یکی از مهمترین اجزای خودرو که در واقع عامل پیشبرنده آن است، موتور آن است. موتور خودروها ممکن است ساختارهای مختلفی داشته باشند اما تقریباً تمامی آنها برای عملکرد صحیح، نیاز به روغن دارند. روغن در داخل موتور، به عملکرد و بازدهی بیشتر خودرو کمک کرده و باعث روانتر کار کردن خودرو میشود. شاید اغراق نباشد اگر گفته شود ارزانترین تغییری که میتوان در خودرو ایجاد کرد تا بیشترین افزایش بازدهی را داشته باشد، تعویض روغنموتور و استفاده از روغنموتور مناسب است.
هدف این گزارش معرفی تأثیر فناوری نانو در بهبود عملکرد روغنهای موتور و همچنین معرفی آخرین فناوریها و تولیدکنندههای این حوزه است؛ اما پیش از هرچیز لازم است که تا حدودی عملکرد روغن در موتور خودرو شرح داده شود:
شکل 1- ساختار موتور و نحوه توضیح روغنموتور بین اجزای آن [1]
در ساختار موتور، قطعات فلزی مختلفی از قبیل پیستون، میللنگ و… روی یکدیگر حرکت کرده و به همراه احتراقی که صورت میگیرد، نیروی محرکه خودرو را تأمین میکنند. این قطعات از جنس فلزی بوده که حرکت و تماس آنها با یکدیگر، منجر به ایجاد حرارت و همچنین سایش میشود. جدای از این، بخش زیادی از انرژی تولیدی توسط موتور، به دلیل اصطکاک ناشی از سایش این قطعات فلزی تلف میشود.
برای جلوگیری از این اتلاف انرژی و حرکت بهتر این قطعات روی یکدیگر، از روغنموتور استفاده میشود. روغنموتور با کاهش اصطکاک بین اجزای موتور، عملکرد موتور را بهبود بخشیده و جلوی خوردگی و سایش اجزای آن را میگیرد. [2]
در تصویر بالا ساختار عمومی یک موتور درونسوز نشان داده شده است. بخشهای طلاییرنگ روغن هستند که در داخل موتور جریان دارند. همانطور که در شکل دیده میشود، روغن ابتدا در یک مخزن روغن است و توسط پمپ روغن به بالا کشیده شده و بعد از عبور از یک فیلتر (برای حذف آلودگیهای موجود) به سمت موتور و اجزای آن هدایت میشود. در نهایت نیز مجدداً در مخزن تخلیه میشود. این چرخه به صورت مداوم در داخل موتور ادامه پیدا میکند.
عملکرد روغن در موتور
به طور کلی روغنموتور کارکردهای مختلفی دارد که از مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کاهش اصطکاک فلز با فلز؛
- کاهش سایش اجزا؛
- حذف آلودگیها از داخل موتور؛
- جلوگیری از خوردگی؛
- کمک به کاهش حرارت اجزای موتور.
هدف اصلی و اولیه، کاهش اصطکاک موجود در داخل موتور است. با این کار موتور عملاً قدرت کار کردن و فعالیت را بدون اتلاف انرژی زیاد خواهد داشت. به همین دلیل هم هست که با بهبود کیفیت روغن، میتواند توان موتور را تا حدود زیادی افزایش داد. روغنموتور یکی از پارامترهای کلیدی است که میتواند تأثیر بسیار زیادی روی عملکرد خودرو داشته باشد و با توجه به هزینه کمی که دارد، تأثیر زیادی روی سلامت خودرو خواهد داشت.
شکل 2- وظایف و عملکرد روغنموتور
شاید با نگاه از دور، اجزای داخل موتور به صورت صیقلی و صاف به نظر برسند؛ اما در ابعاد میکروسکوپی، پستیوبلندیهایی دارند که در صورت حرکت اجزا روی یکدیگر، این پستیوبلندیها میتوانند کنده شده و موجب سایش اجزا شوند. یکی دیگر از وظایف روغنموتور، کاهش این سایش است.
