بررسي تأثير نانو ذرات روي خواص روغن موتور و ميزان عملکرد آن در کاهش سايش

بررسي تأثير نانو ذرات روي خواص روغن موتور و ميزان عملکرد آن در کاهش سايش احسان اله اتفاقي دانشجوي کارشناسي ارشد دانشگاه تهران ehsan.etefaghi@ut.ac.ir * حجت احمدي دانشيار دانشگاه تهران hjahmadi@ut.ac.ir سيد سعيد محتسبي استاد دانشگاه تهران mohtaseb@ut.ac.ir رضا سلطانی كارشناس ارشد شرکت تحقيق طراحی و توليد موتور ايران خودرو r_soltani@ip-co.com عليمراد رشيدي دانشيار پژوهشگاه صنعت نفت rashidiam@ripi.ir * نويسنده مسئول/تاريخ دريافت: 91/07/16 پذيرش نهايي مقاله: 91/10/16 چكيده امروزه روغنهاي موتور وظايف متعددي دارند که از مهمترين آنها ميتوان به روانکاري قطعات به منظور کاهش ميزان اصطکاک و سايش اشاره نمود. خواص روغنها عمدتا ناشي از افزودنيهايي است که به منظور بهبود و يا ايجاد خواص مورد نياز به آنها افزوده شده است. اخيرا نيز نانو ذرات به دليل خواص منحصر بفردشان به عنوان نوع جديدي از افزودنيها پديدار گشتهاند. هدف از تحقيق حاضر بررسي ميزان توانايي و نحوة عملکرد نانو ذرات در بهبود ويژگی ضد سايشي و قابليت انتقال حرارت روغن موتور و بررسي تغييرات ايجاد شده در برخي خواص روغن شامل گرانروي نقطة ريزش و نقطة اشتعال ميباشد. براي اين منظور نانو ذرات کربن نانو بال با استفاده از آسياب گلولهاي درون روغن موتور بهران پيشتاز SAE 20W50 پراکنده شدند سپس آزمون های تجربی به منظور بررسي خواص ذکر شده انجام گرفت. نتايج بدست آمده نشان داد که ضريب هدايت حرارتي روغن حاوي ذرات کربن نانو بال با غلظت 0/1 درصد وزنی %18 نسبت به روغن پايه افزايش داشت. همچنين براساس نتايج آزمون چهار ساچمه ميزان سايش در روغن حاوي نانو ذرات به ميزان %5 نسبت به روغن فاقد نانو ذرات کاهش يافت. كليد واژهها: نانو ذرات روغن موتور سايش هدايت حرارتی گرانروي فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 3 1390

سايش کاهش در آن عملکرد ميزان و موتور روغن خواص روي ذرات نانو تأثير بررسي مقدمه 1- اتالف اصلي عامل يک مختلف مکانيکي هاي سامانه در اصطکاک تنشهاي شامل موتور در مکانيکي اصطکاک نيروهاي است. انرژي اصطکاک ميباشند. فلز با فلز تماس و روغن الية در هيدروديناميکي قبيل از داخلي متحرک اجزاي در موجود اصطکاک شامل مکانيکي بخشيدن بهبود ]1[. ميباشد ها دريچه و ها حلقه سمبه ميللنگ کلي انرژي در صرفهجويي براي مهم بسيار عامل يک روانکاري خواص خيلي راههاي از يکي روانکاري است. مکانيکي سامانه يک به شده داده يک در شده توليد اضافي گرماي کردن کم و اصطکاک کاهش در مؤثر روي بر روغن الية يک ايجاد با پايه روانکار است. مکانيکي سامانه ذرات و اضافي گرماي و كند مي جدا يکديگر از را آنها اصطکاکي سطوح روشهاي بسياري تحقيقات اخيرا مينمايد. برطرف را شده ايجاد سايشي دادهاند. گسترش پايه روغن روانکاري خواص بهبود منظور به را مختلفي تقويت براي منحصربفرد خواص با مختلف افزودني مواد از استفاده راهها اين از يکي پايه روانکارهاي مکانيکي و شيميايي فيزيکي خواص شيميايي افزودنيهاي کردن اضافه با روانکارها خواص واقع در ميباشد. در موتور روغن پايداري مثال براي ميکند. تغيير پايه روغن به مخصوص ديسيو آلکيل دي زينک مانند ضداكسايش مواد افزودن با اكسايش برابر عنوان به سولفورها و فسفرها همچنين مييابد بهبود )ZDDP( 1 فسفات چرخ روغنهاي در سايشي ضد خواص و نهايي فشار دهنده بهبود مواد و شکل اندازه دليل به ذرات نانو نيز اخيرا ]2[. ميشوند استفاده دنده پديدار افزودنيها از جديدي نوع عنوان به بفردشان منحصر خواص ديگر نانوذرات از شده ساخته مهندسي روانکار نوعي روانکارها نانو گشتهاند. انتقال خواص و روانكاري خواص که اند پايه روانکار و کنندهها پراکنده از استفاده ]3[. دارند متداول روانکارهاي به نسبت يافته بهبود حرارت و سطحي خواص بهبود دليل به مختلف ذرات نانو حاوي روانکارهاي تعميرات هزينةي کاهش و موتور بازده افزايش حرارت انتقال قابليت کردهاند گزارش زيادي پژوهشگران ]4[. اند توجه مورد و جذاب بسيار قابليت افزايش نيز و سايش و اصطکاک کاهش در روانکارها نانو که از شده ساخته ذرات نانو از مختلفي انواع آنها مؤثرند. حرارت انتقال استفاده روانکارها نانو ساخت براي را آلي غير و آلي فلزي پليمري مواد نوع دو روانکاري خواص همکاران و 2 واو نمونه براي ]10-5[. کردهاند CuO ذرات نانو حاوي پايه روغن و API-SF موتور روغن شامل روغن به سايش و اصطکاک آزمايشهاي کردند. بررسي را الماس نانو TiOو 2 آنها نتايج گرفت. انجام برگشتي و رفت لغزشي آزمون دستگاه يک کمک کاهش در بسزايي تأثير روغنها به شده افزوده ذرات نانو که داد نشان روغنهاي در اصطکاک ضريب که بگونهاي داشتند سايش و اصطکاک %5.8 و %18.4 بترتيب CuO ذرات نانو حاوي پايه روغن و API-SF و 16.7 بترتيب سايشي شکافهاي عمق اين بر عالوه يافت. کاهش يافت کاهش CuO ذرات نانو فاقد روغن با مقايسه در درصد 78.8 فولرن ذرات نانو روانکاري خواص همکاران و 3 لي آزمايشهاي در ]6[. نانو حجمي غلظت از تابعي عنوان به معدني روغن به شده افزوده C( 60 ( 4 ديسک روي ديسک آزمون دستگاه يک با آزمايشها شد. بررسي ذرات ذرات نانو مختلف حجمي غلظتهاي و مختلف عمودي بارهاي تحت اندازه طريق از روانکاري خواص مطالعه اين در گرفت. انجام فولرن نتايج شدند. ارزيابي اصطکاک ضريب و اصطکاک سطح دماي گيري ضريب ذرات نانو بزرگتر حجمي غلظت با روغنهاي نانو که داد نشان که ميدهد نتيجه ثابت ديسک در را کمتري سايش و كوچكتر اصطکاک ذرات نانو افزودن اثر بر معدني روغن روانکاري خواص بهبود نشانة اين ذرات نانو روانكاري رفتارهاي همکاران و 5 کوو براين عالوه ]7[. است نهايي فشار خواص کردند بررسي را معدني روغن به شده افزوده فولرن آزمون دستگاه نيز و 6 ساچمه چهار آزمون از استفاده با آنها سايشي ضد و نتايج و شد ارزيابي مختلف عمودي بارهاي تحت ديسک روي ديسک فاقد روغنهاي به نسبت روغنها نانو روانكاري خواص بهبود بيانگر آنها ]8[. بود ذرات نانو افزايش دربارة متعدد گزارشهاي دليل به اخيرا نانوسياالت مطالعات ]9[. گرفتهاند قرار توجه مورد بشدت حرارتي چشمگيرخواص حرارتي هدايت کربني ساختارهاي از برخي که ميکنند آشکار اخير از استفاده با مطالعات از چشمگيري تعداد بنابراين دارند. خوبي خيلي تک کربني لولههاي نانو فولرن گرافيت مانند کربني ساختارهاي نانو )MWCNTs( ديواره چند کربني لولههاي نانو )SWCNTs( ديواره گرفته انجام نانوسياالت حرارتي خواص روي بر گرافن و الماس نانو شده ساخته سيال نانو حرارتي هدايت قابليت همکاران و 7 هاريش است. بيشترين کردند. بررسي را ديواره تک لولههاي نانو و گليکول اتيلن از وزني درصد 0.2 حجمي غلظت در %14.8 حرارتي هدايت افزايش 3- Lee 4- Disk-on-disk tester 5- Ku 6- Four ball test 7- Harish 1- Zinc dialkyldithiophosphate 2- Wu 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة 4

سلطانی رضا / محتسبي سعيد سيد / رشيدي عليمراد / احمدي حجت / اتفاقي احساناله و 2 چوي همچنين ]10[. شد تعيين 1 گذرا داغ سيم روش از استفاده با ذرات نانو حاوي روغن سينماتيکي گرانروی که کردند گزارش همکاران ]2[. يافت کاهش %14 حدود مس بهتری سايشی ضد عملکرد دارای کروی ساختار با ذرات نانو چون رد بنابراين میباشند صفحهای و لولهای ساختارهای نانو به نسبت روانکارها نانو ساخت برای بال نانو کربن کروی ذرات از حاضر تحقيق پژوهشگاه در حاضر پژوهشی گروه بررسیهای همچنين گرديد. استفاده نانو ساخت برای 3 گلولهای آسياب از استفاده که داد نشان نفت صنعت پروبی و حمامی فراصوتی روشهای به نسبت بهتری عملکرد روانکارها دارد. ذرات نانو پايدارسازی برای پژوهشی کارهای ساير در استفاده مورد پيشتاز بهران موتور روغن حاوي روانکارهاي نانو حاضر کار در بنابراين 0.2- )0.1- مختلف غلظت سه در بال نانو کربن ذرات و SAE 20W50 بر عالوه تجربی های آزمون با سپس و شدند ساخته وزني( درصد 0.5 شامل فيزيکی خواص حرارتي هدايت قابليت و تريبولوژيکي خواص شد. بررسي نيز آنها ريزش نقطة و اشتعال نقطة گرانروی دارای ميانگين بهطور و بوده کروی ساختار دارای بال نانو کربن ذرات میباشند. نانومتر 70 حدود در هايی اندازه SAE 20W50 روغن مشخصات 1 جدول واحد مقدار مشخصه cst 172.10 سانتيگراد درجه 40 دماي در گرانروي cst 19.80 سانتيگراد درجه 100 در گرانروي Kg/m 3 889 سانتيگراد درجه 15 دماي در چگالی - 133 گرانروي شاخص C -27 ريزش نقطة C 224 اشتعال نقطة روشها و مواد 2- روانکارها نانو سازي آماده 1-2- سيال عنوان به روانکار روغن به نياز روانکار نانو يک ساخت منظور به اين براي ميباشد. روغن به افزودن براي نظر مورد ذرات نانو نيز و پايه سطح و SAE 20W50 گرانروی درجه با پيشتاز بهران روغن از منظور پيشتاز بهران روغن شد. استفاده پايه سيال عنوان به API SJ/CF4 کيفيت و است جهاني استانداردهاي باالترين با مطابق ممتاز موتور روغن يک مناسب امروزي سنگين و سبک ديزلي و بنزيني خودروهاي اکثر براي است. شده آورده 1 جدول در شده استفاده روغن مشخصات است. براي بال نانو کربن ذرات از تحقيق اين در شد گفته که همانطور اين انتخاب براي مهم داليل از يکي شد. استفاده روانکارها نانو ساخت خواص کروي ساختار با ذرات نانو زيرا است آنها کروي ساختار ذرات ذرات نانو که است ذکر قابل ميدهند. نشان خود از بهتري تريبولوژيکي شدند. ساخته نفت صنعت پژوهشگاه در پژوهش اين در استفاده مورد الکترونی ميکروسکوپ از بال نانو کربن ذرات اندازه و شکل بررسی برای