ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

Сафонов В. Н.

студент,

Липецкий государственный технический университет

Гребеньков Д. В.

кандидат технических наук, доцент,

Липецкий государственный технический университет

  

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ


Такие проблемы, как увеличение мощности двигателя, межремонтного  ресурса, уменьшение механических потерь, снижение токсичности выхлопов, улучшение приемистости двигателя и другие с давних пор стоят перед конструкторами. На сегодняшний день, с развитием нанотехнологий и наноматериалов, продвижение в этих областях становится всё более заметным. Всё большее применение наноматериалы находят в качестве добавок к топливу и смазочным материалам.

Препараты на основе нанотехнологий для топлива применяются для повышения эксплуатационных и экологических качеств бензина и дизельного топлива.

Для повышения эксплуатационных  свойств различных видов топлива, могут вводиться различные металлосодержащие присадки. Большую роль при этом играет дисперсность частиц: чем их размер меньше, тем они эффективнее выполняют свою функцию. Также достижение требуемого эффекта возможно при включении в состав присадок моющих компонентов, химических регуляторов и нанокатализаторов горения. Сегодня чаще используют многокомпонентные композиции, где каждый компонент отвечает за свою функцию. Для полного смешивания компонентов в металлосодержащих присадках (для дизелей и карбюраторных двигателей) используют соответствующие растворители.  

Для повышения удельной теплоты сгорания (для любого углеводородного топлива не превышает 44 МДж/кг) и улучшения процессов воспламенения применяют препараты, которые содержат соли железа. Примером может являться ферроцен – соединение, в котором атом железа соединен сразу со всеми атомами углерода. Он термически стабилен и хорошо растворяется в органических растворителях. Соединения ферроцена регулируют процесс горения за счет возникновения каталитически активных частиц при разложении структуры ферроцена, что приводит к дополнительному разветвлению цепных реакций горения и окислению молекул топлива атомарным кислородом. Применение ферроцена ограничено – не более 37 мг/л, так как высокие концентрации приводят к износу деталей двигателя и образовании отложений оксида железа на свечах и других деталях. Также могут быть использованы марганцевые соединения, которые удаляются простым очистителем.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания, например металлами, позволяет получать топливо с более высокими энергетическими характеристиками. Согласно проведенным исследованиям, двигатель, работающий на топливе с металлическими наночастицами развивает в 3 раза большую мощность, чем современный бензиновый двигатель. Однако применение такого топлива приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и выделению большого количества оксида азота.

Современные экологические требования для автомобилей, такие как «Евро-4» и «Евро-5» требуют сокращения оксидов азота в отработавших газах двигателя. Одним из путей сокращения концентрации вредных веществ в выхлопных газах двигателя является введение в топливо наночастиц оксида церия. Присадка «Envirox» (разработка английской фирмы «Oxonica» при Оксфордском университете) представляет собой наноразмерные частицы оксида церия на органической основе и позволяет сократить расход топлива на 10-15% и содержание оксида азота в выхлопных газах.

На сегодняшний день в Европе применяется технология SCR с реагентом «AdBlue» (рис. 1) для дизельных двигателей, которая сочетает в себе экологические требования и экономичность. Данная технология широко распространилась за счет того, что она применима к топливу различного качества, не требует специального обслуживания и никак не влияет на интервалы между техническим обслуживанием автомобиля.

 

 

Рисунок 1 – Схема применения технологии SCR с реагентом «AdBlue» на бензиновом двигателе

 

«AdBlue» - раствор мочевины на водной основе. Он преобразует вредные оксиды азота, в безвредный азот при помощи следующих реакций[1, с. 196]:

 

 

Среди препаратов добавляемых в смазочные материалы можно выделить следующие группы:

  1. Кондиционеры металла («Fenom Metal», «NanoConditioner»). Эти препараты, в результате трибохимических реакций (образования, распада и восстановления в зоне трения соединений металла с активными молекулами продукта) образуют защитный граничный слой (20-40 нм), обладающий антифрикционными свойствами и стойкостью к высоким нагрузкам.
  2. Рекондиционеры («Old Chap Reconditioner»), как и кондиционеры создают защитный слой и помимо этого дополнительно повышают несущую способность (прочность) масляной плёнки. Полимолекулярная система препарата, которая включает в себя наноразмерные комплексы (кластеры) органических веществ, увеличивает адгезию масла к металлу и структурирует граничную масляную плёнку.
  3. Защитные присадки («Renom Engine», «Gear NanoGuard») содержат наночастицы «NanoJell-C­®», «NanoJell-Mo­®», которые формируют твёрдую наноструктурную плёнку, снижающую трение, а соответственно, износ деталей.

Следует отдельно сказать еще об одном способе применения наночастиц в смазочных материалах – металлоплакирующие присадки-ферромагнетики т.е. металлы обладающие магнитными свойствами. Применение таких присадок является эффективным способом модифицирования поверхностей трения.

 

 

Рисунок 2 –Схема взаимодействия металлоплакирующего МСМ в рабочем контакте трибологического узла:

I – зона смазочной среды в жидком состоянии;

II – зона смазочной среды в вязко-пластичном состоянии;

III – зона контака микровыступов;

1,4 – поверхности трения; 2 – взаимодействующая частица ММС;

3 – частица магнитного металлоплакирующего материала;

5 – частица ММС, адсорбированная на поверхности трения

 

Использование магнитных сил взаимодействия трущихся поверхностей и частиц металлоплакирующей присадки позволяет ускорить процесс переноса частиц материала и  образования защитной пленки. Это становится возможным при применении мелкодисперсных порошков магнитотвёрдых ферромагнитных металлов и сплавов, способных сохранять неизменными свои магнитные характеристики.

Наличие остаточного намагничивания является характерной особенностью магнитной металлоплакирующей смазки (ММС). Под действием нагрузки, температуры и давления в рабочем зазоре трибоузла ММС разжижается, приобретая свойства ферроколоидного раствора (рис. 2). Под действием  сил магнитного взаимодействия, магнитные частицы металлоплакирующего материала перемещаются к поверхностям трения деталей. Затем на более близких расстояниях межу частицами и поверхностью трения увеличивается действие адсорбции, сил межмолекулярного взаимодействия и Ван-дер-ваальсовых сил. Материал частиц, который представляет собой мягкий плакирующий металл, образует прочную защитную плёнку.

Применение наноматериалов позволяет решать многие задачи в самых разных сферах деятельности человека, в том числе и в машиностроении. Продолжая работать в этом направлении, можно добиться успехов  в решении таких проблем, которых раньше разрешить не представлялось возможным.

 

Литература.

  1. Нанотехнологии и наноматериалы в агроинженерии. Учебное пособие/ М. Н. Ерохин, В.И. Балабанов и др. под общ. ред. М.Н. Ерохина – М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2009. – 300 с.