PORÓWNANIE OPORU RUCHU T OKÓW POKRYTYCH WARSTW NANORUREK W GLOWYCH Z T OKAMI STANDARDOWYMI

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jaros aw Ka u ny Politechnika Pozna ska PORÓWNANIE OPORU RUCHU T OKÓW POKRYTYCH WARSTW NANORUREK W GLOWYCH Z T OKAMI STANDARDOWYMI R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono wst pne wyniki bada oporów ruchu t oków pokrytych warstw nanorurek w glowych. Cz opracowania po wi cono równie problemom nak adania warstwy nanorurek na powierzchni stopu aluminium. Uzyskanie warstwy nanorurek o bardzo w skim polu tolerancji stanowi o trudny do pokonania problem technologiczny. Standardowy proces hodowania warstwy nanorurek prowadzi do korozyjnego uszkodzenia powierzchni bocznej t oków, st d te zosta y opracowane nowe technologie pozwalaj ce uzyska trwa warstw nanorurek o grubo ci poni ej 5 mikrometrów. T oki o powierzchniach bocznych pokrytych warstw nanorurek zamontowano do silnika o nap dzie zewn trznym, a nast pnie wykonano pomiary momentu chwilowych oporów ruchu, co pozwala uchwyci te fazy cyklów pracy silnika, w których warstwa nanorurek daje najlepsze rezultaty. Obecnie prowadzone s d ugotrwa e badania maj ce na celu okre lenie stopnia niebezpiecze stwa z uszczania si warstwy nanorurek w warunkach du ego obci enia mechanicznego i termicznego. S owa kluczowe: silnik spalinowy, straty tarcia, nanorurki w glowe 1. WST P Od chwili wynalezienia t okowego silnika spalinowego prowadzone s prace zmierzaj ce do poprawy parametrów pracy, a tak e trwa o ci zespo ów silnika. O trwa o ci silnika decyduje wymiarowa i geometryczna niezmienno powierzchni wspó pracuj cych zespo ów. Najbardziej oczywistymi zespo ami, których ta uwaga dotyczy stanowi grupa t okowo-cylindrowa, o yska lizgowe wa u korbowego oraz uk ad rozrz du. W zasadzie wszystkie powierzchnie wzajemnie przemieszczaj ce si s w jakim stopniu uszlachetniane. Najcz ciej uszlachetnianie powierzchni polega na hartowaniu lub nanoszeniu warstwy chromu lub innych materia ów, których w a ciwo ci gwarantuj dobre w a ciwo ci tarciowe. Od kilku lat bardzo szybko rozwijaj si mo liwo ci uszlachetniania powierzchni poprzez nanoszenie warstw nanomateria ów, np. nanorurek w glowych.

2 216 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jaros aw Ka u ny Pokrywanie powierzchni stopów aluminium, a tak e ceramiki, warstw nanorurek jest procesem trudnym, ale autorzy niniejszego artyku u osi gn li ju do dobre do wiadczenie w przeprowadzaniu tego typu procedur [2]. Realizacja innowacyjnej koncepcji wykorzystania pokry nanorurkowych na powierzchni bocznej t oka mo e prowadzi do trzech zasadniczych efektów: zmniejszenia strat tarcia, zwi kszenia odporno ci powierzchni na zu ycie cierne, zmniejszenia drga wywo anych cykliczno ci pracy t okowego silnika spalinowego, przy czym efekty te nie musz wyst powa jednocze nie, mog c si wr cz wzajemnie wyklucza. Podstaw uzyskania wymienionych efektów jest jednak opracowanie metody uzyskiwania nie uszcz cych si warstw nanorurek trwale zwi zanych z pod o em, czyli uszlachetnian powierzchni. Dodatkowo na powierzchni nanorurkek mo e zosta osadzona substancja po rednia o dobrych w a ciwo ciach trybologicznych. Na wst pie przyj to, e do prób eksperymentalnych jako substancja po rednia zostanie u yta platyna. Nale y podkre li, e ze wzgl du na cen platyny, nie mo e to by docelowy pierwiastek, który mia by poprawi w a ciwo ci trybologiczne warstwy nanorurek. Wybór platyny na etapie eksperymentu daje jednak pewno unikni cia trudnych do opanowania zjawisk wchodzenia w reakcje z odczynnikami lub tlenem zawartym w powietrzu. 2. NANOSZENIE SUBSTANCJI USZLACHETNIAJ CYCH NA WARSTW NANORUREK OSADZONEJ NA POWIERZCHNI METALOWEJ Nieosi galne dla innych materia ów w a ciwo ci wytrzyma o ciowe nanorurek w glowych s podstawow cech, która mo e pozwoli na bliskie zupe nemu wyeliminowanie zu ycia ciernego wspó pracuj cych powierzchni par kinematycznych silnika spalinowego. Musi by jednak spe niony podstawowy warunek, a mianowicie, nak adane warstwy nanorurek musz trwale przylega do uszlachetnionej powierzchni. Musi te zosta opracowana procedura osadzania na w óknach nanorurek substancji o po danych w a ciwo ciach przeciwtarciowych. Punktem wyj cia w przeprowadzonych eksperymentach jest próba osadzenia na nanorurkach cz stek platyny. Synteza nanocz stek platyny pozwala uzyska cz stki o rozmiarze rz du kilku nanometrów, co daje mo liwo pokrywania du ych powierzchni niewielk ilo ci kosztownej platyny. Jednak bardzo wa ne jest to, aby ich rednica nie by a mniejsza ni 2 nm. Je li nanocz stki platyny by yby mniejsze ni 2nm, utraci yby wówczas swoje w a ciwo ci znane ze struktur w skali makro [1,3-11]. Nanocz stki platyny uzyskane w wyniku zmodyfikowanej metody Tukrevicha zosta y scharakteryzowane za pomoc transmisyjnego mikroskopu elektronowego LEO 922A (rys. 1).

