[논문 리뷰] Effect of Lubricant Contaminants on Tribological Characteristics During Boundary Lubrication Reciprocating Sliding

Mohamed Kamal Ahmed Ali, Fawzy M. H. Ezzat외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

Lubricants and Their Additives인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 실린더 윤활유 내 고체 오염물질(Fe, Cu, Al, Pb, SiO2)이 교차 슬라이딩 조건에서 경계 윤활 조건에서 마찰 성능을 어떻게 열화시키는지 조사한다. 0.63–1.1 m/s의 슬라이딩 속도와 120 N의 하중 조건에서 제어된 실험을 통해 오염물질 농도와 입자 크기가 마찰 계수, 마모 및 출력 손실을 크게 증가시킴을 입증하였으며, 이는 엔진 효율 향상을 위해 윤활유 여과 개선이 필수적임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 경계 윤활 조건에서 엔진 윤활유 내 고체 오염물질의 영향을 마찰 거동에 분석하기.
• 손상된 엔진 오일에 존재하는 특정 오염물질(Fe, Cu, Al, Pb, SiO2)을 규명하기.
• 슬라이딩 속도와 접촉 하중이 오염물질 존재 하에서 마찰과 마모에 미치는 영향을 평가하기.
• 오염물질 농도와 입자 크기의 영향을 마찰 계수, 마모 속도 및 표면 거칠기 측면에서 정량화하기.
• 실험 결과를 바탕으로 개선된 윤활유 여과 전략을 제안하기.

제안 방법

• 핀-온-블록 설정을 사용하여 제어된 경계 윤활 조건에서 교차 슬라이딩 마찰 시험을 실시하였다.
• 윤활유에 다양한 농도의 Fe, Cu, Al, Pb, SiO2 입자를 인위적으로 오염시켰다.
• 피스톤 링/라이너 접촉을 시뮬레이션하기 위해 일정한 120 N 법선 하중 하에 0.63, 0.85, 1.1 m/s의 슬라이딩 속도를 적용하였다.
• 표준 마찰 시험 절차를 사용하여 마찰 계수, 마모 속도 및 표면 거칠기를 측정하고 분석하였다.
• 입자 크기 분포 및 오염물질 농도는 SEM-EDS 또는 유사 분석 기법을 통해 정량화하였다.
• 오염물질 특성과 마찰 성능 열화 간의 상관관계를 분석하기 위해 통계적 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe, Cu, Al, Pb, SiO2 오염물질이 경계 윤활 조건에서의 교차 슬라이딩 접촉에서 마찰 계수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 오염물질 농도가 증가할수록 교차 슬라이딩에서 마모 속도와 표면 거칠기는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 입자 크기가 경계 윤활 조건에서 오염된 윤활유의 마찰 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 슬라이딩 속도와 오염 유발 마모 심각도 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 향상된 여과 정밀도는 엔진 오일 내 고체 오염물질의 부정적 마찰 성능 영향을 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 엔진 오일 내 Fe, Cu, Al, Pb, SiO2 등의 고체 오염물질 존재는 교차 슬라이딩 조건에서 마찰 계수를 크게 증가시켰다.
• 오염물질 농도가 높을수록 마모 속도가 증가하였으며, 특히 높은 슬라이딩 속도에서 두드러졌다.
• 특히 높은 오염물질 농도에서 고체 입자의 경도 작용으로 인해 슬라이딩 부품의 표면 거칠기가 증가하였다.
• 더 큰 입자 크기가 더 작은 입자보다 마찰과 마모에 더 큰 영향을 미쳐 크기 의존성 열화 효과가 있음을 시사하였다.
• 1.1 m/s의 슬라이딩 속도에서 고농도 오염 조건에서 가장 높은 마찰력 손실이 관찰되어 속도 의존성 심각도가 확인되었다.
• 고체 오염물질의 부정적 마찰 성능 영향을 최소화하기 위해 여과 정밀도 향상이 필수적이다.