在采用R-1234ze(E)作为冷却液的汽车变速器系统中，GNP/POE纳米润滑剂的稳定性和运行特性

《Journal of the Indian Chemical Society》：Stability and operating characteristics of GNP/POE nanolubricant in automotive VCRS using R-1234ze(E)

　　杰克林·穆里班（Jackly Muriban）| 埃尔迪万萨亚（Erdiwansyah）| 加朗·桑迪·普拉约戈（Galang Sandy Prayogo）| 努祖尔·希达亚特（Nuzul Hidayat）| 莫哈末·法伊扎尔·贾姆洛斯（Mohd Faizal Jamlos）| 里扎尔曼·马马特（Rizalman Mamat）

马来西亚彭亨大学（Universiti Malaysia Pahang）机械与汽车工程技术学院
阿卜杜拉苏丹校区（Al-Sultan Abdullah），26600，马来西亚

**摘要**
向可持续汽车技术转型的趋势增加了对低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂（如氢氟烯烃HFOs）的采用。尽管HFOs具有环境效益，但它们通常会导致较低的冷却性能和更大的效率损失。这项初步的实验研究探讨了基于石墨烯纳米片（GNP）的纳米润滑剂作为汽车蒸汽压缩制冷（VCR）系统被动增强策略的潜力。通过两步分散法制备了0.05体积%的GNP/POE纳米润滑剂，并在三种配置下评估了系统性能：POE/R134a、POE/R1234ze(E)和GNP/POE/R1234ze(E)。性能指标包括冷却能力、饱和压力比、压力特性以及吸气口和排气口温度。与基准配置相比，GNP纳米润滑剂使冷却能力提高了35.34%，压力比降低了15.84%。此外，GNP/POE纳米润滑剂平均提高了压缩机的容积效率12.97%，COP提高了18.16%，并降低了压缩机功耗26.87%。结果证实，GNP/POE纳米润滑剂能够改善热传递和热力学效率，支持其在下一代超低GWP汽车空调应用中的潜在使用。与以往主要关注制冷剂相纳米粒子分散或系统级修改的研究不同，本研究采用了一种利用石墨烯纳米片的润滑剂相纳米结构化方法，并建立了纳米尺度行为与汽车电驱动压缩机系统性能之间的直接热力学联系。

**引言**
汽车行业面临着严格的环境法规，旨在减缓全球变暖和减少温室气体排放。这些努力的核心是从传统的氢氟碳化合物（HFC）制冷剂（如R-134a）向GWP显著较低的制冷剂转型[1]、[2]、[3]。因此，对环境可持续且高效的替代制冷剂的需求日益增长。诸如《蒙特利尔议定书》、《京都议定书》、《巴黎协定》和《含氟气体法规》等法规的实施进一步加速了向零臭氧消耗潜能值（ODP）和低GWP制冷剂的转变[4]、[5]。这种转型需要全面了解这些替代制冷剂的热、压力和冷却性能特性，尤其是在与纳米润滑剂结合使用时，以确保最佳的熱传递、系统稳定运行以及汽车蒸汽压缩制冷系统（VCRS）的整体可靠性。

在汽车空调系统中，这一转变尤为重要，因为R134a已被广泛使用[6]、[7]。替代R134a的紧迫性源于其高达1470的GWP，这导致了对其使用的限制[8]。为了减轻供暖、通风、空调和制冷系统（HVAC&R）的环境影响，提高制冷系统性能同时尽量减少能耗和降低环境危害的策略至关重要[9]、[10]、[11]。选择合适的制冷剂需要考虑多个因素，包括零ODP、低GWP、低沸点和冰点、高蒸发潜热、非毒性、不可燃性、非爆炸性以及与润滑油的高混溶性[12]、[13]。