میشود ديده 1 شکل در که همانطور شد. استفاده )SEM( 4 روبشی بال نانو کربن ذرات SEM تصوير 1 شکل گونه به دارد روانکارها نانو عملکرد در زيادي تأثير ذرات نانو غلظت ذرات رسوب موجب وزني( درصد 0.5 از )بيشتر باال غلظتهاي که ای ايجاد موجب ناخالصيها همانند بزرگتر ذرات و شده قطعات روي بر در همچنين مييابد. افزايش اصطکاک و شده سطوح روي بر خراش نميتوانند ذرات نانو وزني( درصد 0.05 از )كمتر پايين خيلي غلظتهاي خوبي عملکرد نتيجه در و بدهند پوشش کامل بهطور را اصطکاکي سطوح اکثر در که باشد بهينه حد در استفاده مورد غلظت بايد بنابراين ندارند. عنوان به وزني درصد 0.5 تا 0.1 محدوده در غلظت پژوهشی کارهاي نيز حاضر پژوهش در ] 11 و 12 [. است شده بيان ذرات نانو بهينه غلظت خواص روي بر ذرات نانو غلظت تأثير نحوهي و ميزان بررسي منظور به با وزني درصد 0.5 و 0.2 0.1 غلظت سه در روانکارها نانو پايه روغن شدند. ساخته پايه روغن به بال نانو کربن ذرات افزودن از که هستند مايعي جامد- مخلوطهاي سياالت نانو اساسا 1- Transient hot wire system 2- Choi 3- Planetary Ball Mill 4- Scanning electron microscope 5 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة

سايش کاهش در آن عملکرد ميزان و موتور روغن خواص روي ذرات نانو تأثير بررسي که است ذکر به الزم شدند. اندازهگيري مختلف غلظت سه در روانکارها شده انجام آزمونهای خطای بيشينه ASTM استانداردهای براساس میباشد. 3 جدول مطابق ASTM استانداردهای در بيشينه خطای 3 جدول % / (ASTM D-445 C (ASTM D-92 C (ASTM D-97 يک درون نانومتر 100 از کوچکتر های اندازه با نانو ذرات پراکندهسازي متداولي روشهاي از منظور اين براي ]13[. ميآيند بهدست پايه سيال به پراکندهسازي جمله از است شده استفاده مختلف پژوهشی کارهاي در حمامي 1 )اولتراسونيک فراصوت امواج از استفاده مکانيکي همزن وسيله سطح. کننده فعال مواد از استفاده و گلولهاي آسياب از استفاده پروبي( و حاضر پژوهش در استفاده مورد پايه سيال گرانروی بودن باال دليل به پايه سيال درون ذرات نانو پراکندهسازي براي گلولهاي آسياب روش از PM )100 گلولهاي آسياب يک از منظور اين براي گرديد. استفاده نانو ساخت براي دستگاه کارکرد مشخصات شد. استفاده )Retche است. شده آورده 2 جدول در روانکارها گلولهاي آسياب کارکرد مشخصات 2 جدول مشخصه سرعت زمان گلولهها وزن ذره( )سيال+نانو نمونه وزن مقدار 300 3 200 30 واحد rpm h gr gr ميزان سنجش منظور به آزمونها شروع از پيش و ابتدا در همچنين از اطمينان برای نيز و پژوهش اين در استفاده مورد تجهيزات دقت پايه روغن به مربوط آزمونهای آمده بدست نتايج دقت و تکرار قابليت بيانگر آمده دست به نتايج که گرفت انجام تکرار دو در ذرات نانو فاقد پژوهش اين در شده انجام گيریهای اندازه در کم خطای و بزرگ دقت است. شده آورده 4 جدول در گيریها اندازه اين نتايج میباشد. گرانروي اندازهگيري 2-2- فرآيند در اساسي نقش که است مهمي های فراسنج از يکي گرانروي و اندازهگيري به پژوهش اين در بنابراين ]8[. ميکند بازي روانکاري نمونههاي سينماتيکي گرانروي شد. پرداخته گرانروي تغييرات بررسي غلظت سه در نيز و سانتيگراد درجه 100 و 40 دماي دو در شده ساخته ASTM استاندارد براساس وزني( درصد 0.5 0.2- )0.1- مختلف شدند. اندازهگيري 445-D اشتعال نقطة و ريزش نقطة اندازهگيري 3-2- عملکرد کيفيت با رابطه در ديگري متعدد خواص گرانروي بر عالوه ريزش نقطة ميتوان جمله آن از که است مطرح مختلف شرايط در روغن محدودهي بيانگر واقع در فراسنج دو اين نمود. ذکر را اشتعال نقطة و که است دمايي کمترين ريزش نقطة زيرا ميباشند. روغن کارکرد دمايي کمترين اشتعال نقطة و باشد داشته جريان ميتواند حالت آن در روغن هوا با و شده تبديل بخار به کافي اندازه به روغن آن در که است دمايي کمينه دهنده نشان واقع در که ميآورد وجود به اشتعال قابل مخلوطي بترتيب مهم فراسنج دو اين میباشند. روغن کارکرد دماي بيشينه و نانو براي ASTM 92-D و ASTM 97-D استانداردهاي اساس بر 1- Ultrasonic پايه روغن خواص گيری اندازه 4 جدول مشخصه در سینماتیک گرانروی سانتيگراد درجه 100 دماي در سینماتیک گرانروی سانتيگراد درجه 40 دماي اشتعال نقطه ریزش نقطه اول آزمون 19.80±0.05 دوم آزمون 19.80±0.05 واحد cst cst C 172.20±0.44 225 ± 8 172.00±0.44 223 ± 8-27 ± 3 حرارتي هدايت اندازهگيري 4-2- C -27 ± 3 انتقال در آنها توانايي عنوان به سياالت حرارتي هدايت ضريب تجاري نام با دستگاه يك از منظور اين براي شد. اندازهگيري گرما نفت صنعت پژوهشگاه در موجود )Decagon Devices) KD2-Pro کامال حرارتي خواص تحليل دستگاه يک دستگاه اين گرديد. استفاده براي گذرا خط حرارت منبع روش از که است آزمايشگاهي حمل قابل پايداري بهدليل ]14[. ميکند استفاده حرارتي هدايت ضريب اندازهگيري هدايت ضريب وزني درصد 0.1 غلظت در شده ساخته نمونههاي بهتر در و وزني درصد 0.1 غلظت در تنها روانکارها نانو و پايه روغن حرارتي 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة 6