وظیفه سوم روغن نیز حذف هرگونه آلودگی ایجاد شده در داخل فضای موتور است. روغن با خارج شدن از این فضا، آلودگی را با خود حمل کرده و در زمان عبور از فیلتر، آنها را پشت سر میگذارد. به این صورت است که میتواند آلودگیهای داخل ساختار را به خوبی خارج کند.
در تصویر 2 عملکرد روغنموتور و وظایف آن به صورت شماتیک نشان داده شده است.
بازار روغنموتور و مکملها
بر اساس آخرین آمارها، چیزی حدود 37 میلیون وسیله نقلیه موتوری در داخل کشور موجود است. همچنین روغنموتور باید به صورت دورهای تعویض شوند تا آسیبی به موتور (مهمترین بخش وسیله نقلیه) وارد نشود و بتواند بهترین عملکرد را داشته باشد. در سالهای گذشته محصولات مختلفی با عنوان افزودنی روغنموتور نانویی به بازار معرفی شدهاند. [1]
طبق محاسبات، تقریباً بازار روغنموتور در داخل ایران حدود 20000 میلیارد تومان است. (بر اساس آمارهای سال 98 از میزان مصرف و قیمت فعلی روغن خودرو) [2]
فروش جهانی روغنموتور نیز در سال 2020، چیزی حدود 22000 کیلوتن بود. البته این موضوع لازم به اشاره است که فروش محصولات مرتبط با خودرو در این سال تحت تأثیری همهگیری بیماری کرونا قرار گرفت. به دلیل قرنطینه مربوط به بیماری کرونا، استفاده از وسایل حملونقل عمومی به شدت کاهش یافت. [3]
پیشبینی میشود که بازار این محصول در طی 5 سال آینده، به طور متوسط 2 درصد افزایش داشته باشد. [3]
نکتهای که درباره این بازار وجود دارد، این است که بیشتر تولید روغنموتور توسط شرکتهای بزرگ است و شاید جایی برای ورود شرکتهای جدید به این حوزه وجود نداشته باشه؛ اما در زمینه مکملها، این بازار وجود دارد. مکملها میتوانند به دو صورت و تولید و به فروش رسانده شوند. یکی از راهها فروش مستقیم این مکملها به مصرفکننده است تا خود مصرفکننده در هنگام استفاده آن را به موتور اضافه کند. روش دیگر فروش مکمل به شرکتهای بزرگ تولیدکننده روغنموتور است.
فناوری نانو در روغنموتور
در طی سالهای اخیر، افزودنیهایی برای روغنهای موتور به بازار وارد شده است که از فناوری نانو استفاده میکنند. در بیشتر این مکملها از نانوالماس استفاده میشود. البته نانوساختارهای دیگری نیز در این مکملها استفاده میشوند اما از آنجایی که عمده کاربردها مربوط به خاصیت ایجاد لغزش و استفاده از نانوالماسها هستند، در ادامه تنها به نانوالماسها پرداخته خواهد شد.
با استفاده از این نانوالماسها و کاهش سایش در موتور، میتوان توقع کاهش مصرف سوخت را نیز داشت که یکی از تأثیرهای مستقیم استفاده از روغنموتورهای بهتر است. کاهش مصرف سوخت منجر به کاهش تولید گازهای گلخانهای میشود و همین موضوع نیز استفاده از فناوری نانو در خودروها را از نظر زیستمحیطی بسیار مطلوب میکند.
نانوالماس
نانوالماسها در واقع همان ذرات الماس هستند که در ابعاد نانومتر قرار دارند. از آنجایی که الماس مادهای بسیار سخت است، نانوالماسها معمولاً از روشهایی مانند انفجار تولید میشوند. این ذرات همان استحکام و سختی الماس واقعی را داشته، اما ابعاد آنها بسیار کوچکتر است. [4]
با اینکه الماس بیشتر به عنوان یک سنگ زینتی شناخته میشود، اما حدود 80 درصد کاربردهای آن در صنعت است. بیشتر کاربردهای صنعتی آنها جهت برش مواد سخت، حفاری یا به عنوان افزودنی در روان کارها است.