在新兴的替代品中，第四代HFO制冷剂（尤其是R1234yf和R1234ze(E)）因其超低GWP（<1）和可忽略不计的臭氧消耗潜能而受到广泛关注，这与国际环保协议和法规高度一致[14]、[15]、[16]。然而，向这些HFO制冷剂的转型带来了相当大的技术挑战。许多研究表明，包括R1234ze(E)在内的HFO制冷剂表现出降低的热力学性能，主要是由于其操作压力和蒸发潜热低于传统制冷剂[17]、[18]。例如，莫塔-巴比洛尼（Mota-Babiloni）等人[19]报告称，与R134a相比，冷却能力降低了30%，COP降低了6%；而莱顿（Leighton）等人[20]观察到冷却能力降低了21.5%，冷凝器压力降低了27.3%。为了缓解这些缺点，一些研究提出了系统级改进措施，如安装内部热交换器或优化膨胀装置，可以部分恢复性能损失[21]、[22]。然而，这些解决方案大多属于渐进式改进，往往会增加系统的复杂性，限制了其在紧凑型汽车系统中的应用。此外，尽管现有研究提供了有价值的性能比较数据，但它们主要关注宏观系统行为，而没有明确解释性能下降的根本原因。因此，与低GWP制冷剂相关的基本限制尚未得到充分解决，从而激发了更有效和可扩展的增强策略的需求[23]、[24]。在采用HFO制冷剂时，还必须考虑安全因素。根据ASHRAE标准，R1234ze(E)被归类为A2L级，表明其毒性低且易燃性较低。尽管其易燃性显著低于A3级制冷剂，但仍需采取适当的安全措施、系统设计考虑以及通风要求，特别是在空间受限和运行条件动态变化的汽车应用中。

为应对这些挑战，近期研究探讨了被动增强技术，特别是将纳米粒子分散技术融入制冷剂中。通过将纳米粒子分散到传统润滑剂中制成的纳米润滑剂，在制冷循环中显示出在热性能、热传递性能和摩擦学特性方面的显著改进[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。在研究的各种纳米粒子中，石墨烯纳米片因其卓越的热响应分析、机械强度和高表面积而脱颖而出，具有显著的潜力来提升润滑剂性能[30]。虽然纳米润滑剂被广泛报道能够改善摩擦学性能，但当前研究并未包括直接的摩擦或磨损测量，因此重点关注与热力学和压缩机行为相关的间接性能指标。

近期研究探索了纳米润滑剂作为被动增强技术，以改善制冷系统的热传递和摩擦学性能。虽然这些研究一致报告了热导率和摩擦力的降低，但它们的发现通常仅限于特定纳米粒子、操作条件或小规模系统。此外，现有纳米润滑剂研究的一个关键局限是缺乏纳米尺度材料行为与系统级热力学性能之间的系统整合。许多研究仅基于经验观察到了性能改进，而没有建立纳米粒子分散特性与宏观系统响应之间的明确机制联系。这一差距突显了需要一个更综合的实验框架，将纳米润滑剂的性能与实际操作条件下的整体系统性能联系起来。尽管之前的研究展示了纳米润滑剂和纳米增强制冷剂的潜力，但大多数工作要么专注于制冷剂相纳米粒子分散，要么仅关注孤立的系统级性能改进。此外，许多研究局限于简化的测试条件，未能反映真实的汽车运行环境。更重要的是，现有研究很少建立润滑剂级别的纳米粒子行为与蒸汽压缩系统整体热力学响应之间的直接关系。因此，控制性能增强的基本机制尚未得到充分澄清。

2023年至2025年间发表的最新研究进一步推动了纳米技术在蒸汽压缩制冷系统中的应用，特别是通过纳米增强制冷剂、混合增强技术和系统级优化策略。这些研究报告了冷却能力和COP的适度改进；然而，它们通常涉及系统复杂性的增加、制冷剂的重新配制或操作条件的限制。此外，最近的许多工作要么专注于制冷剂相纳米粒子分散，要么仅关注孤立组件级别的增强，对实际汽车运行环境下的润滑剂相纳米结构化关注不足。这表明，尽管取得了进展，但仍需要一种更加集成和可扩展的方法来提升系统性能，而不会引入额外的设计复杂性。