سلطانی رضا / محتسبي سعيد سيد / رشيدي عليمراد / احمدي حجت / اتفاقي احساناله شد. اندازهگيري تکرار سه در سانتيگراد درجه 20 دمای ساچمه چهار آزمون 5-2- ساچمه چهار آزمون از روانکارها سايشي ضد ويژگی بررسي براي نشان 2 شکل در که طور همان ساچمه چهار آزمون در گرديد. استفاده و شده داده قرار محفظه يک در هم کنار در گلوله سه است شده داده گرفته قرار آنها روي بر گلوله يک سپس ميشوند. ثابت کامل طور به بر نظر مورد آزمون ميچرخد. معين سرعت با و شده اعمال بار تحت و گرفت: انجام زير شرايط تحت و ASTM 2783-D استاندارد اساس سانتيگراد درجه 35 دما )rpm( 1760 سرعت ساعت يک زمان ) N( 392 با معادل )Kgf( 40 بار تحت 2 شکل ساچمه چهار آزمون ساختمان شماتيک با شده ساخته روانکار نانو نيز و پايه روغن روي بر نظر مورد آزمون سايشي زخمهاي اندازهي سپس گرفت. انجام وزني درصد 0.1 غلظت و سايش راستاي در زيرين گلولهي سه از يک هر روي بر شده ايجاد شدند. ثبت و اندازهگيري آن بر عمود راستاي سينماتيکي گرانروي ودراني نژاد وکيلي دارد. قرار پايه سيال درون ذرات در را ديواره چند کربني لولههاي نانو روغن- مختلف سياالت نانو از آنها کردند. بررسي وزني درصد 0.2 تا صفر از مختلف غلظتهاي پراکنده براي )اولتراسونيک( فراصوت امواج و مغناطيسي همزن روش که داد نشان آنها نتايج کردند. استفاده پايه روغن درون ذرات نانو نمودن در و يافته افزايش ناچيزي بسيار مقدار به گرانروي پايين غلظتهاي در ]4[. بود محسوستر گرانروي افزايش ميزان باالتر غلظتهاي سه در شده ساخته نمونههاي سينماتيکي گرانروي حاضر پژوهش در درجه 100 و 40 دماي دو و وزني( درصد 0.5 0.2- )0.1- مختلف غلظت گرانروي روي بر ذرات نانو غلظت و دما تأثير بررسي منظور به سانتيگراد ديده 4 و 3 شکلهاي در که همانطور شدند. گيري اندازه روانکارها نانو يافته کاهش نمونهها همهي گرانروي دما افزايش با انتظار طبق ميشود وزني( درصد 0.1 از )بيشتر ذرات نانو غلظت افزايش با طرفي از است. وزني درصد 0.1 غلظت در هرچند است يافته افزايش نيز گرانروي مقدار داشتهايم گرانروي کاهش %1.2 حدود سانتيگراد درجه 40 دماي در نداشته محسوسي تغيير گرانروي نيز سانتيگراد درجه 100 دماي در و روانکار نانو گرانروي به مربوط گرانروي تغيير ميزان بيشترين است. غلظت در و سانتيگراد درجه 40 دماي در بال نانو کربن ذرات حاوي سيال گرانروي به نسبت %5.2 ميزان به که است وزني درصد 0.5 کروی ذرات نانو که هنگامی است. داشته افزايش دما همان در پايه و گرفته قرار روغن اليههای مابين ذرات نانو میشوند اضافه روغن به نتيجه در میشوند يکديگر روی بر سيال اليههای حرکت سهولت موجب يکديگر به ذرات نانو غلظت افزايش با اما میيابد کاهش اندکی گرانروی ميزان نامتقارن و بزرگتر ذرات ايجاد با و میشوند( )آگلومره میپيوندند روی بر سيال اليههای حرکت مانع درنتيجه و يافته افزايش برخوردها میشود. پايه سيال گرانروی افزايش سبب خود که میشوند يکديگر نتايج و بحث 3- گرانروي 1-3- تغيير نحوهي ميدهدکه نشان گرفته انجام مختلف های پژوهش نوع قبيل از متعددي عوامل تأثير تحت شدت به سياالت نانو گرانروي براي استفاده مورد روش ذرات نانو غلظت پايه سيال نوع ذرات نانو نانو پراکندگي ميزان همچنين و پايه سيال درون ذرات نانو سازی پراکنده سانتيگراد درجه 40 دماي در روانکارها سينماتيکي گرانروي 3 شکل 7 1390 پاييز چهارم/ و بيست شمارة هفتم/ سال موتور/ تحقيقات پژوهشي علمي- فصلنامة

بررسي تأثير نانو ذرات روي خواص روغن موتور و ميزان عملکرد آن در کاهش سايش گرانروي سينماتيکي روانکارها در دماي 100 درجه سانتيگراد شکل 5 نقطة ريزش روانکارها در غلظتهاي مختلف شکل 4 در نهايت با توجه به شکلهای 3 و 4 ميتوان نتيجه گرفت که افزودن ذرات کربن نانو بال به روغن بهران پيشتاز SAE 20W50 تحت شرايط ذکر شده و در غلظتهاي كم تأثير محسوسي بر گرانروي روغن پايه ندارد. 