ebook Eksperymentalne zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego Jarosław Kałużny

Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej

Rok wydania: 2013

Motywację do powstania tej pracy stanowił obserwowany w ostatnich latach intensywny rozwój inżynierii materiałowej w zakresie nanomateriałów, szczególnie nanorurek węglowych. Autor podjął zadanie zbadania skutków zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji wybranych elementów tłokowego silnika spalinowego. Wykonanie tego zadania rozpoczęto od przeprowadzenia wstępnych dwukierunkowych studiów literaturowych, w wyniku czego usystematyzowano wiedzę w zakresie podstawowych właściwości nanorurek węglowych oraz zdefiniowano najbardziej prawdopodobny scenariusz rozwoju konstrukcji przyszłościowych silników spalinowych.
Postawiono cel naukowy, którym jest zbadanie skutków zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji wybranych elementów silnika. Osiągnięcie celu naukowego pośrednio przybliża do celu utylitarnego, którym jest ukierunkowanie badań aplikacyjnych przez wskazanie takich obszarów zastosowań nanorurek węglowych, które umożliwią dalszy rozwój konstrukcji silnika i będą efektywne kosztowo.
Pierwszy etap zasadniczej części pracy stanowił wybór obszaru eksperymentalnych zastosowań nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego. Przeprowadzono ukierunkowany przegląd literatury w zakresie wyników badań właściwości nanorurek w zastosowaniach funkcjonalnie zbliżonych do wybranych elementów silnika: reaktora katalitycznego i powierzchni nośnej tłoka. Obydwa zaproponowane rozwiązania stanowią próbę wykorzystania unikalnych cech nanorurek węglowych, którymi są niezwykle rozwinięta powierzchnia i korzystne właściwości tribologiczne. W odniesieniu do reaktora katalitycznego oczekiwano zwiększenia powierzchni czynnej nanocząstek katalizatora – platyny naniesionej na warstwę nanorurek węglowych. Pokrycie powierzchni nośnej tłoka warstwą nanorurek węglowych miało na celu przede wszystkim ograniczenie strat tarcia pracującego silnika.
Zasadnicza część pracy polegała na zbudowaniu i zbadaniu właściwości eksperymentalnego reaktora katalitycznego i eksperymentalnego tłoka. Eksperymentalny reaktor poddano badaniom w laboratorium fizykochemicznym i badaniom silnikowym. W laboratorium fizykochemicznym wykonano między innymi liczne badania struktury powierzchni reaktora z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego oraz określono wielkość powierzchni czynnej reaktora. Badania silnikowe przeprowadzono w zasadniczej części w hamowni silnikowej, ich wyniki były na bieżąco analizowane i stanowiły podstawę do budowania kolejnych, ulepszonych wersji eksperymentalnego reaktora katalitycznego. Cykl badań reaktora zamykają testy wybranych wersji, przeprowadzone w warunkach hamowni podwoziowej zgodnie z procedurą homologacyjną. Badania tłoków eksperymentalnych miały również charakter wieloetapowy. Podobnie jak w przypadku reaktora, wyniki testów pierwszych wersji stanowiły przesłankę do ulepszeń kolejnych partii tłoków. Zasadniczą część badań stanowiło porównanie strat tarcia tłoków eksperymentalnych i tłoków standardowych. Badania porównawcze przeprowadzono z wykorzystaniem zbudowanego przez autora stanowiska symulacyjnego, którego główny element stanowi silnik spalinowy z napędem zewnętrznym. Liczne dodatkowe badania miały na celu precyzyjne określenie kształtu i chropowatości współpracujących powierzchni tłoków i cylindrów przed badaniami silnikowymi i po ich zakończeniu. W badaniach tych wykorzystano maszynę współrzędnościową, profilograf i precyzyjną średnicówkę. Po zakończeniu badań silnikowych wykonano badania obrazowe powierzchni nanorurek z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu skaningowego. W wyniku przeprowadzonych prac stwierdzono między innymi, że zastosowanie nanorurek węglowych w strukturze warstwy pośredniej reaktora katalitycznego prowadzi do radykalnego zwiększenia jego aktywności w odniesieniu do cząstek stałych. Z kolei pokrycie powierzchni nośnej eksperymentalnych tłoków warstwą nanorurek umożliwiło bardzo duże zmniejszenie strat tarcia w szerokim zakresie warunków pracy silnika.
Wykonane prace badawcze umożliwiły wskazanie obszarów nowych zastosowań nanorurek węglowych. Uzyskane wyniki pozwalają ukierunkować przyszłościowe badania na filtry cząstek stałych i wielowarstwowe, funkcjonalnie wyspecjalizowane pokrycia powierzchni nośnej tłoków.

