Porównanie oporu ruchu tłoków pokrytych warstwą nanorurek węglowych z tłokami standardowymi

Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jarosaw Kauny

Politechnika Poznaska

PORÓWNANIE OPORU RUCHU TOKÓW

POKRYTYCH WARSTW NANORUREK

WGLOWYCH Z TOKAMI STANDARDOWYMI

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: W artykule przedstawiono wstpne wyniki bada oporów ruchu toków pokrytych warstw nanorurek wglowych. Cz opracowania powicono równie problemom nakadania warstwy nanorurek na powierzchni stopu aluminium. Uzyskanie warstwy nanorurek o bardzo wskim polu tolerancji stanowio trudny do pokonania problem technologiczny. Standardowy proces hodowania warstwy nanorurek prowadzi‚ do korozyjnego uszkodzenia powierzchni bocznej toków, std te zostay opracowane nowe technologie pozwalajce uzyska trwa warstw nanorurek o gruboci poni ej 5 mikrometrów. Toki o powierzchniach bocznych pokrytych warstw nanorurek zamontowano do silnika o napdzie zewntrznym, a nastpnie wykonano pomiary momentu chwilowych oporów ruchu, co pozwala uchwyci te fazy cyklów pracy silnika, w których warstwa nanorurek daje najlepsze rezultaty. Obecnie prowadzone s dugotrwae badania majce na celu okrelenie stopnia niebezpieczestwa zuszczania si warstwy nanorurek w warunkach du ego obci enia mechanicznego i termicznego.

Sowa kluczowe: silnik spalinowy, straty tarcia, nanorurki wglowe

1. WSTP

Od chwili wynalezienia tokowego silnika spalinowego prowadzone s prace zmierzajce do poprawy parametrów pracy, a tak e trwaoci zespoów silnika. O trwaoci silnika decyduje wymiarowa i geometryczna niezmienno powierzchni wspópracujcych zespoów. Najbardziej oczywistymi zespoami, których ta uwaga dotyczy stanowi grupa tokowo-cylindrowa, o yska lizgowe wau korbowego oraz ukad rozrzdu. W zasadzie wszystkie powierzchnie wzajemnie przemieszczajce si s w jakim stopniu uszlachetniane. Najczciej uszlachetnianie powierzchni polega na hartowaniu lub nanoszeniu warstwy chromu lub innych materiaów, których waciwoci gwarantuj dobre waciwoci tarciowe. Od kilku lat bardzo szybko rozwijaj si mo liwoci uszlachetniania powierzchni poprzez nanoszenie warstw nanomateriaów, np. nanorurek wglowych.

216 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jarosaw Kau ny

Pokrywanie powierzchni stopów aluminium, a tak e ceramiki, warstw nanorurek jest procesem trudnym, ale autorzy niniejszego artykuu osignli ju do dobre dowiadczenie w przeprowadzaniu tego typu procedur [2].

Realizacja innowacyjnej koncepcji wykorzystania pokry nanorurkowych na powierzchni bocznej toka mo e prowadzi do trzech zasadniczych efektów:

 zmniejszenia strat tarcia,

 zwikszenia odpornoci powierzchni na zu ycie cierne,

 zmniejszenia drga wywoanych cyklicznoci pracy tokowego silnika spalinowego,

przy czym efekty te nie musz wystpowa jednoczenie, mogc si wrcz wzajemnie wyklucza.

Podstaw uzyskania wymienionych efektów jest jednak opracowanie metody uzyskiwania nieuszczcych si warstw nanorurek trwale zwizanych z podo em, czyli uszlachetnian powierzchni. Dodatkowo na powierzchni nanorurkek mo e zosta osadzona substancja porednia o dobrych waciwociach trybologicznych. Na wstpie przyjto, e do prób eksperymentalnych jako substancja porednia zostanie u yta platyna. Nale y podkreli, e ze wzgldu na cen platyny, nie mo e to by docelowy pierwiastek, który miaby poprawi waciwoci trybologiczne warstwy nanorurek. Wybór platyny na etapie eksperymentu daje jednak pewno uniknicia trudnych do opanowania zjawisk wchodzenia w reakcje z odczynnikami lub tlenem zawartym w powietrzu.

