بررسي تاثير پوشش‌هاي نانومتري بر اتلاف اصطكاكي و سايش در حلقه سنبه

Investigating the effect of nanocoating on friction loss and abrasion in the piston rings

آب بندي مكانيكي محفظه احتراق در موتورهاي درونسوز توسط رينگ پيستون انجام مي‌گيرد كه بايد علاوه بر خاصيت آب بندي داراي مقاومت سايشي مناسب باشد و براي دسترسي به اين خاصيت از پوشش آلياژي بر روي رينگ استفاده مي‌شود. در حال حاضر پوشش‌هاي CrN براي پوشش دهي رينگ پيستون به كار مي‌رود كه مقاومت سايشي خوبي در دماي اتاق دارد ولي به خاطر ساختار متخلخل شونده سايش بسيار زيادي در دماهاي بالاي 200 درجه از خود نشان مي‌دهد و فاقد خاصيت خود روان كننده است. اگرچه رفتار سايشي پوشش‌هاي متنوع اعمالي بر روي رينگ‌هاي پيستون توسط محققان زيادي مورد بررسي قرار گرفته است، ولي به منظور مقايسه و بررسي كلي پوشش‌ها تحقيقات اندكي انجام شده است. هدف اين پروژه، تحليل پوشش‌هاي جديد نانو كوتينگ براي رينگ پيستون موتور TU5 مي‌باشد. در ابتدا تأثير پوشش‌هاي مختلف به روش نانو كوتينگ بر روي رفتار سايشي رينگ پيستون مورد مطالعه قرار گرفته است و سپس با استفاده از نرم افزار AVL معادلات مدل روانكاري هيدروديناميك رينگ پيستون با سيلندر شبيه سازي و حل عددي شده و تأثير پوشش هاي مختلف رينگ پيستون بر پارامترهائي از قبيل اتلاف اصطكاكي، سايش، ميزان بلوباي و ضخامت فيلم روغن مورد بررسي قرار مي‌گيرد. با توجه به نتايج حاصله و نمودارهاي شبيه سازي، پوشش‌دهي نيترات كروم آلومينم آلياژ شده با رنيوم به روش نانو كوتينگ و آلياژ سازي، تأثير 30 درصدي بر كاهش اتلاف‌ اصطكاكي و كاهش 83 درصدي سايش و بهبود 79 درصدي خاصيت آب بندي رينگ دارد.

The piston ring which prepares mechanical sealing of a combustion chamber, should have significant abrasion resistance and less friction loss, using appropriate ring coating. The coating widely used is CrN, because of its good abrasion resistance at room temperature. However, it suffers from some shortcomings, such as high abrasion rate at temperatures above 200°C and lack of self-lubricating property. Although the abrasion behavior of various coatings has been widely investigated, a comprehensive comparing procedure is required to demonstrate the advantages of each coating. In this study, the effects of different Nano-coatings applied to the piston rings of the TU5 IC engine is investigated. The AVL software was used to create hydrodynamic lubrication model and solve numerically the related equations, such as Reynolds and friction loss and the parameters such as friction loss, abrasion, blow-by and oil film thickness were investigated. The results demonstrate that using the Nano-coating reduced friction loss and abrasion by 30 percent and 83 percent, respectively, and the mechanical sealing were improved by 79 percent.