Motor yağına eklenen nanopartikül katkı maddelerinin tribolojik performanslarının motor aşınmasına etkilerine deneysel araştırılması
Experimental investigation of the tribological performance of nanoparticle additives added to engine oil on the effects of engine wear
Yazar: SELMAN DEMİRTAŞ
Danışman: PROF. DR. EMRULLAH HAKAN KALELİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Motor yağları = Engine oils ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Sürtünme aşınması = Abrasive wear ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Günümüzde nanopartiküllerin yağlama yağındaki tribolojik performanslarının etkilerinin araştırılması güncel bir konudur. Literatürde özellikle, son yıllarda nanopartiküllerin kimyasal, fiziksel ve morfolojik parametreleri üzerine çalışmalar başlatılmış olup, nanopartiküllerin içten yanmalı motorlarda sürtünme ve aşınma yönünden etkilerinin araştırılması, kayıpların azaltılması önem kazanmıştır. Genel olarak yapılan literatür araştırmalarında, çok çeşitli nanopartiküllerin yüksek avantajlı tribolojik özellikleri pim-disk veya pim-plaka gibi Tribometre sürtünme testleri ile ortaya konulmaya çalışılmış; ancak bunlar süspansiyon halinde kalmayıp dibe çökmüş ve gerçek motor testlerinde de süspansiyon halindeki avantajın incelenmediği tespit edilmiştir. 
Bu çalışmada, içten yanmalı motorlarda kullanılan ve piyasada satılan ticari 5W40 tam sentetik motor yağına Titanyum Dioksit (TiO2), İndirgenmiş Grafen Oksit (rGO), Tek Duvarlı Karbon Nanotübler (SWCNTs), Çok Duvarlı Karbon Nanotübler (MWCNTs), Nano Borik Asit (nBA) ve Hegzagonal Bor Nitrür (HBN), nanopartikülleri eklenerek aşınma ve sürtünmeye olan etkileri incelenmiştir. Nanopartikül eklenmemiş motor yağı (5W40 referans yağ olarak kabul edilmiş) ve nanopartikül eklenmiş motor yağları öncelikle tribometrede sürtünme testine tabii tutulmuştur. Hassas tribometre vasıtasıyla elde edilen bilgilerin MATLAB programında işlenmesi neticesinde her bir motor yağının zamana bağlı sürtünme katsayısı belirlenmiş, nanopartikül eklenmemiş (5W40 referans motor yağı) ve en düşük sürtünme katsayısını veren nanopartikül eklenmiş motor yağı, tez kapsamında belirlenen tek silindirli benzinli ve Diesel bir motorlara eklenerek performans ve ömür testine tabi tutulmuştur. Tüm bu testlerden sonra motorlar kesilerek yüzeyleri Dijital Optik Mikroskop/Yüzey Pürüzlülüğü, Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskopi (FESEM) ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) vasıtasıyla detaylı olarak incelenmiştir. Böylece nanopartikül eklenmiş ve eklenmemiş motor yağlarının hem tribometre hem de gerçek motor testlerinin gerçekleştirilmesi ile şimdiye kadar sadece tribometre testleri ile desteklenen literatür çalışmaları gerçek motor testleri ile doğrulanmıştır.

Abstract:
Today, the investigation of the effects of the tribological performance of nanoparticles in lubricating oil is a current issue. In the literature, especially in recent years, studies on the chemical, physical and morphological parameters of nanoparticles have been started, and it has become important to investigate the effects of nanoparticles in internal combustion engines in terms of friction and wear, and to reduce losses. In literature researches, highly advantageous tribological properties of a wide variety of nanoparticles have been tried to be demonstrated by tribometer friction tests such as pin-disc or pin-plate; however, they did not remain in suspension, they collapsed and it was determined that the advantage in suspension was not examined in real engine tests.
In this study, the effects of Titanium Dioxide (TiO2), Reduced Graphene Oxide (rGO), Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs), Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs), Nano Boric Acid (nBA) and Hexagonal Boron Nitride (hBN) on wear and friction were investigated by adding these nanoparticles to commercial 5W40 fully synthetic engine oil used in internal combustion engines. Engine oil without nanoparticles (5W40 is accepted as reference oil) and engine oils with nanoparticles were first subjected to friction test in a tribometer. As the result of processing the information in the MATLAB program obtained through the sensitive tribometer, the time-dependent friction coefficient of each engine oil was determined, then, the engine oil without nanoparticles (5W40 reference engine oil) and nanoparticle added, which gave the lowest friction coefficient, was added to a single-cylinder gasoline and diesel engines determined within the scope of the thesis, subjected to performance and life testing testing. After all these tests, engines were cut and their surfaces were examined in detail by means of Digital Optical Microscope/Surface Roughness, Scanning Electron Microscope (SEM) or Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and Atomic Force Microscope (AFM). Thus, by performing both tribometer and real engine tests of engine oils with and without nanoparticle added, literature studies that have been supported only by tribometer tests until now have been confirmed by real engine tests.