2. NANOSZENIE SUBSTANCJI USZLACHETNIAJCYCH

NA WARSTW NANORUREK OSADZONEJ NA

POWIERZCHNI METALOWEJ

Nieosigalne dla innych materiaów waciwoci wytrzymaociowe nanorurek wglowych s podstawow cech, która mo e pozwoli na bliskie zupenemu wyeliminowanie zu ycia ciernego wspópracujcych powierzchni par kinematycznych silnika spalinowego. Musi by jednak speniony podstawowy warunek, a mianowicie, nakadane warstwy nanorurek musz trwale przylega do uszlachetnionej powierzchni. Musi te zosta opracowana procedura osadzania na wóknach nanorurek substancji o po danych waciwociach przeciwtarciowych. Punktem wyjcia w przeprowadzonych eksperymentach jest próba osadzenia na nanorurkach czstek platyny.

Synteza nanoczstek platyny pozwala uzyska czstki o rozmiarze rzdu kilku nanometrów, co daje mo liwo pokrywania du ych powierzchni niewielk iloci kosztownej platyny. Jednak bardzo wa ne jest to, aby ich rednica nie bya mniejsza ni 2 nm. Jeli nanoczstki platyny byyby mniejsze ni 2nm, utraciyby wówczas swoje waciwoci znane ze struktur w skali makro [1,3-11]. Nanoczstki platyny uzyskane w wyniku zmodyfikowanej metody Tukrevicha zostay scharakteryzowane za pomoc transmisyjnego mikroskopu elektronowego LEO 922A (rys. 1).

Rys. 1. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiajce wglowe nanorurki z osadzonymi na nich nanoczstkami platyny [2]

Ró nica w zmodyfikowanej metodzie Turkevicha polega na zastosowaniu odpowiedniego reduktora. W metodzie Turkevitcha elementem redukujcym jest dwuuwodniony cytrynian trisodowy dziki energii termicznej uzyskanej podczas podgrzewania. W zmodyfikowanej metodzie stosuje si silniejszy reduktor w postaci tetra wodoroborku sodu, który oddziauje szybciej pozostawiajc mniejsze nanoczstki ni dwuuwodniony cytrynian trisodowy [2].

3. WZROST NANORUREK

Wzrost nanorurek w procesie CVD pozwala uzyska wielocienne nanorurki wglowe (ang. Multiwalled Carbon Nanotubes MWCNTs) na du ych powierzchniach przy jednoczesnym zapewnieniu bardzo dobrej wydajnoci.

Przeprowadzenie procesu wzrostu wykorzystujc technik CVD, przy jednoczesnym zastosowaniu silnego pola elektrycznego, pozwolio na pionowy wzrost nanorurek. Byo to mo liwe dziki du ym powierzchniom paskim poo onym w jednej paszczy nie. Pionowy wzrost nanorurek wglowych zosta przedstawiony na rys. 2 A, B oraz C, natomiast wzrost anizotropowy na D.

30

218 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jarosaw Kau ny

Rys. 2. Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawiajce powierzchni metalow pokryt nanorurkami wglowymi [2]

Na rys. 3 przedstawiono tok przeznaczony do bada przed pokryciem warstw nanorurek, a na rys. 4 taki tok po naniesieniu na powierzchni bocznej warstwy nanorurek o gruboci 5 Pm.

Rys. 3. Powierzchnia boczna toka przeznaczonego do bada przed pokryciem warstw nanorurek

(C (D

(A (B

20 10

Rys. 4. Powierzchnia boczna toka przeznaczonego do bada po pokryciu powierzchni bocznej warstw nanorurek

4. WYNIKI BADA MOMENTU OPORU RUCHU SILNIKA

SPALINOWEGO DLA DWÓCH WARIANTÓW TOKÓW

Toki przedstawione na rys. 3 i 4 zamontowano do silnika, a nastpnie przeprowadzono badania porównawcze momentu oporu ruchu. Wyniki pomiarów dla toka fabrycznego przedstawiono na rys. 5, natomiast dla toka pokrytego warstw nanorurek wglowych – na rys. 6, 7 i 8. Na wszystkich poni szych rysunkach oznaczenia poszczególnych przebiegów s takie same. Linia niebieska, skojarzona ze skal naniesion po lewej stronie wykresu, przedstawia wyniki pomiaru bezporedniego. Przebieg momentu skorygowanego poprzez odjcie od wyników pomiaru tych harmonicznych, które nie s w fazie z prdkoci obrotow silnika oznaczona jest lini zielona, natomiast sumaryczny moment odjty w wyniku korekcji od momentu zmierzonego reprezentuje linia czerwona. Skala przebiegów naniesionych lini zielon i czerwon jest przedstawiona po prawej stronie rysunku.