2-3- نقطة ريزش و نقطة اشتعال رسيدن روغن موتور در زماني بسيار کم و محدود به اجزاي موتور شامل ياتاقانها حلقه ها دريچه ها ميلبادامک و ساير قطعات در لحظات حساس استارت و روشن نمودن خودرو موضوعي است که اهميت بسيار زيادي دارد. زيرا بيشترين ميزان سايش در موتور در همان لحظات ابتدايي شروع به کار موتور به دليل نرسيدن روغن کافي به قطعات ايجاد ميشود. براي جلوگيري از اين مشکل و کاهش اثرات آن نياز است تا روغن در دماهاي پايين به اندازهي کافي روان و قابل تلمبه شدن باشد و به راحتي و با سرعت به همهي نقاط موتور برسد تا از تماس قطعات با يکديگر و ايجاد سايش جلوگيري نمايد. اين خاصيت روغن با فراسنجی به نام نقطة ريزش ارزيابي ميشود. در واقع نقطة ريزش روغن نقطة مرزي دمايي است که سيال در آن دما ديگر نميتواند جريان داشته باشد. به دليل اهميت اين موضوع در اين پژوهش تغييرات ايجاد شده در ميزان نقطة ريزش روغن پايه در اثر افزودن نانو ذرات در غلظتهاي مختلف بررسي شد. همانطور که در شکل 5 ديده ميشود نقطة ريزش نانو روانکارهاي ساخته شده در هر سه غلظت نسبت به نقطة ريزش روغن پايه هيچگونه تغييري نداشتهاند. بنابراين ميتوان نتيجهگيري نمود که افزودن ذرات کربن نانو بال تحت شرايط ذکر شده تغييري در نقطة ريزش روغن پايه به عنوان يکي از فراسنج های مهم در تعيين کيفيت خواص روانکاري روغن موتور ايجاد نميکند. همانند نقطة ريزش نقطة اشتعال نيز به عنوان يکي از مشخصههاي کيفي روغنهاي روانکار شناخته ميشود. زيرا نقطة اشتعال پايينترين دمايي است که در آن بخارات روغن در تماس با هوا و در معرض يک جرقه در يک لحظه آتش ميگيرد و سپس خاموش ميگردد. بنابراين ميتوان گفت نقطة اشتعال يک روغن در واقع تعيين کننده حد باالي دماي کارکرد آن روغن است. پس هرچه نقطة اشتعال باالتر باشد امکان کارکرد روغن در دماهاي باالتر تا حدودي ميسر ميشود. اما مشکلي که وجود دارد اين است که در حالت عادي روغنهاي با نقطة اشتعال باال به دليل دارا بودن هيدروکربن هاي با وزن مولکولي زياد داراي گرانروي بااليي نيز ميباشند که باال بودن گرانروي روانکار در حالت عادي به عنوان يک عيب محسوب شده و موجب بروز مشکالت جديدي براي سامانهي روانکاري ميشود. اما همانطور که در شکل 6 ديده ميشود افزودن ذرات کربن نانو بال به روغن پايه در غلظتهاي مختلف موجب افزايش نقطة اشتعال نانو روانکارها نسبت به روغن پايه شده است که بيشترين مقدار آن %13.8 مربوط به روغن حاوي ذرات کربن نانو بال با غلظت 0.2 درصد وزني ميباشد درحالي که مقدار گرانروي اين نانو روانکار در دماي 100 درجه سانتيگراد هيچ گونه تغييري نکرده و در دماي 40 درجه سانيتگراد تنها به ميزان %1.6 افزايش داشته است که ميتوان گفت در برابر ميزان افزايش نقطة اشتعال گرانروي آن تغيير محسوسي نداشته است. به طور کلی افزايش مقاومت روغن در برابر اشتعال را میتوان ناشی از افزايش هدايت حرارتی روغن بر اثر افزودن نانو ذرات دانست. هرچند با افزايش غلظت نانو ذرات به يکديگر پيوسته و تا حدودی رسوب می کنند و درنتيجه عملکرد آنها اندکی کاهش میيابد. در نهايت بهبود نقطة اشتعال را ميتوان به عنوان يک نکتهي مثبت در ارتباط با بهبود خواص روانکاري روغن پايه در نظر گرفت. 8 فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 1390

احساناله اتفاقي / حجت احمدي / عليمراد رشيدي / سيد سعيد محتسبي / رضا سلطانی روغن نرخ اکسيده شدن روغن دو برابر شده و سبب افزايش گرانروي آن ميگردد. همچنين روغن پايه داراي مواد سبک و فراري است که در صورت باالتر رفتن دما از حد مجاز تبخير شده و موجب افزايش گرانروي روغن ميگردد. بنابراين ميتوان گفت که افزايش هدايت حرارتي روغن روانکار به منظور باال بردن مقاومت آن در برابر افزايش دما به عنوان يک فراسنج مهم در بهبود عملکرد آن ميباشد. نتايج مربوط به اندازهگيري ضريب هدايت حرارتي روانکار پايه و نيز نانو روانکارهای ساخته شده در اين پژوهش در غلظت 0.1 درصد وزني در شکل 7 نشان داده شده است. همانطور که ديده ميشود ضريب هدايت حرارتي نانو روانکار حاوي ذرات کربن نانو بال به طور ميانگين %18 نسبت به روغن پايه افزايش يافته است. شکل 7 ضريبهدايت حرارتي روغن پايه و نانو روانکار با غلظت 0.1 درصدوزني از آنجا که ضريب هدايت حرارتي يک سيال بيانگر توانايي آن در جذب و انتقال گرماست و با توجه به آيندهي روانکارها و سختتر شدن شرايط کارکرد آنها به عللي همچون کوچک شدن حجم موتورها و به تبع آن کم شدن حجم روغن و کاهش گرانروي آن و نيز افزايش زمان کارکرد موتورها در حالت بيشينه قدرت خود که همگي منجر به باال رفتن دماي کارکرد موتور و در نتيجه موجب افزايش دماي روغن ميشوند ميتوان گفت که درصورت افزودن نانو ذرات به روغن موتور در حالت بار ثابت موتور قابليت کارکرد در دماهاي پايينتر و در حالت دماي ثابت موتور قابليت کارکرد در بارهاي باالتر و يا شرايط سختتر را خواهد داشت. 4-3- آزمون چهار ساچمه يکي از مشکالت عمده و علل خرابي قطعات در موتورهاي درونسوز سايش قطعات در اثر اصطکاک و تماس با يکديگر ميباشد که براي جلوگيري و کاهش آن قطعات موتور به طور پيوسته توسط روغنهاي شکل 6 نقطة اشتعال روانکارها در غلظتهاي مختلف 3-3- هدايت حرارتي يکي از وظايف روغن موتور خنک کردن موتور است. در اثر احتراق