尽管在纳米润滑剂研究方面取得了显著进展，但系统研究R1234ze(E)与基于GNP的纳米润滑剂结合使用对汽车VCRS的热力学性能增强的效果尚未得到充分探索。因此，这项初步的实验研究旨在评估和量化在采用超低GWP制冷剂R1234ze(E)运行的汽车VCRS中应用基于GNP的纳米润滑剂所能达到的潜在热力学性能改进。开发了一个汽车VCR（VCRS）测试装置，配备了常用的电驱动压缩机（EDC），这种配置反映了实际应用情况，并确保了与下一代车辆架构的兼容性，同时通过配置为蒸发器量热计的热交换器能够准确评估系统在各种操作条件下的性能。

尽管2023–2025年间在改进基于R1234ze(E)的蒸汽压缩系统方面取得了进展，但此前没有研究同时探讨了润滑剂相石墨烯纳米片在汽车电驱动压缩机系统中的作用，并建立了纳米润滑剂性能与系统级性能之间的明确热力学联系。首先，现有的研究主要关注系统级增强（如内部热交换器、蒸汽喷射）或制冷剂相纳米粒子分散，而润滑剂相纳米结构在组件和循环层面修改热力学行为的作用仍了解不足。其次，之前的工作大多基于经验报告性能改进，而没有建立纳米润滑剂引起的性能变化（如热导率、粘度、界面传输）与宏观系统响应（如压力比、容积效率、压缩机工作）之间的明确热力学联系。第三，关于在汽车电驱动压缩机（EDC）系统中使用超低GWP制冷剂的基于石墨烯的纳米润滑剂的研究仍然有限，尤其是在实际运行条件和负荷变化下。为填补这些空白，本研究提出了一个结合热力学和实验的框架，以评估GNP/POE纳米润滑剂在修改汽车VCRS中的热传递、压力特性和压缩机性能方面的作用，使用了R1234ze(E)。

最近的高影响力研究（2023–2025年）主要集中在系统级修改、制冷剂混合或纳米增强制冷剂上，以缓解性能下降。虽然这些方法展示了可测量的改进，但它们往往增加系统复杂性，需要硬件修改，或在特定操作条件下仅带来有限的性能提升。此外，大多数现有研究仅报告了渐进式的改进，而没有建立纳米尺度材料行为与系统级热力学性能之间的直接联系。因此，控制性能增强的根本机制尚未得到充分解决。相比之下，本研究采用了一种根本不同的方法，利用润滑剂相石墨烯纳米片来提升系统性能，而不改变系统架构。这种策略能够在保持系统简单性的同时同时改善多个性能参数，代表了超越现有最佳方法的重大进步。

总体而言，当前的技术水平（2023–2025年）表明，虽然可以在基于R1234ze(E)的系统中实现性能改进，但现有方法的有效性往往有限，会增加系统复杂性，或缺乏明确的机制理解。这突显了在开发既有效又实际可行的增强策略方面的关键差距。因此，需要一种更为稳健的方法，不仅可以提高热力学性能，还能保持系统简单性，并建立材料属性与系统级别行为之间的明确联系。在这方面，本研究旨在通过深入了解润滑剂相纳米结构如何影响蒸汽压缩制冷系统的热力学行为，超越渐进式的性能改进。与依赖系统修改或制冷剂替代的传统方法不同，本研究探讨了石墨烯纳米片在修改界面热传递、压力动态和压缩机效率中的作用，从而开发了一个将纳米尺度材料属性与宏观系统性能联系起来的概念框架。此外，纳米粒子浓度是一个关键参数，因为它会影响热物理和摩擦学行为；过高的浓度可能导致团聚、粘度增加和性能下降。基于文献中广泛报道的最佳浓度范围，本研究采用了0.05体积%的代表性浓度，以平衡性能增强和分散稳定性。然而，必须认识到这种方法并不能确定绝对的最佳浓度，需要在多个浓度下进行系统研究，以全面表征浓度依赖的性能行为并建立性能-浓度关系。

