Eksperymentalne zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego

Opis

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.