و نيز اصطکاک بين قطعات حرارت شديدي در موتور ايجاد ميشود. مقداري از اين حرارت صرف توليد کار مفيد شده و مقداري نيز از طريق اگزوز خارج ميشود. مابقي حرارت ايجاد شده بايد توسط سامانه خنک کاري موتور دفع گردد. آب اطراف استوانه حدود 60 تا 80 درصد اين حرارت را جذب ميکند و بقيهي آن توسط روغن موتور بخصوص از قطعاتي مثل ياتاقانهاي متحرک ميل لنگ سمبه گژن پين و ميل بادامک که از مسيرهای آب اطراف استوانه دور هستند جذب شده و از طريق محفظه روغن به هوا منتقل ميشود. به طور کلي نانو ذرات به دليل افزايش قابل توجه در ضريب هدايت حرارتي سياالت به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند. با توجه بهاينکه جامدات فلزي و اکسيدهاي آنها و نيز ساختارهاي کربني رسانش باالتري نسبت به سياالت دارند ايده پراکنده سازي ذرات جامد درون سيال براي باال بردن رسانش سيال بهوجود آمد. کبلينسکي 1 ايستمن 2 و چوي 3 چهار عامل اصلي را در افزايش غير عادي رسانش نانو سيالها مؤثر ميدانند که ميتوان با بررسي آنها رفتار غير عادي نانو سيالها را توجيه نمود. در اينجا فقط به ذکر موردي اين موارد ميپردازيم: 1- حرکت براوني نانو ذرات 2- نانو اليههاي ايجاد شده در مرز نانو ذرات و سيال پايه 3- طبيعت انتقال گرما در نانو ذرات و بررسي انتقال فونوني 4- تأثير خوشه شدن نانو ذرات ]15[. عالوه بر موارد فوق بايد متذکر شد که دماي باالي روغن سبب تسريع در نرخ اکسيده شدن روغن پايه نيز ميشود به طوري که طبق معادالت آرينوس به ازاي هر 10 درجه سانتيگراد افزايش در دماي کارکرد 1- Keblinski 2- Eastman 3- Choi فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 9 1390

بررسي تأثير نانو ذرات روي خواص روغن موتور و ميزان عملکرد آن در کاهش سايش موتور روانکاري ميگردند. يکي از راههاي مؤثر براي کاهش ميزان سايش وکم کردن اندازه قطر خراشهاي ايجاد شده بر روي قطعات در حال روانکاري استفاده از روغنهاي با گرانروي باالتر ميباشد ]8[. هنگامي که از روغن با گرانروي باالتر استفاده ميشود الية روغن ايجاد شده بين قطعات در تماس با يکديگر مانع از تماس مستقيم و ايجاد سايش بر روي آنها ميشود. اما در مقابل بايد توجه داشت که افزايش گرانروي و به تبع آن افزايش ضخامت الية روانکار در بين قطعات موجب افزايش توان اتالفي در موتور ميگردد. به طور مثال معادلهي پتروف 1 بيانگر آن است که توان اتالفي در يک ياتاقان به طور مستقيم با گرانروي روانکار متناسب است. µ N r f = 2π 2 )1( p C در اين معادله μ گرانروي مطلق روانکار برحسب پاسکال- ثانيه r شعاع محور و C لقي شعاعي بر حسب اينچ N سرعت دوراني محور برحسب دور در ثانيه و p فشار وارد بر سطح تصوير شده ياتاقان است ]16[. کوو 2 و همکاران براي رفع مشکل و تضاد پيش آمده در انتخاب روانکار مناسب پيشنهاد کردند که از نانو ذرات به عنوان افزودني به روغن روانکار براي بهبود خواص فشار پذيري و ضد سايشي آنها بدون نياز به افزايش گرانروي روغن استفاده گردد. آنها براي بررسي ميزان تأثير نانو ذرات در کاهش اصطکاک و سايش نانو ذرات فولرن را به روغن روانکار معدني در گرانرويهاي مختلف اضافه کردند و با استفاده از دستگاه آزمون چهار ساچمه خواص فشار پذيري و ضد سايشي آنها را بررسي نمودند. نتايج آنها نشان داد که خواص ضد سايشي روغن روانکار بدون نياز به افزايش گرانروي و تنها با افزودن نانو ذرات فولرن به طور چشمگيري بهبود يافت ]8[. در پژوهش حاضر نيز تأثير افزودن ذرات کربن نانو بال بر روي ويژگی ضد سايشي روغن موتور بهران پيشتاز SAE 20W50 بررسی شد. آزمون چهار ساچمه بر روي هر دو نمونه روانکار شامل روغن پايه و روغن حاوي ذرات کربن نانو بال با غلظت 0.1 درصد وزني انجام گرفت که نتايج آنها در جدول 5 قابل مشاهده است. بررسي نتايج بدست آمده نشان ميدهد که ميانگين سايش ايجاد شده بر روي گلولهها در نمونه حاوی ذرات کربن نانو بال به ميزان %5 نسبت به روغن پايه کاهش يافته است. بنابراين ميتوان ادعا کرد که استفاده از نانو ذرات در روغن موتور ميتواند ويژگی ضد سايشي روانکارها را بهبود ببخشد. طبق نظر لي 3 و همکاران بهبود خواص فشار پذيري و ضد سايشي نانو روانکارها ناشي از سه اثر نانو ذرات ميباشد که عبارتند از: 1- ذرات نانو همانند بلبرينگ بين دو سطح اصطکاکي عمل کرده و تماس بين دو سطح را کاهش ميدهد. 2- ذرات نانو با پوشاندن سطوح زبر يک اليه محافظ بين دو سطح ايجاد ميکنند. 3- ذرات نانو افزوده شده به روغن اثر مرمتي دارند به گونه ای که با نشستن بر روي سطوح اصطکاکي و پر کردن محل خراشيدگيها جرم از دست رفته را جبران ميکنند و زبري سطح کاهش مييابد.]17[ موارد فوق به صورت نمادين در شکل 8 نشان داده شدهاند. جدول 5 نتايج آزمون چهار ساچمه بر روي روانکارها شکل 8 سازوکار عملکرد نانو روانکارها بر روي سطوح اصطکاکي در نهايت ميتوان نتيجه گرفت که در صورت استفاده از نانو ذرات درون روغنهاي روانکار امکان کاهش ميزان اصطکاک و سايش در بين قطعات موتور بدون افزايش گرانروي روغن پايه فراهم ميگردد که اين مورد را نيز ميتوان به عنوان بهبود خواص روانکاري روغن پايه در نظر گرفت. 3- Lee 1- Petroff 2- Ku 10 فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 1390