220 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jarosaw Kau ny

Rys. 5. Przebieg momentu napdu silnika –Przebiegi uzyskane dla toków standardowych po 10 godzinach pracy silnika

Rys. 6. Przebieg momentu napdu silnika. Przebiegi uzyskane dla toków z warstw nanorurek po 5 minutach pracy silnika

Rys. 7. Przebieg momentu napdu silnika. Przebiegi uzyskane dla toków z warstw nanorurek po 15 minutach pracy silnika

Rys. 8. Przebieg momentu napdu silnika. Przebiegi uzyskane dla toków z warstw nanorurek po 25 minutach pracy silnika

Przebiegi momentów przedstawione na rys. 6 uzyskano po 5 min od momentu uruchomieniu silnika z nowo zamontowanymi tokami z warstw nanorurek wglowych, przebiegi na rys. 7 przedstawiaj wyniki pomiarów po 15 min i ostatecznie przebiegi na rys. 8 po 25 min. Badania przeprowadzono ustalajc temperatur oleju na poziomie 90 °C. Stanowisko, na którym przeprowadzono pomiary momentu sprz enia silnika spalinowego z napdzajcym go silnikiem elektrycznym przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9. Widok ogólny stanowiska do pomiaru momentu sprz enia silnika spalinowego z napdzajcym go asynchronicznym silnikiem elektrycznym

222 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jarosaw Kau ny

Budujc stanowisko szczególn uwag zwrócono na zapewnienie stabilnej temperatury oleju smarujcego, co w sposób oczywisty jest konieczne dla uchwycenia ró nic w oporach tarcia wewntrznego generowanych przez badany silnik.

5. ANALIZA WYNIKÓW BADA

Porównujc przebiegi momentów napdu silnika spalinowego wyposa onego w toki standardowe i toki pokryte warstw nanorurek wglowych mo na zauwa y pocztkowo wiksze straty tarcia w przypadku toków pokrytych nanorurkami wglowymi nazwanego umownie SSNW. Po 25 min. ruchu silnika redni moment tarcia silnika SSNW wynosi 3,56 Nm a silnika wyposa onego w toki standardowe – SSTS – 3,36 Nm. W przypadku silnika SSNW mo na jednak zauwa y wyra n tendencj zmniejszania si momentu oporów ruchu a poza tym szczelina midzy tokiem a gadzi cylindra w silnikach SSNW jest mniejsza o podwójn warto gruboci warstwy nanorurek, czyli o 10 Pm.

Istotniejszym wynikiem przeprowadzonych bada jest rednie odchylenie sygnau momentu o czstotliwoci ró nej od wielokrotnoci czstotliwoci ruchu obrotowego okrelanego dalej jako momentu niecyklicznego - MN. Przebieg tego sygnau przedstawiono na rys. 5 do 8 lini czerwon przy czym wartoci redniego odchylenia wynosz odpowiednio:

 dla toka standardowego SSTS – 0,123 Nm,  dla toka SSNW po 5 min pracy silnika – 0,145 Nm,  dla toka SSNW po 15 min pracy silnika – 0,095 Nm,  dla toka SSNW po 25 min pracy silnika – 0,096 Nm.

Warto pocztkowa redniego odchylenia MN dla toków SSNW wynosi 0,145 Nm, a nastpnie szybko zmniejsza si do poziomu 0,095 Nm, podczas kiedy dla toków SSTS warto redniego odchylenia MN wynosi 0,123 Nm. Mo e to oznacza, e wprowadzenie pokrycia toków SSNW stabilizuje ruch toka, a to prowadzi do mniej intensywnych drga skrtnych way korbowego silnika oraz mniejszego nat enia haasu.

