The application of carbon nanotubes for reducing the friction losses of internal combustion engine

• Autorzy: Kałużny J. , Iskra A. , Giersig M. , Kempa K.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie nanorurek węglowych w celu ograniczenia strat tarcia tłokowego silnika spalinowego

• Konferencja: International Congress on Combustion Engines (5 ; 24-26.06.2013 ; Bielsko-Biala, Poland)
• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Carbon nanotubes are a relatively new allotropic variety of carbon and due to a number of very favorable properties – including chemical and mechanical – are now under intensive investigation. Introduction to the main part of the article requires an overview of carbon nanotubes studies conducted by different authors, the results of which can provide important guidelines for possible use of the material in the construction of piston engines. The core of the article is the description of attempts to use carbon nanotubes made by the authors in order to improve the functional properties of various components of internal combustion engines, in particular to reduce losses caused by friction. Therefore, the results from the original study have been presented which indicate that the use of carbon nanotubes as an additive for engine lubricant can contribute to a significant reduction in friction losses. Article concludes with a discussion of the tasks that need to be completed in order to allow for an industrial application of carbon nanotubes.

PL

Nanorurki węglowe stanowią niedawno poznaną odmianę alotropową węgla i ze względu na wiele wyjątkowo korzystnych właściwości – między innymi chemicznych i mechanicznych – poddawane są obecnie intensywnym badaniom. Wprowadzeniem do zasadniczej części artykułu jest przegląd takich badań nanorurek węglowych prowadzonych przez różnych autorów, których wyniki mogą stanowić istotne wskazówki do zastosowania tego materiału w konstrukcji tłokowych silników spalinowych. Główną część pracy stanowi opis podjętych przez autorów tego artykułu prób wykorzystania nanorurek węglowych do poprawy właściwości funkcjonalnych różnych elementów tłokowych silników spalinowych, w szczególności w celu ograniczenia strat tarcia. W tym zakresie przedstawiono wyniki oryginalnych badań wskazujące, że zastosowanie nanorurek węglowych jako dodatku do oleju smarującego może przyczynić się do istotnego zmniejszenia strat tarcia. Artykuł podsumowują rozważania dotyczące zadań, które muszą być wykonane aby umożliwić przemysłowe zastosowanie nanorurek węglowych.

Słowa kluczowe

EN

carbon nanotube; internal combustion engines; friction losses

PL

nanorurki węglowe; tłokowy silnik spalinowy; straty tarcia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Combustion Engines
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 54, nr 3
• Strony: 64--77
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., il.

Twórcy

autor

Kałużny J.

• Faculty of Architecture at Poznań University of Technology

autor

Iskra A.

• Faculty of Machines and Transport at Poznan University of Technology

autor

Giersig M.

• Department of Physics, Freie University Berlin, Germany

autor

Kempa K.