نانوالماسها از دسته مواد بسیار سخت (SuperHard) هستند. این پودر قابلیت تحمل حرارت تا دمای 1000 درجه سانتیگراد را دارد و در برابر سایش، نیروهای مکانیکی و مواد شیمیایی مختلف بسیار مقاوم است. به همین دلیل نیز گزینه بسیار مناسبی برای افزودن به روغنموتور و کار در شرایط دمایی و فیزیکی شدید موتور است. [5]
عمدتاً کربنهای شبیه به الماس یا DLC (Diamond Like Carbons) موادی هستند که به عنوان پوشش و در این کاربردها استفاده میشوند.
عملکرد نانوالماسها به عنوان روانکننده در روغنموتور
در حالت عادی شاید به نظر برسد که سطوح فلزی داخل موتور کاملاً صیقلی باشند؛ اما در ابعاد میکروسکوپی، زبری و خلل و فرجی روی سطح آنها وجود دارد. این خلل و فرج اصطکاک را بیشتر کرده و در اثر سایش، امکان کنده شدن ذرات ریز از سطح آنها وجود دارد. کنده شدن این ذرات به مرور زمان باعث ضعیفتر شدن موتور خودرو و آسیب به آن میشود.
با اضافه کردن نانوالماسها به روغنموتور، این ذرات در داخل روغن یک سوسپانسیون تشکیل میدهند. نانوالماسها در سطح بین دو قطعه قرار گرفته، خلل و فرج آن را پر کرده و سطح کاملاً صافی را تشکیل میدهند. همچنین به دلیل شکل و ساختار کروی که دارند، نوع اصطکاک بین دو سطح را از اصطکاک لغزشی به اصطکاک غلتشی تغییر میدهند. به نوعی میتوان گفت که عملکردی مانند بلبرینگ خواهند داشت. این موضوع منجر به کاهش حرارت تولید شده (از طریق اصطکاک اجزا) و کاهش فرسایش موتور میشود.
در تصویر 3 خلل و فرج میان اجزای موتور که در درازمدت باعث آسیب به موتور همچنین کاهش راندمان آن میشوند، نشان داده شده است. همانطور که در تصویر 4 نیز دیده میشود، با سایش این اجزا روی یکدیگر، حرارت موضعی ایجاد شده که میتواند منجر به خوردگی و سایش بیشتر این اجزا شود.
شکل 3- سطح میکروسکوپی اجزای موتور که زبری آن در ابعاد میکروسکوپی در تصویر دیده میشود.
شکل 4- سایش برآمدگیهای کوچک روی سطح که منجر به ایجاد حرارت بالا و شکسته شدن و جدا شدن ذرات ریز فلزی از سطح میشود.
تصویر 5 به شکلی کلی نحوه حضور نانوالماسها را در داخل این خلل و فرج نشان میدهد. همانطور که پیشتر هم اشاره شد، حضور این کرههای نانومتری جلوی بخش زیادی از سایش موجود در داخل موتورها را گرفته که در نهایت منجر به افزایش راندمان و طول عمر موتور میشود.
شکل 5- میلیاردها نانوذره کرهای در فضای میان دو سطح قرار گرفته و جلوی برخورد مستقیم دو سطح با یکدیگر را میگیرد. در نتیجه حضور این نانوذرات، به طور کلی سایش و مشکلاتی که پدید میآورد، کاهش پیدا خواهد کرد.
شکل 6- تشکیل یک لایه DLC روی سطح که منجر به کاهش سایش میشود. (لایه آبی رنگ روی سطح)
این نانوساختار ها این قابلیت را دارند که به صورت یک فیلم نازک، لایهای روی سطح تشکیل دهند. این لایه در مناطقی تشکیل میشود که بیشترین سایش و اصطکاک را دارند. تشکیل این لایه نیز خودش میتواند از خوردگی بیشتر جلوگیری کند. تشکیل این لایه در تصویر 6 قابل مشاهده است.
این نانوذرات در ذات موادی ساینده هستند؛ اما زمانی که به شکل کره هستند، میتوانند اصطکاک را به غلتشی تغییر داده و نقش بالبرینگ را بازی کنند. همچنین میتوانند سطح را صیقل داده و در نهایت با تشکیل یک لایه قدرتمند روی سطح، از تخریب آن محافظت کنند. نتایج تستها نشان داده است که این مواد توانستهاند سایش را 20-30% در روانسازها، نسبت به دیگر افزودنیها کاهش دهند. این موضوع میتواند سالانه بخش زیادی از هزینههای مربوط به سوخت را کاهش دهد. همچنین با کاهش مصرف سوخت، تولید گازهای گلخانهای نیز کاهش پیدا کرده و از منظر محیطزیستی نیز مطلوب هستند.