6. WNIOSKI

1. Istnieje mo liwo nanoszenia na aluminiow powierzchni boczn toka zmodyfikowanej warstwy nanorurek wglowych o bardzo maych grubociach mniejszych ni standardowy luz monta owy toków osadzonych w cylindrze.

2. Opracowana warstwa nanorurek wglowych przylega do powierzchni aluminiowej w stopniu zapobiegajcym zuszczanie si warstwy zarówno w wyniku obci e mechanicznych jak i termicznych panujcych w tokowym silniku spalinowym napdzanym z zewntrz.

3. Zmniejszenie szczeliny midzy tokiem a cylindrem - poprzez osadzenia na powierzchni bocznej toka warstwy nanorurek - prowadzi do nieznacznego zwikszenia momentu oporu ruchu ale s to warunki ograniczajce drgania skrtne wau silnika.

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki na podstawie decyzji Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyszszego nr 5112/B/T02/2011/40.

Synteza nanorurek wglowych zostaa wykonana w NanoLab, Inc.; 179 Bear Hill Road; Waltham, MA 20451.

Bibliografia

1. Arenz M., Mayrhofer K. J. J., Stamenkovic V., Blizanac B. B., Tomoyuki T., Ross P. N., Markovic N. M. J., Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6819-6829.

2. Ciakowski M., Iskra A., Giersig M., Kempa K. Wysokoefektywny samochodowy reaktor katalityczny na bazie trójwymiarowych hierarchicznych nanostruktur wglowych. Nr projektu: 3940/T02/2007/32, Pozna 2009.

3. Cherstiouk O. V., Simonov P. A., Savinova E. R., Electrochemistry Acta 2003, 48, 3851-3860.

4. Durand R., Faure R., Gloaguen F., Aberdam D., Adzic R. R., Ansonand F. C., Kinoshita K., The Electrochemical Society Inc., Pennington 1996, Vol. 95-26, p 27.

5. Frelink T., Visscher W., van Veen J. A. R., Journal of Electroanalytical Chemistry 382, 65-72 (1995). 6. Kabbabi A., Gloaguen F., Andolfatto F., R. Durand, Journal of Electroanalytical Chemistry, 373,

251-254 (1994).

7. Kinoshita K., Electrochemical oxygen technology, John Wiley & Sons, New York 1992.

8. Maillard F., Eikerling M., Cherstiouk O. V., Schreier S., Savinova E., Stimming U., Faraday Discuss, 125 (2004) 357-377.

9. Mukerjee S., McBreen J. J., Electroanal. Chem. 1998, 448, 163-171.

10. Sun, Y., Zhuang, L., Lu, J., Hong, X., Liu, P. J., Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15465-15467.

11. Takasu Y., Ohashi N., Zhang X. G., Murakami Y., Minagawa H., Sato S., Yahikozawa K., Electrochimica Acta, 41, 2595-2600 (1996).

12. Tang Z. C., Geng D. S., Lu G. X. J., Colloid Interface Sci. 2005, 287, 159-166.

THE RESISTANCE TO MOTION COMPARISON OF STANDARD PISTONS AND WITH CARBON NANOTUBES COATING

Summary: The paper presents preliminary results of the resistance to motion test of pistons coated with a layer of carbon nanotubes (CNTs). A significant part of this paper concerns the problems of coating the surface of an aluminium alloy with a layer of carbon nanotubes. Obtaining a layer of carbon nanotubes of a very narrow margin of tolerance was a difficult technological problem to overcome. A standard process of growing a layer of CNTs leads to a corrosion damage of the side surface of pistons. Therefore, the new technologies were developed allowing obtaining a durable layer of carbon nanotubes less than 5 microns thick. Pistons which side surfaces were coated with a layer of nanotubes were mounted to an engine with an external drive, and then measurements of the moment of momentary resistance to motion were performed, which enables capturing these phases of the engine work cycles in which the layer of nanotubes gives the best results. At present, long-term researches are being carried out in order to determine the risk of exfoliation of the layer of nanotubes under the conditions of heavy mechanical and thermal loads. The special nanotechnology method cold nanosphere lithography has been invested to control the structural properties sand growth of multiwall carbon nanotubes. The preliminary analysis of dismantled pistons revealed that nanotubes layers were partially worn off at the peaks of micro roughness but in the valleys the nanotubes accurately adhered to the piston lateral surface.