供给条件下润滑剂的消耗动力学。模型将润滑系统抽象为两个耦合的控制体积：机油盘（视为充分混合的储罐）和发动机内部（视为流经的反应区）。研究对模型进行了稳态分析和敏感性分析，评估了关键参数（如动力学常数和膜移除率）对系统运行和材料效率的影响。

2.1. 物理系统

润滑油将多种添加剂所含的润滑剂前驱体分子（聚集体A）带入活塞-气缸系统，并吸附在摩擦副表面。随后，吸附的分子发生化学反应形成固态膜F，该膜在机械接触中发生微观结构变化。当膜受到的应力足够大时，会从表面剥离，同时通过化学反应进行更新。假设被剥离的膜材料（废料）无法再生。在发动机内部，润滑膜的形成与移除之间存在竞争，导致一定厚度的膜在表面间积累。此膜厚受到两个实际限制的约束：避免表面粗糙度直接接触所需的最小厚度（χ_min）和剪切表面间的最大分离厚度（χ_max）。

< img src="https://mdpi-res.com/processes/processes-14-01155/article_deploy/html/images/processes-14-01155-g001-550.jpg" caption="图示摩擦膜形成及厚度限制的概念示意图。(A)展示了成膜与移除涉及的化学过程，(B)显示了活塞-气缸系统中膜厚限制的定义。">

常见的批量润滑系统将工作润滑油储存在机油盘中，润滑油经过滤、在发动机内循环后返回油盘。这种循环会逐渐消耗润滑油的性能，决定其使用寿命。而连续润滑系统同样在油盘和发动机内部循环润滑油，但该策略会同时补充新鲜润滑油流并从油盘排出相应的废油流，从而防止润滑剂前驱体的完全耗尽。

< img src="https://mdpi-res.com/processes/processes-14-01155/article_deploy/html/images/processes-14-01155-g002-550.jpg" caption="批量与连续润滑策略的润滑油循环示意图。(A)为批量系统，(B)为连续系统。">

2.2. 油盘中润滑剂前驱体的储备

油盘中前驱体A的储备由质量平衡方程描述。对于批量供给，其表达式为方程(1)；对于连续供给，其表达式为方程(2)。方程的主要区别在于，连续供给策略引入了新鲜润滑剂补加流（流速q，前驱体浓度z_A）和相应的废油排出流。

2.3. 发动机内润滑剂前驱体的浓度

发动机内部前驱体A的浓度通过对流经发动机的润滑油体积进行质量平衡得到，如方程(3)所示。该方程考虑了从前驱体A到固态膜F的转化消耗，其消耗速率由动力学常数κ_A控制。

3. 结果与分析

稳态分析：对连续供给策略模型进行稳态分析，得到了稳态下前驱体浓度和所需补加流量的解析解。分析表明，连续供给策略能够达到一个稳态条件，此时润滑剂前驱体的补充与消耗、摩擦膜的形成与移除达到动态平衡，从而确保了膜厚度的稳定性。

敏感性分析：研究揭示了动力学常数（κ_A）和膜移除率对润滑剂补加需求的强烈影响。这些参数共同定义了一个系统运行的可行性区域。在可行性区域内，连续供给策略能以最小的前驱体过量消耗维持保护性膜厚。

超临界条件下的比较：在超临界条件下（即前驱体消耗速率极高），批量策略会表现出前驱体的快速过度消耗，导致材料效率极低。相反，连续供给策略通过持续补加，能将前驱体的过量消耗维持在最低水平，表现出显著的优势。

4. 结论与讨论

本研究通过建立的摩擦动力学质量平衡框架，对批量与连续润滑剂供给策略进行了比较分析。主要结论如下：

1. 1.
   材料效率优势：在可比操作条件下，连续润滑供给策略比传统的批量策略实现了更高的材料效率。连续策略能够达到稳态，确保稳定的膜厚度，并显著降低润滑剂前驱体的总消耗量。
2. 2.
   运行可行性区域：润滑系统的运行受到动力学常数和膜移除率的强烈影响，这两个参数定义了一个可行性区域。在可行性区域内操作，是实现高效、稳定润滑的关键。
3. 3.
   应对苛刻条件的能力：在超临界等高消耗条件下，批量策略会导致前驱体的快速过度消耗，而连续策略则能通过稳态调节将过量消耗降至最低，展现出更强的鲁棒性。

本研究的意义在于，所提出的框架为在系统层面评估基于前驱体利用效率的润滑策略提供了一个实用工具。研究结果表明，经过合理设计并在可行的动力学和机械极限内操作，连续润滑策略可以改善材料效率和环境性能，并带来相关的经济效益。这为未来开发更高效、更可持续的内燃机润滑系统提供了理论指导和评估方法。尽管本研究采用的模型进行了一定的简化（例如，将多种添加剂视为单一前驱体聚集体，未明确考虑氧化、积碳污染等降解途径），但其核心结论清晰地揭示了供给策略对材料效率的根本影响，为后续纳入更多实际因素的深入研究奠定了基础。