البته یکی از موارد دیگری که میتوان به آن اشاره کرد، این است که استفاده از این افزودنیها، آلودگی صوتی ایجاد شده توسط موتور را نیز کاهش خواهد داد؛ زیرا بخشی از آلودگی صوتی ایجاد شده در خودرو، به دلیل سایش اجزا روی یکدیگر است؛ هرچه حرکت اجزا روی یکدیگر روانتر باشد، صدای تولیدی توسط موتور نیز کمتر است. [8]
افزودنیهای روغنموتور در بازار داخل و خارج کشور
آثار فناوری نانو برای بهبود عملکرد روانسازها نزدیک به 20 سال است که شناخته شده است و در حال حاضر نیز محصولاتی که از این فناوری استفاده میکنند، هم در داخل و هم در خارج از کشور وجود دارد. به طور کلی محصولات این حوزه به دو صورت هستند:
- روغنموتورهای ساخته شده با فناوری نانو
- افزودنیهای روغنموتور: این افزودنیها به صورت جدا فروخته شده و به روغنموتور اضافه میشوند.
در ادامه به برخی از محصولات داخلی و خارجی این حوزه اشاره خواهد شد:
TriboTEX Original
این محصول ساخت شرکت TriboTEX LLC است. تخصص این شرکت ساخت روانساز برای روغنموتور است. این محصول در واقع توسط ناسا[1] توسعه پیدا کرده است. این شرکت ادعا میکند که محصول آن میتواند عملاً سایش موتور را معکوس کند. به این معنا که قسمتهای ساییده شده میتوانند با یک پوشش سرامیکی از همین نانوالماسها پر شده و عملاً طول عمر موتور برای مدت بسیار زیادی افزایش پیدا میکند. البته این فرایند یک فرایند کوتاهمدت نیست و به ادعای شرکت، لازم است که موتور به اندازه 800 کیلومتر کار کرده تا رفتهرفته قسمتهای ساییده شده، با این پوشش اصلاح شده و عملکرد آن بازگردد. [6]
همچنین این محصول به نوعی هوشمند عمل میکند. بدین معنا که قسمتهای ساییده شده عمدتاً دچار فرورفتگی هستند و روغن بیشتری وارد این فرورفتگیها میشود؛ به دلیل همین ورود روغن بیشتر، لایههای محافظتکننده سرامیکی نیز روی این قسمتها بیشتر تشکیل شده و در نتیجه رفتهرفته این تورفتگیها را پر میکنند.
تصویر 7 توسط شرکت TriboTEX LLC برای توضیح روندترمیم خوردگی در اجزای موتور ارائه شده است.
شکل 7- نحوه عملکرد محصول TriboTEX در اصلاح و ترمیم سطوح ساییده شده موتور
محصولات نانویی که به عنوان افزودنی به روغنموتور اضافه شوند، بسیار زیاد هستند. ممکن است از جنسهای مختلفی نیز باشند اما برای کاهش اصطکاک، مهمترین آنها ساختارهایی هستند که از نانوذرات کروی استفاده میکنند و همانطور که گفته شد، نانوالماسها از بهترین مواد برای این کار هستند.
روغنموتور اولکا
این محصول تولید شرکت پردیس شیمی باختر است. در این روغنموتور نانوالماسها به صورت سوسپانسیون شده قرار دارند و به روغنموتور، خواص مطرح شده در بخشهای قبلی را خواهند داد. [7]
اولکا نانو اولین روغنموتور استاندارد نانویی ایران است که دارای نشان استاندارد و همچنین گواهی ثبت اختراع است. این شرکت ادعا میکند که اضافه شدن نانوالماسها به روغنموتور، باعث کاهش 80 درصدی ضریب اصطکاک میشود که در ادامه منجر به فعالیت روانتر موتور، مصرف سوخت کمتر، اتلاف انرژی کمتر و افزایش سرعت و شتاب میشود. این خواص زمانی به روغن اضافه میشوند که نانوالماسها توانسته باشند به خوبی در روغن پخش[2] شده باشند. این ذرات در داخل روغنموتورهای اولکا به خوبی پخش شدهاند که باعث میشوند خواص مطرح شده به بهترین نحو در عملکرد موتور دیده شوند.