احساناله اتفاقي / حجت احمدي / عليمراد رشيدي / سيد سعيد محتسبي / رضا سلطانی همانطور که در قسمت قبل نيز گفته شد شرايط کارکرد موتورها در آينده سختتر خواهد شد و در نتيجه فشار بيشتري به قطعات و روانکارها وارد خواهد شد. بنابراين ميتوان با کمک گرفتن از فناوری افزودنيهاي نانو در روغنهاي روانکار خواص روانکاري آنها را در برابر شرايط پيش رو بهبود بخشيد و امکان کارکرد موتورها و روغنهاي روانکار در شرايط سخت تر را بدون آسيب رسيدن به آنها فراهم نمود. 4- نتيجه گيری هدف اصلی اين پژوهش بررسی تأثير ذرات کربن نانو بال بر روی برخی از خواص روغن موتور شامل گرانروی هدايت حرارتی نقطة اشتعال نقطة ريزش و خاصيت ضد سايشی آن بود. بر اساس نتايج بدست آمده از پژوهش حاضر ميزان ضريب هدايت حرارتي و نقطة اشتعال روانکارهاي حاوي ذرات کربن نانو بال با غلظت 0.1 درصد وزني بترتيب %18 و %9.3 نسبت به روغن پايه افزايش يافت که اين امر ميتواند توانايي انتقال حرارت و کارکرد روغن موتور در شرايط دمايی سختتر را بهبود ببخشد. همچنين براساس نتايج آزمون استاندارد چهار ساچمه خاصيت ضد سايشي نانو روانکار ساخته شده با غلظت 0.1 درصد وزني به ميزان %5 نسبت به روغن پايه بهبود داشت. عالوه بر اين قابل ذکر است که گرانروي روغن موتور به عنوان يک فراسنج بسيار مهم در امر روانکاري و نيز نقطة ريزش روغن تغيير محسوسي نداشتند. بنابراين طبق نتايج بدست آمده در اين پژوهش ميتوان گفت که در صورت استفاده از نانو ذرات درون روغنهاي موتور ميتوان برخي از خواص اساسي روغن مانند نقطة اشتعال قابليت انتقال حرارات و نيز ويژگی ضد سايشي آن را بهبود بخشيد. هرچند الزم است تا در ادامه و در پژوهش های تکميلی تأثير نانو ذرات با ساختارها و غلظتهای مختلف بر روی خواص ضد سايشی و نيز ساير خواص فيزيکی شيميايی روغن و همچنين تأثير آنها بر روی قطعات موتور به صورت مستقيم بررسی شود. تشکر و قدردانی از شرکت آزمايش و تحقيقات قطعات و مجموعة خودرو )ايتراک( مرکز تحقيقات CM و آزمايشگاه تحليل روغن و ذرات فرسايشی البرز تدبيرکاران و نيز از پژوهشگاه صنعت نفت در جهت همکاریهای به عمل آمده در راستای اجرای پژوهش ها صميمانه کمال تشکر را مینماييم. فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 11 1390

بررسي تأثير نانو ذرات روي خواص روغن موتور و ميزان عملکرد آن در کاهش سايش References: [1] C.R. Ferguson, A.T. Kirkpatrick, Internal combustion engines: applied thermo-sciences, New York John Wiley & Sons, Inc, 2001 [2] Y. Choi, C. Lee, Y. Hwang, M. Park, J. Lee, C. Choi, M. Jung, Tribological behavior of copper nanoparticles as additives in oil, Current Applied Physics, Vol. 9, pp. 124-127, 2009 [3] C.G. Lee, Y.J. Hwang, Y.M. Choi, J.K. Lee, C. Choi, J.M. Oh, A study on the tribological characteristics of graphite nano lubricants, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 10, No. 1, pp. 85-90, 2009 [4] G.R. Vakili-Nezhaad, A. Dorany, Investigation of the effect of multiwalled carbon nanotubes on the viscosity index of lube oil cuts, Chemical Engineering Communications, Vol. 196, pp. 997-1007, 2009 [5] G.L.X. Liu, B. Qin, D. Xing, Y. Guo, R. Fan, Investigation of the mending effect and mechanism of copper nano-particles on a tribologically stressed surface, Tribology Letters, Vol. 17, No. 4, pp. 961-966, 2004 [6] Y. Wu, W. Tsuia, T. Liub, Experimental analysis of tribological properties of lubricating oils with nanoparticle additives, Wear, Vol. 262, Nos. 7-8, pp. 819-825, 2007 [7] J. Lee, S. Cho, Y. Hwang, C. Lee, S. Kim, Enhancement of lubrication properties of nano-oil by controlling the amount of fullerene nanoparticle additives, Tribology Letters, Vol. 28, No. 2, pp. 203-208, 2007 [8] B.C. Ku, Y.C. Han, J.E. Lee, J.K. Lee, S.H. Park, Y.J. Hwang, Tribological effects of fullerene (C60) nanoparticles added in mineral lubricants according to its viscosity, International journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 11, No. 4, pp. 607-611, 2010 [9] X. Li, D. Zhu, X. Wang, Experimental investigation on viscosity of Cu-H2O nanofluids, Journal of Wuhan University of Technology-Mater, Vol. 24, No. 1, 2009 [10] S. Harish, K. Ishikawa, E. Einarsson, S. Aikawa, S. Chiashi, J. Shiomi, S. Maruyama, Enhanced thermal conductivity of ethylene glycol with single-walled carbon nanotube inclusions, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 3885-3890, 2012 [11] W. Li, S. Zheng, B. Cao, S. Ma, Friction and wear properties of ZrO2/SiO2 composite nanoparticles, Journal of Nanoparticles Research, Vol. 13, pp. 2129-2137, 2011 [12] J. Lee, S., Cho, Y. Hwang, H.J. Cho, C. Lee, Choi, B.C. Ku, H. Lee, B. Lee, D. Kim, S. Kim, Application of fullerene-added nano-oil for lubrication enhancement in friction surfaces, Tribology International, Vol. 42, pp. 440-447, 2009 [13] X. Wang, S. Mujumdar, Heat transfer characterization of nanofluid: A review, International Journal of Thermal Science, Vol. 46, pp. 1-19, 2007 [14] Decagon Devices Company, KD2-Pro,http://www. decagon.com/products/environmental-instruments/thermal-properties-instruments/kd-2-pro, 2012 [15] A.A. Hamidi, A. Amrollahi, A.M. Rashidi, S.M. Hosseini, A.R. Moghadassi, Investigation of nanofluids thermal conductivity modeling, Iranian Chemical Engineering Journal, Vol. 8, No. 40, 2009 [16] T. Lee, K. Kyung, Y. Chi, M.C Lee, Friction analysis according to pretension of laparoscopy surgical robot instrument, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 12, No. 2, pp. 259-266, 2011 [17] K. Lee, Y. Hwang, S. Cheong, Y. Choi, L. Kwon, J. Lee, S.H. Kim, Understanding the role of nanoparticles in nano-oil lubrication, Tribology Letters, Vol. 35, pp. 127-131, 2009 12 فصلنامة علمي- پژوهشي تحقيقات موتور/ سال هفتم/ شمارة بيست و چهارم/ پاييز 1390

E. Ettefaghi / H. Ahmadi / A.M. Rashidi / S.S. Mohtasebi / R. Soltani Effects of Nano-Particles on Properties of Engine Oil and its Functionality Rate on Wear Reduction E. Ettefaghi MSc. Student, University of Tehran ehsan.etefaghi@ut.ac.ir H. Ahmadi* Associate Professor, University of Tehran hjahmadi@ut.ac.ir S.S. Mohtasebi Professor, University of Tehran mohtaseb@ut.ac.ir R. Soltani MSc., Irankhodro Powertrain Company (IPCO) r_soltani@ip-co.com A.M. Rashidi Associate Professor, Research Institute of Petroleum Industry rashidiam@ripi.ir *Corresponding Authors Received: Oct. 07, 2012 Accepted in Revised Form: Jan. 05, 2013 Abstract Nowadays, engine oils have various functions, which one of the most important of them is the lubrication of different parts in the engine, for reducing the rate of the friction and the wear. Oil properties are mainly a result of additives, which are added to the oil to improve requirement properties. Recently, nano-particles are also appeared as a new kind of additives, due to their special properties. The purpose of the present research is surveying the amount of the ability of nano-particles and it is a kind of the functionality to improve anti-wear properties and the heat-conduction ability and controlling developed variations of the engine oil, on its properties including: the viscosity, the pour point and the flash point. For this purpose, carbon nano ball particles, by using the planetary ball mill, were dispersed inside the Behran Pishtaz engine oil, SAE 20W50. Then, tests were done for investigating mentioned properties. Obtained results showed that the thermal conductivity coefficient of the oil containing carbon nano ball particles with 0.1wt%, increased about 18 percent with respect to the base oil. Also, upon results of the four ball test, the amount of the wear, in the oil contains nano-particles reduced 5 percent with respect to the oil without nano-particles. Keywords: nano-particles, engine oil, wear, thermal conductivity, viscosity The Journal of Engine Research/ Vol. 24 / Autumn 2011