-‎--‎-

مهندسي خودرو

بهبود كارايي روانكارها در صنايع، به‌ويژه در موتورهاي احتراق داخلي، به‌منظور ارتقاي خواص ترموفيزيكي (گرانروي و رسانش حرارتي) و تريبولوژيكي (خواص ضدسايش و ضداصطكاك) امري ضروري است و استفاده از نانوذرات به‌عنوان يكي از رويكردهاي نوين در اين زمينه مطرح شده است. با اين حال، اغلب مطالعات پيشين بررسي خواص ترموفيزيكي نانوروانكارها را صرفا به روش‌هاي تجربي محدود كرده‌اند كه رويكردي پرهزينه، زمان‌بر و فاقد امكان تحليل‌هاي مولكولي عميق است؛ همچنين مطالعات تريبولوژيكي نيز عمدتا تنها با يك روش آزمايشگاهي و تحت يك شرايط كاري انجام شده‌اند. افزون بر اين، گزارش‌هاي موجود درباره غلظت بهينه نانوذرات نتايج متفاوتي ارائه داده و نياز به بررسي جامع‌تري را نشان مي‌دهد. در اين رساله، به‌منظور رفع اين خلا پژوهشي، دو مسير مكمل دنبال شد. در بخش خواص ترموفيزيكي، براي نخستين‌بار نانوروانكار تجاري شامل روغن موتور 20W50 بهران پيشتاز و نانوذرات اكسيد مس (CuO) با قطر 50 نانومتر، به‌صورت هم‌زمان با روش ديناميك مولكولي و آزمايش تجربي مورد مطالعه قرار گرفت. در شبيه‌سازي، فرمول شيميايي C30H62 براي روغن پايه و CuO براي نانوذره در نظر گرفته شد و گرانروي و ضريب رسانش حرارتي با استفاده از روش گرين–كوبو محاسبه گرديد. آزمايش‌ها و شبيه‌سازي‌ها در غلظت‌هاي 0، 25/0، 5/0 و 75/0 درصد وزني و در دماهاي 300، 313، 323 و 373 كلوين انجام شدند. نتايج نشان داد با افزايش غلظت نانوذرات، گرانروي و ضريب رسانش حرارتي افزايش مي‌يابد؛ همچنين افزايش دما موجب افزايش رسانش حرارتي و كاهش گرانروي مي‌شود. به‌عنوان نمونه، در دماي 373 كلوين و غلظت 75/0% وزني، رسانش حرارتي و گرانروي نانوروانكار نسبت به روانكار خالص به‌ترتيب 93/10% و 6/1% افزايش يافت. مقايسه نتايج شبيه‌سازي و داده‌هاي تجربي اختلافي كمتر از 5/9% براي گرانروي و حدود 4/4% براي رسانش حرارتي را نشان داد كه بيانگر دقت و كارآمدي روش ديناميك مولكولي در پيش‌بيني خواص ترموفيزيكي است. همچنين اثر افزايش قطر نانوذرات در شبيه‌سازي بررسي شد و نتايج نشان داد با كاهش قطر نانوذرات، ضريب رسانش حرارتي تا حدود 8% افزايش مي‌يابد، در حالي كه تاثير چشم‌گيري بر گرانروي مشاهده نمي‌شود. در ادامه و در حوزه خواص تريبولوژيكي، به‌منظور تعيين غلظت بهينه و رفع محدوديت مطالعات گذشته، دو آزمون استاندارد پين‌روي‌ديسك در دماي محيط و چهارساچمه در دماي 75 درجه سانتي‌گراد در بازه غلظتي 0 تا 1 درصد وزني انجام شد. نتايج نشان داد در غلظت 75/0% وزني كمترين ضريب اصطكاك و سايش در هر دو آزمون حاصل مي‌شود؛ به‌طوري‌كه كاهش ضريب اصطكاك در آزمون چهارساچمه 5/78% و در آزمون پين‌روي‌ديسك 9/25% نسبت به روغن پايه به‌دست آمد. تحليل سطوح قطعات آزمايشي با SEM/EDX نيز تشكيل لايه‌هاي غني از مس بر سطوح تماس را تأييد كرد كه به‌عنوان مكانيسم اصلي كاهش سايش و اصطكاك شناخته مي‌شود. در مجموع، نوآوري اين رساله در به‌كارگيري ديناميك مولكولي به‌عنوان ابزاري كم‌هزينه و دقيق براي پيش‌بيني خواص ترموفيزيكي، و استفاده هم‌زمان از دو روش آزمايشي متفاوت براي تحليل جامع خواص تريبولوژيكي و تعيين غلظت بهينه نانوذرات است. اين رويكرد مي‌تواند مبناي علمي و كاربردي مناسبي براي طراحي نانوروانكارهاي نسل جديد در موتورهاي احتراق داخلي و ساير سامانه‌هاي صنعتي فراهم آورد.

