[論文レビュー] Effect of Lubricant Contaminants on Tribological Characteristics During Boundary Lubrication Reciprocating Sliding

Mohamed Kamal Ahmed Ali, Fawzy M. H. Ezzat+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Lubricants and Their Additives被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、往復滑り条件下における境界潤滑状態下で、エンジン潤滑油に含まれる固体不純物（Fe、Cu、Al、Pb、SiO2）がトライボロジカル性能に与える影響を調査している。0.63–1.1 m/sの滑り速度と120 Nの荷重で制御された実験により、不純物濃度および粒子径が摩擦係数、摩耗、およびパワー損失を顕著に増加させることを示しており、エンジン効率向上のための油ろ過技術の向上が不可欠であることが明らかになった。

ABSTRACT

This article presents the effect of the presence of solid contaminants, in engine lubricating oil, on the tribological parameters, which impact negatively on the performance of the engine and increase fuel consumption. This study revealed that the lubricant was contaminated by Fe, Cu, Al, Pb and SiO2 particles. The tribological tests were performed using 0.63, 0.85 and 1.1 m s-1 average sliding speeds and 120 N contact load to mimic the boundary lubrication regime of the sliding reciprocating motion of the piston ring/liner interface in an engine. The presence of the solid contaminants in engine oils leads to an increase in friction coefficient, wear and frictional power losses, increasing the surfaces roughness as a consequence. The results showed that grain size and concentrations strongly affected the tribological parameters. In order to minimize the effect of solid contaminants, it is necessary to improve the filtration accuracy for lubricating oils.

研究の動機と目的

• 境界潤滑状態下におけるエンジン潤滑油中の固体不純物がトライボロジカル挙動に与える影響を分析すること。
• 劣化したエンジンオイルに存在する特定の不純物（Fe、Cu、Al、Pb、SiO2）を同定すること。
• 滑り速度および接触荷重が不純物存在下での摩擦および摩耗に与える影響を評価すること。
• 不純物濃度および粒子径が摩擦係数、摩耗率、および表面粗さに与える影響を定量すること。
• 実験結果に基づき、改善された潤滑油ろ過戦略を提言すること。

提案手法

• ピンオンブロック方式を用いた制御された境界潤滑条件下で往復滑りトライボテストを実施した。
• 潤滑油にFe、Cu、Al、Pb、SiO2粒子を varying 濃度で人工的に不純物として添加した。
• ピストンリング／ライナー接触を模倣するため、一定の120 Nの垂直荷重をかけながら、0.63、0.85、1.1 m/sの滑り速度を適用した。
• 標準的なトライボロジカル試験プロトコルに従い、摩擦係数、摩耗率、表面粗さを測定および分析した。
• 粒子径分布および不純物濃度は、SEM-EDSなどの分析技術を用いて定量した。
• 不純物特性とトライボロジカル性能の劣化との相関関係を特定するため、統計解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe、Cu、Al、Pb、SiO2不純物が境界潤滑状態下の滑り接触における摩擦係数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不純物濃度を増加させることで、往復滑り状態における摩耗率および表面粗さはどの程度変化するか？
• RQ3 粒子径が境界潤滑状態下における不純物含有潤滑油のトライボロジカル性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 滑り速度と不純物由来摩耗の深刻さとの関係は何か？
• RQ5 より高い精度のろ過技術は、エンジンオイル中の固体不純物が引き起こす悪影響を緩和できるか？

主な発見

• Fe、Cu、Al、Pb、SiO2などの固体不純物がエンジンオイル中に存在することは、往復滑り状態下で摩擦係数を顕著に増加させた。
• 不純物濃度が高くなるにつれて摩耗率も上昇し、特に高滑り速度下で顕著であった。
• 固体粒子によるアブレーション作用により、滑り部品の表面粗さが上昇したが、特に不純物濃度が高い状態で顕著であった。
• 粒子径が大きいほど、摩擦および摩耗に与える影響が顕著で、粒子径依存性の劣化効果が示された。
• 1.1 m/sの滑り速度で高濃度不純物を含む状態で、最大の摩擦損失パワーが観察された。これは、速度依存性の深刻さを示している。
• 固体不純物が潤滑油に与える悪影響を最小限に抑えるためには、ろ過精度の向上が不可欠である。