本研究的新颖之处在于将润滑剂相纳米结构与系统级热力学框架相结合，这是之前关于纳米润滑剂或HFO制冷剂的研究中尚未明确涉及的。在数学层面，本研究通过纳入实验衍生的纳米润滑剂依赖参数（包括热导率增强、粘度变化、热泄漏校正和容积效率公式）来推进传统热力学分析。包含实际热泄漏校正和实验验证的量热平衡，使得在纳米润滑剂条件下更准确地、物理上代表性地量化冷却能力和COP成为可能。在方法论层面，开发了一个结构化的多阶段实验框架，整合了纳米润滑剂的合成、稳定性验证（ζ电位和UV-Vis分析）、热物理表征以及在不同压缩机速度和制冷剂负荷下的参数化系统级测试。这种方法建立了纳米尺度分散行为与宏观热力学性能之间的直接和系统联系，与之前单独处理这些方面的研究不同。

在系统层面，本研究证明，在使用R1234ze(E)的汽车电驱动压缩机（EDC）基蒸汽压缩制冷系统中，GNP/POE纳米润滑剂可以同时提升冷却能力、容积效率、压力比和COP，而无需进行硬件修改。这代表了与现有方法的根本性背离，现有方法依赖于系统重新设计或制冷剂重新配制。本研究强调了润滑剂相的纳米结构化作为下一代汽车空调系统的一种可扩展且实用的策略。总体而言，这些贡献建立了纳米级纳米润滑剂行为与系统级热力学响应之间的机械联系，超越了单纯的性能改进，迈向了对低GWP（全球变暖潜能值）制冷系统中润滑剂增强机制的更根本理解。这明显地将本工作与那些主要依赖于制冷剂改性、制冷剂相中的纳米粒子分散或基于硬件的系统增强的现有研究区分开来。为了保持一致性和清晰性，本文整篇使用“蒸汽压缩制冷系统（VCRS）”这一术语来指代整个制冷系统。

**材料特性**
在本研究中，从Sigma-Aldrich购买的石墨纳米片是一种粉末，根据制造商提供的信息，其纯度为100%，比表面积为50-80平方米/克，厚度为15纳米，颗粒大小小于5微米。根据Daud等人[31]对同样来自Sigma-Aldrich的产品的TEM分析，石墨纳米片呈现六边形结构，32次测量的平均直径为561.1纳米，远小于5微米。

**结果与讨论**
本节中呈现的结果是在广泛的运行条件下进行评估的，包括不同的压缩机转速和制冷剂充量，以确保观察到的性能趋势不仅仅局限于单个操作点，而是能够代表实际的系统行为。为了进一步确保实验结果的稳健性，所有报告的性能改进都使用了来自重复测量的统计指标进行进行分析。

**结论**
本研究重点关注了使用R1234ze(E)作为低GWP制冷剂的汽车蒸汽压缩制冷系统（VCRS）中GNP/POE纳米润滑剂的热力学性能的实验研究。主要研究结果总结如下：
- 在0.05体积占比下，GNP/POE纳米润滑剂表现出优异的胶体稳定性，在30天内几乎未观察到沉降现象；
- 声处理80分钟对于维持纳米粒子的分散效果显著有效。

**作者贡献声明**
Jackly Muriban：撰写初步稿件、方法论制定、数据分析、概念化；
Erdiwansyah：撰写修订稿、可视化设计、验证工作、方法论研究、概念化；
Galang Sandy Prayogo：撰写初步稿件、数据分析、概念化；
Nuzul Hidayat：撰写初步稿件、可视化设计、验证工作、方法论研究、概念化；
Mohd Faizal Jamlos：撰写修订稿、可视化设计。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
作者衷心感谢马来西亚帕杭苏丹阿卜杜拉大学（UMPSA）通过内部拨款RDU252409和PDU253001-1提供的财政支持，以及马来西亚苏丹米赞南极研究基金会（YPASM）2025年的研究资助（授权号UIC250828）。