1405/02/09

Experimental an‎d Molecular Dynamics Simulation Study of the Effects of Adding Nanoparticles to Engine Oil on Heat Transfer, Friction, an‎d Wear

4/29/2026 12:00:00 AM

Improving the performance of lubricants in industrial applications, particularly in internal combustion engines, is essential for enhancing their thermophysical (viscosity an‎d thermal conductivity) an‎d tribological (anti-wear an‎d anti-friction) properties. The use of nanoparticles has emerged as a novel approach in this regard. However, most previous studies on the thermophysical properties of nanolubricants have been limited to purely experimental methods, which are costly, time-consuming, an‎d incapable of providing deep molecular-level insights. Likewise, tribological investigations have typically relied on a single experimental setup an‎d under a single operating condition. Furthermore, the reported optimum nanoparticle concentrations vary across the literature, highlighting the need for a more comprehensive examination. To address these research gaps, this dissertation adopts two complementary approaches. In the thermophysical analysis, for the first time, a commercial nanolubricant formulated by adding copper oxide (CuO) nanoparticles with an average diameter of 50 nm to Behran Pishtaz 20W50 engine oil was simultaneously studied using both molecular dynamics (MD) simulation an‎d experimental testing. In the simulations, the chemical formula C30H62 was used for the base oil an‎d CuO for the nanoparticles, an‎d viscosity an‎d thermal conductivity were calculated using the Green–Kubo method. Experiments an‎d simulations were performed at nanoparticle concentrations of 0, 0.25, 0.5, an‎d 0.75 wt% an‎d temperatures of 300, 313, 323, an‎d 373 K. Results indicated that increasing nanoparticle concentration enhances both viscosity an‎d thermal conductivity, while increasing temperature leads to higher thermal conductivity an‎d lower viscosity. For example, at 373 K an‎d 0.75 wt% concentration, thermal conductivity an‎d viscosity increased by 10.93% an‎d 1.6%, respectively, compared to the base lubricant. Comparison of simulation an‎d experimental results showed deviations of less than 9.5% for viscosity an‎d approximately 4.4% for thermal conductivity, demonstrating the accuracy an‎d effectiveness of MD simulations in predicting thermophysical properties. In addition, the effect of nanoparticle size was investigated through simulation, showing that reducing nanoparticle diameter increases thermal conductivity by up to 8%, while having no significant impact on viscosity. In the tribological section, to determine the optimum nanoparticle concentration an‎d overcome limitations of previous studies, two stan‎dard tests—pin-on-disk at room temperature an‎d four-ball at 75 °C—were performed within the concentration range of 0–1 wt%. Results demonstrated that the lowest friction coefficient an‎d wear occurred at 0.75 wt% concentration. Specifically, friction reduction in the four-ball an‎d pin-on-disk tests reached 78.5% an‎d 25.9%, respectively, compared to the base oil. SEM/EDX analysis of worn surfaces confirmed the formation of copper-rich layers on the contact surfaces, identified as the main mechanism for friction an‎d wear reduction. Overall, the novelty of this dissertation lies in employing molecular dynamics simulations as a cost-effective an‎d accurate tool for predicting thermophysical properties, combined with the simultaneous use of two distinct experimental methods for a comprehensive tribological analysis an‎d determination of optimal nanoparticle concentration. This approach provides a solid scientific an‎d practical foundation for the design of next-generation nanolubricants in internal combustion engines an‎d other industrial systems.

نانوروان‌كار , ديناميك مولكولي , گرانروي , ضريب رسانش حرارتي , اصطكاك , سايش

Nano lubrication , Molecular dynamics , Viscosity , Thermal conductivity , Friction , Wear

Mohamad Bashiri

Prof. Mohammad hassan Shojaeefard, Dr. Ali Qasemian Moghaddam