Spis treści ebooka Eksperymentalne zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego

Streszczenie 5
Wykaz skrótów i oznaczeń 7

1. Wstęp 11

2. Tendencje rozwojowe w konstrukcji tłokowych silników spalinowych jako czynnik stymulujący zastosowania nowych materiałów 14

2.1. Uwarunkowania i perspektywy rozwoju silników spalinowych 14
2.2. Downsizing silnika 16

3. Nanorurki węglowe 23

3.1. Nanorurki węglowe jako alotropowa odmiana węgla 23
3.2. Budowa i właściwości nanorurek węglowych 24
3.3. Wybrane metody wytwarzania nanorurek węglowych 29
3.4. Wpływ nanorurek węglowych na organizm człowieka 31

4. Cel, zakres i charakterystyka oczekiwanych rezultatów pracy 33

4.1. Cel pracy 33
4.2. Zakres pracy 34
4.2.1. Wybór obszaru zastosowań nanorurek węglowych 34
4.2.2. Charakterystyka oczekiwanych rezultatów 35
4.2.3. Etapy pracy i rodzaje prowadzonych badań 36

5. Wykorzystanie unikalnych właściwości nanorurek węglowych do kształtowania cech funkcjonalnych wybranych elementów konstrukcyjnych silnika 39

5.1. Zastosowanie nanorurek w konstrukcji reaktora katalitycznego 39
5.1.1. Budowa i warunki pracy reaktora katalitycznego 39
5.1.2. Badania nanorurek węglowych w zastosowaniach zbliżonych funkcjonalnie do silnikowego reaktora katalitycznego 44
5.2. Zastosowanie nanorurek na powierzchni nośnej tłoka 55
5.2.1. Warunki pracy powierzchni nośnej tłoka i przewidywane korzyści wynikające z zastosowania nanorurek węglowych 55
5.2.2. Konstrukcyjne i eksploatacyjne uwarunkowania nasilające efekt tarcia mieszanego 58
5.2.3. Badania właściwości nanorurek węglowych w zakresie tarcia i tłumienia drgań 63
5.2.4. Materiał tłoka i powłoki stosowane w produkcji seryjnej 68

6. Zastosowanie nanorurek węglowych w konstrukcji utleniającego reaktora katalitycznego 76

6.1. Koncepcja eksperymentalnego reaktora katalitycznego 76
6.2. Budowa eksperymentalnego reaktora katalitycznego 77
6.3. Pozasilnikowe testy badawczego reaktora katalitycznego 80
6.4. Badania silnikowe 84
6.4.1. Cel i strategia badań silnikowych 84
6.4.2. Badania w hamowni silnikowej 86
6.4.3. Badania w hamowni podwoziowej 98

7. Zastosowanie nanorurek węglowych na powierzchni nośnej tłoka 105

7.1. Koncepcja tłoka eksperymentalnego 105
7.2. Przygotowanie tłoków eksperymentalnych 106
7.3. Badania tłoków eksperymentalnych 109
7.3.1. Cel, zakres i metody badań 109
7.3.2. Pierwszy etap badań – pomiary tłoków przed pokryciem nanorurkami 111
7.3.3. Drugi etap badań – pomiary tłoków przed montażem w silniku 114
7.3.4. Trzeci etap badań – badania silnikowe 121
7.3.5. Czwarty etap badań – ocena zużycia warstwy nanorurek i gładzi cylindra 138

8. Wnioski końcowe i podsumowanie 148

8.1. Omówienie badań eksperymentalnego reaktora katalitycznego 148
8.2. Wnioski wynikające z badań eksperymentalnego reaktora katalitycznego 149
8.3. Omówienie badań tłoków eksperymentalnych 150
8.4. Wnioski wynikające z badań tłoków eksperymentalnych 151
8.5. Podsumowanie 152

9. Kierunki dalszych badań i nowe zastosowania nanorurek węglowych 153

Literatura 156
Załącznik 1 167
Załącznik 2 168
Załącznik 3 169
Załacznik 4 170
Załącznik 5 171