Eksperymentalne zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego

Motywację do powstania tej pracy stanowił obserwowany w ostatnich latach intensywny rozwój inżynierii materiałowej w zakresie nanomateriałów, nad wyraz nanorurek węglowych. Autor podjął zadanie zbadania skutków zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji wybranych składników tłokowego silnika spalinowego.

Wykonanie tego zadania rozpoczęto od przeprowadzenia wstępnych dwukierunkowych studiów literaturowych, w wyniku czego usystematyzowano wiedzę w zakresie podstawowych atrybuty nanorurek węglowych, a także zdefiniowano najszczególniej prawdopodobny scenariusz rozwoju konstrukcji przyszłościowych silników spalinowych.

Postawiono cel naukowy, którym jest zbadanie skutków użycia nanorurek węglowych w konstrukcji wybranych części silnika. Osiągnięcie celu naukowego pośrednio przybliża do celu utylitarnego, którym jest ukierunkowanie badań aplikacyjnych poprzez wskazanie takich obszarów zastosowań nanorurek węglowych, które umożliwią dalszy rozwój konstrukcji silnika i będą sprawne kosztowo.

Pierwszy etap znaczącej części pracy stanowił dobór obszaru eksperymentalnych zastosowań nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego. Przeprowadzono ukierunkowany przegląd literatury w zakresie wyników badań cechy nanorurek w zastosowaniach praktycznie zbliżonych do wybranych komponentów silnika: reaktora katalitycznego i powierzchni nośnej tłoka.

Obydwa zaproponowane rozwiązania stanowią próbę użycia unikalnych cech nanorurek węglowych, którymi są istotnie rozwinięta powierzchnia i dobre parametry tribologiczne. W odniesieniu do reaktora katalitycznego oczekiwano powiększenia powierzchni czynnej nanocząstek katalizatora – platyny naniesionej na warstwę nanorurek węglowych.

Pokrycie powierzchni nośnej tłoka powłoką nanorurek węglowych miało na celu z zasady ograniczenie strat tarcia pracującego silnika. Stanowcza część pracy polegała na zbudowaniu i zbadaniu atrybuty 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 użyciem transmisyjnego mikroskopu elektronowego, a także określono wielkość powierzchni czynnej reaktora.

Badania silnikowe przeprowadzono w znaczącej części w hamowni silnikowej; ich wyniki były na bieżąco analizowane i stanowiły podstawę do budowania kolejnych, ulepszonych wersji eksperymentalnego reaktora katalitycznego.

proces badań reaktora zamykają testy wybranych wersji, przeprowadzone w warunkach hamowni podwoziowej zgodnie z procedurą homologacyjną. Badania tłoków eksperymentalnych miały też charakter wieloetapowy.

Podobnie jak w przypadku reaktora, wyniki testów pierwszych wersji stanowiły przesłankę do ulepszeń kolejnych partii tłoków. Stanowczą część badań stanowiło porównanie strat tarcia tłoków eksperymentalnych i tłoków charakterystycznych.

Badania porównawcze przeprowadzono z zastosowaniem zbudowanego poprzez autora stanowiska symulacyjnego, którego główny komponent stanowi silnik spalinowy z napędem zewnętrznym. Liczne dopełniające badania miały na celu skrupulatne określenie kształtu i chropowatości współpracujących powierzchni tłoków i cylindrów przed badaniami silnikowymi i po ich zakończeniu.

W badaniach tych wykorzystano maszynę współrzędnościową, profilograf i staranną średnicówkę. Po zakończeniu badań silnikowych wykonano badania obrazowe powierzchni nanorurek z użyciem transmisyjnego mikroskopu skaningowego.

W wyniku przeprowadzonych prac stwierdzono między innymi,użycie 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 powłoką nanorurek umożliwiło bardzo spore zmniejszenie strat tarcia w szerokim zakresie warunków pracy silnika. Tworzone prace badawcze umożliwiły wskazanie obszarów nowych zastosowań nanorurek węglowych.

Uzyskane wyniki pozwalają ukierunkować przyszłościowe badania na filtry cząstek stałych i wielowarstwowe, użytecznie wyspecjalizowane pokrycia powierzchni nośnej tłoków.