3 Porównanie oporu ruchu t oków pokrytych warstw nanorurek w glowych z Rys. 1. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiaj ce w glowe nanorurki z osadzonymi na nich nanocz stkami platyny [2] Ró nica w zmodyfikowanej metodzie Turkevicha polega na zastosowaniu odpowiedniego reduktora. W metodzie Turkevitcha elementem redukuj cym jest dwuuwodniony cytrynian trisodowy dzi ki energii termicznej uzyskanej podczas podgrzewania. W zmodyfikowanej metodzie stosuje si silniejszy reduktor w postaci tetra wodoroborku sodu, który oddzia uje szybciej pozostawiaj c mniejsze nanocz stki ni dwuuwodniony cytrynian trisodowy [2]. 3. WZROST NANORUREK Wzrost nanorurek w procesie CVD pozwala uzyska wielo cienne nanorurki w glowe (ang. Multiwalled Carbon Nanotubes MWCNTs) na du ych powierzchniach przy jednoczesnym zapewnieniu bardzo dobrej wydajno ci. Przeprowadzenie procesu wzrostu wykorzystuj c technik CVD, przy jednoczesnym zastosowaniu silnego pola elektrycznego, pozwoli o na pionowy wzrost nanorurek. By o to mo liwe dzi ki du ym powierzchniom p askim po o onym w jednej p aszczy nie. Pionowy wzrost nanorurek w glowych zosta przedstawiony na rys. 2 A, B oraz C, natomiast wzrost anizotropowy na D.

4 218 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jaros aw Ka u ny (A (B (C (D 3 2 Rys. 2. Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego przedstawiaj ce powierzchni metalow pokryt nanorurkami w glowymi [2] Na rys. 3 przedstawiono t ok przeznaczony do bada przed pokryciem warstw nanorurek, a na rys. 4 taki t ok po naniesieniu na powierzchni bocznej warstwy nanorurek o grubo ci 5 Pm. Rys. 3. Powierzchnia boczna t oka przeznaczonego do bada przed pokryciem warstw nanorurek

5 Porównanie oporu ruchu t oków pokrytych warstw nanorurek w glowych z 219 Rys. 4. Powierzchnia boczna t oka przeznaczonego do bada po pokryciu powierzchni bocznej warstw nanorurek 4. WYNIKI BADA MOMENTU OPORU RUCHU SILNIKA SPALINOWEGO DLA DWÓCH WARIANTÓW T OKÓW T oki przedstawione na rys. 3 i 4 zamontowano do silnika, a nast pnie przeprowadzono badania porównawcze momentu oporu ruchu. Wyniki pomiarów dla t oka fabrycznego przedstawiono na rys. 5, natomiast dla t oka pokrytego warstw nanorurek w glowych 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 bezpo redniego. Przebieg momentu skorygowanego poprzez odj cie od wyników pomiaru tych harmonicznych, które nie s w fazie z pr dko ci obrotow silnika oznaczona jest lini zielona, natomiast sumaryczny moment odj ty w wyniku korekcji od momentu zmierzonego reprezentuje linia czerwona. Skala przebiegów naniesionych lini zielon i czerwon jest przedstawiona po prawej stronie rysunku.

6 220 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jaros aw Ka u ny Rys. 5. Przebieg momentu nap du silnika Przebiegi uzyskane dla t oków standardowych po 10 godzinach pracy silnika Rys. 6. Przebieg momentu nap du silnika. Przebiegi uzyskane dla t oków z warstw nanorurek po 5 minutach pracy silnika Rys. 7. Przebieg momentu nap du silnika. Przebiegi uzyskane dla t oków z warstw nanorurek po 15 minutach pracy silnika

7 Porównanie oporu ruchu t oków pokrytych warstw nanorurek w glowych z 221 Rys. 8. Przebieg momentu nap du silnika. Przebiegi uzyskane dla t oków 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 t okami z warstw nanorurek w glowych, przebiegi na rys. 7 przedstawiaj wyniki pomiarów po 15 min i ostatecznie przebiegi na rys. 8 po 25 min. Badania przeprowadzono ustalaj c temperatur oleju na poziomie 90 C. Stanowisko, na którym przeprowadzono pomiary momentu sprz enia silnika spalinowego z nap dzaj cym go silnikiem elektrycznym przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Widok ogólny stanowiska do pomiaru momentu sprz enia silnika spalinowego z nap dzaj cym go asynchronicznym silnikiem elektrycznym