• Department of Physics, Boston College, USA

Bibliografia

• [1] Abad M.D., Sánchez-López J.C., Berenguer-Murcia A., Golovko V.B., Cantoro M., Wheatley A.E.H., Fernández A., Johnson B.F.G., Robertson J. Catalytic growth of carbon nanotubes on stainless steel: characterization and frictional properties. Diamond and Related Materials, 11 (17), 2008.
• [2] Adam A., Prefot M., Wilhelm M. Kurbelwellenlager für Motoren mit Start-Stop-System. MTZ, 12, 2010.
• [3] Atsushi H., Nobuaki Y. Sliding friction properties of carbon nanotube coatings deposited by microwave plasma chemical vapor deposition. Tribology International, 11–12 (37), 2004.
• [4] Baughman R.H., Zakhidov A.A., de Heer W.A. Carbon nanotubes – the route toward applications. Science, 5582 (297), 2002, 787–792.
• [5] Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology, third edition, revised and expanded, Springer Verlag, Berlin–Heidelberg 2010.
• [6] Brand L., Gierlings M., Hoffknecht A., Wagner V., Zweck A. Kohlestoff-Nanorörchen: Potenziale einer neuen Materialklasse für Deutschland. Technologieanalyse, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf 2009.
• [7] Chauveau V., Mazuyer D., Dassenoy F., Cayer-Barrioz J. In situ film-forming and friction-reduction mechanisms for carbon-nanotube dispersions in lubrication. Tribology Letters, 3 (47), 2012, 467–480.
• [8] Cook E.H., Buehler M.J., Spakovszky Z.S. Mechanism of friction in rotating carbon nanotube bearings. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 61, 2013, 652–673.
• [9] Cursaru D.L., Andronescu C., Pirvu C., Ripeanu R. The efficiency of Co-based single –wall carbon nanotubes (SWNTs) as an AW/EP additive for mineral base oils. Wear, 290–291, 2012, 133–139.
• [10] Dekker C. Carbon nanotubes as molecular quantum wires. Physics Today, 5, 1999.
• [11] Fenimore A.M., Yuzvinsky T.D., Han W.Q., Fuhrer M.S., Cumings J., Zettl A. Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature, 424 (6947), 2003, 408–410.
• [12] Harris P.J.F. Carbon nanotubes and related structures. Cambridge University Press, Cambridge 1999.
• [13] Huang J.Y., Chen S., Wang Z.Q., Kempa K., Wang Y.M., Jo S.H., Chen G. Dresselhaus M.S., Ren Z.F. Superplastic carbon nanotubes. Nature, 439, 281, 2006.
• [14] Johanne L.B., Yowell L.L., Sosa E., Arepalli S., Mishra R.S. Survivability of single-walled carbon nanotubes during friction stir processing. Nanotechnology, 17, 3081, 2006.
• [15] Kałużny J. Eksperymentalne zastosowania nanorurek węglowych w konstrukcji tłokowego silnika spalinowego. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2013.
• [16] Kashyap K.T., Rahul R., Yamdagni S. Strengthening in carbon nanotube/aluminium (CNT/Al) composites. Scripta Materialia, 10 (53), 2005, 1159-1163.
• [17] Kogovšek J., Remškar M., Mrzel A., Kalin M. Influence of surface roughness and running-in on the lubrication of steel surfaces with oil containing MoS2 nanotubes in all lubrication regimes. Tribology, 61, 2013, 40–47.
• [18] Kotnarowski A. Konstytuowanie warstw ochronnych z nano-proszków miedzi i molibdenu w procesach tribologicznych, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2009.
• [19] Lin R.M., Lu C. Modeling of interfacial friction damping of carbon nanotube-based nanocomposites. Mechanical Systems and Signal Processing, 8 (24), 2010.
• [20] Lu H., Goldmann J., Ding F., Sun Y., Pulikka-thara M.X., Khabashesku V.N., Yakobson B.I., Lou J. Friction and adhesion properties of vertically aligned multi-walled carbon nano-tube arrays and fluoro-nanodiamond films. Carbon, 10 (46), 2008, 1294–1301.
• [21] Lucas M., Palaci I., Riedo E., Zhang X., To-satti E. Hindered rolling and friction anisotropy in supported carbon nanotubes. Nature Materials, 8, 2009, 876–881.
• [22] Meng H., Sui G.X., Xie G.Y., Yang R. Friction and wear behavior of carbon nanotubes reinforced polyamide 6 composites under sliding and water lubricated condition. Composites Science and Technology, 5 (69), 2009, 606–611.
• [23] Méténier K., Bonnamy S., Béguin F., Journet C., Bernier P., de la Chapelle L.M., Chauvet O., Lefrant S. Coalescence of single walled nanotubes and formation of multi-walled carbon nanotubes under high temperature treatments. Carbon, 40, 2002, 1765–1773.
• [24] Pottuz L.J., Dassenoy F., Vacher B., Martin J.M., Mieno T. Ultralow friction and wear behavior of Ni/Y-based single wall carbon nano-tubes (SWNTs). Tribology International, 11–12 (37), 2004.
• [25] Qianming G., Dan L., Xiaosu Y., Ji L. Tribology of polymeric nanocomposites. Friction and Wear of Bulk Materials and Coatings, Elsevier 2013.
• [26] Saito Y. Nanoparticles and filled nanocapsules. Carbon, 7 (33), 1995, 979–988.
• [27] Salvetat J.P., Bonard J.M., Thomson N.H., Kulik A.J., Forró L., Benoit W., Zuppiroli L. Mechanical properties of carbon nanotubes. Applied Physics A, 69,1999, 255–260.
• [28] Servantir J., Gaspard P. Rotational dynamics and friction in double-walled carbon nanotubes, Phys. Rev. Lett, 97 (18), 2006.
• [29] Tehrani M., Safdari M., Boroujeni A.Y., Razavi Z., Case S.W., Dahmen K., Garmestani H., Al-Haik M.S. Hybrid carbon fiber/carbon nanotube composites for structural damping applications. Nanotechnology, 24, 155704, 2013.
• [30] Tersoff J., Ruoff R.S. Structural properties of a carbon-nanotube crystal. Physical Review, 5 (73), 1994, 676–679.
• [31] Treacy M.M.J., Ebbesen T.W., Gibson J.M. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature, 381, 1996, 678–680.
• [32] De Volder M.F.L., Tawfick S.H., Baughman R.H., Hart A.J. Carbon nanotubes: present and future commercial applications. Science, 6119 (339), 2013, 535–539.
• [33] Vander Wall R.L., Miyoshi K., Street K.W., Tomasek A.J., Peng H., Liu Y., Margrave V.N., Khabashesku V.N. Friction properties of surface-fluorinated carbon nanotubes. Wear, 1–6 (259), 2005, 738–743.
• [34] Wang N., Tang Z.K., Li G.D., Chen J.S. Single-walled 4Å carbon nanotube arrays. Nature, 408, 2000, 50–51.
• [35] Yao N., Lordie V. Young’s modulus of single-wall carbon nanotubes. Journal of Applied Physics., 84, 1998, 1939–1943.
• [36] Zhang S., Liu W.K., Ruoff R.S. Atomistic simulations of double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) as rotational bearings. Nano Letters, 4 (2), 2004.
• [37] Hountalas D.T., Kouremenos A.D. Development of fast and simple simulation model for the fuel injection system of diesel engines. Advanced in Engineering Software, 1 (26), 1998, 13–28.