8 222 Antoni Iskra, Maciej Babiak, Jaros aw Ka u ny Buduj c stanowisko szczególn uwag zwrócono na zapewnienie stabilnej temperatury oleju smaruj cego, co w sposób oczywisty jest konieczne dla uchwycenia ró nic w oporach tarcia wewn trznego generowanych przez badany silnik. 5. ANALIZA WYNIKÓW BADA Porównuj c przebiegi momentów nap du silnika spalinowego wyposa onego w t oki standardowe i t oki pokryte warstw nanorurek w glowych mo na zauwa y pocz tkowo wi ksze straty tarcia w przypadku t oków pokrytych nanorurkami w glowymi nazwanego umownie SSNW. Po 25 min. ruchu silnika redni moment tarcia silnika SSNW wynosi 3,56 Nm a silnika wyposa onego w t oki 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 mi dzy t okiem a g adzi cylindra w silnikach SSNW jest mniejsza o podwójn warto grubo ci warstwy nanorurek, czyli o 10 m. Istotniejszym wynikiem przeprowadzonych bada jest rednie odchylenie sygna u momentu o cz stotliwo ci ró nej od wielokrotno ci cz stotliwo ci ruchu obrotowego okre lanego dalej jako momentu niecyklicznego - MN. Przebieg tego sygna u przedstawiono na rys. 5 do 8 lini czerwon przy czym warto ci redniego odchylenia wynosz odpowiednio: dla t oka standardowego SSTS 0,123 Nm, dla t oka SSNW po 5 min pracy silnika 0,145 Nm, dla t oka SSNW po 15 min pracy silnika 0,095 Nm, dla t oka SSNW po 25 min pracy silnika 0,096 Nm. Warto pocz tkowa redniego odchylenia MN dla t oków SSNW wynosi 0,145 Nm, a nast pnie szybko zmniejsza si do poziomu 0,095 Nm, podczas kiedy dla t oków SSTS warto redniego odchylenia MN wynosi 0,123 Nm. Mo e to oznacza, e wprowadzenie pokrycia t oków SSNW stabilizuje ruch t oka, a to prowadzi do mniej intensywnych drga skr tnych wa y korbowego silnika oraz mniejszego nat enia ha asu. 6. WNIOSKI 1. Istnieje mo liwo nanoszenia na aluminiow powierzchni boczn t oka zmodyfikowanej warstwy nanorurek w glowych o bardzo ma ych grubo ciach mniejszych ni standardowy luz monta owy t oków osadzonych w cylindrze. 2. Opracowana warstwa nanorurek w glowych przylega do powierzchni aluminiowej w stopniu zapobiegaj cym z uszczanie si warstwy zarówno w wyniku obci e mechanicznych jak i termicznych panuj cych w t okowym silniku spalinowym nap dzanym z zewn trz.

9 Porównanie oporu ruchu t oków pokrytych warstw nanorurek w glowych z Zmniejszenie szczeliny mi dzy t okiem a cylindrem - poprzez osadzenia na powierzchni bocznej t oka warstwy nanorurek - prowadzi do nieznacznego zwi kszenia momentu oporu ruchu ale s to warunki ograniczaj ce drgania skr tne wa u silnika. Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki na podstawie decyzji Ministra Nauki i Szkolnictwa Wy szszego nr 5112/B/T02/2011/40. Synteza nanorurek w glowych zosta a wykonana w NanoLab, Inc.; 179 Bear Hill Road; Waltham, MA 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, Cia kowski M., Iskra A., Giersig M., Kempa K. Wysokoefektywny samochodowy reaktor katalityczny na bazie trójwymiarowych hierarchicznych nanostruktur w glowych. Nr projektu: 3940/T02/2007/32, Pozna Cherstiouk O. V., Simonov P. A., Savinova E. R., Electrochemistry Acta 2003, 48, Durand R., Faure R., Gloaguen F., Aberdam D., Adzic R. R., Ansonand F. C., Kinoshita K., The Electrochemical Society Inc., Pennington 1996, Vol , p Frelink T., Visscher W., van Veen J. A. R., Journal of Electroanalytical Chemistry 382, (1995). 6. Kabbabi A., Gloaguen F., Andolfatto F., R. Durand, Journal of Electroanalytical Chemistry, 373, (1994). 7. Kinoshita K., Electrochemical oxygen technology, John Wiley & Sons, New York Maillard F., Eikerling M., Cherstiouk O. V., Schreier S., Savinova E., Stimming U., Faraday Discuss, 125 (2004) Mukerjee S., McBreen J. J., Electroanal. Chem. 1998, 448, Sun, Y., Zhuang, L., Lu, J., Hong, X., Liu, P. J., Am. Chem. Soc. 2007, 129, Takasu Y., Ohashi N., Zhang X. G., Murakami Y., Minagawa H., Sato S., Yahikozawa K., Electrochimica Acta, 41, (1996). 12. Tang Z. C., Geng D. S., Lu G. X. J., Colloid Interface Sci. 2005, 287, 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. Keywords: internal combustion engine, friction losses, carbon nanotubes