محصولات تولیدی این شرکت تنها به روغنموتور خلاصه نمیشوند و این شرکت انواع روغنهای صنعتی را نیز تولید میکند. از مهمترین روغنهای صنعتی که در این شرکت تولید میشود میتوان به روغن توربین، روانکارهای دریایی، روغن لوکوموتیو، روغن دنده صنعتی، روغن انتقال حرارت، روغن ترانسفورماتور الکتریکی، روغن کمپرسور، روانکارهای صنایع هوایی و روغن هیدرولیک اشاره کرد.
یکی دیگر از مزایای روغنهای با فناوری نانو این شرکت این است که طول عمر بیشتری نسبت به روغنهای معمولی موجود در بازار دارند و همین موضوع نیز نیاز به تعویض روغن و در نتیجه هزینه مصرفی نهایی را کاهش میدهد.
همچنین این شرکت دارای چندین روغنموتور مختلف است که بسته به نیاز، مشتری میتواند هرکدام از آنها را که مناسبتر است، خریداری کند. همچنین این شرکت توانسته تمامی استانداردهای اجباری لازم، گواهی ایزو سیستم مدیریت محیطزیستی، گواهی ایزو سیستم مدیریت سیستم تولید، گواهی ثبت اختراع و همچنین گواهینامه نانومقیاس (که از طرف ستاد نانو به نشان تأیید نانویی بودن محصول اعطا میشود) را دریافت کند.
مکمل روغن نانوانرژی
این محصول به صورت یک مکمل 100 میلیلیتری است که میتواند به روغنموتور خودرو اضافه شود. فناوری مورد استفاده در این مکمل نانوالماس است. ضمناً میزانی که این محصول باید مورد استفاده قرار بگیرد، بر اساس حجم موتور خودرو تعیین میشود. [8]
این محصول در واقع محافظ موتور بوده و باعث افزایش طول عمر موتور میشود. همچنین شرکت سازنده گزارش کرده است که این مکملها باعث کاهش 10 تا 15 درصدی مصرف سوخت میشود. اضافه شدن این محصول در کنار کاهش مصرف سوخت، باعث افزایش شتاب خودرو، کاهش آلایندگی گازهای خروجی خودرو و کاهش دما و صدای ناشی از موتور میشود.
خلاصه
با توجه به اهمیتی که روغنموتور برای صنعت خودرو و به ویژه استفادهکننده نهایی دارد، بازار بزرگی برای آن موجود است. در حال حاضر شرکتهای بزرگ در زمینه تولید روغن خودرو فعالیت میکنند که شاید هر شرکتی توان رقابت با آنها را نداشته باشد؛ اما در زمینه افزودنیهای روغن خودرو (مانند افزودنیهای نانوساختار)، به نظر میرسد که همچنان جای کار وجود داشته باشد. مشتریهای این حوزه میتوانند شرکتهای تولیدکننده روغن خودرو یا مصرفکنندههای نهایی باشند.
منابع
[1]:
Yunus, N., Gani, R., Gernaey, K., & Woodley, J. (2014). Systematic Methodology for Design of Tailor-Made Blended Products: Fuels and Other Blended Products.
[2]:
Heywood, J. B. (2018). Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill Education.
[3]:
https://www.mashreghnews.ir/news/405808/تعداد-دقیق-خودروهای-موجود-در-کشور
[4]:
https://wikishimi.com/news/355/بیشترین-رشد-توزیع-روغن-موتور-سهم-نفت-بهران-شد
[5]:
https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/engine-oil-market
[6]:
Ivanov, Michail, and Olga Shenderova. “Nanodiamond-based nanolubricants for motor oils.” Current Opinion in Solid State and Materials Science 21.1 (2017): 17-24.
[7]:
Dolmatov, Valerii Y. “Detonation nanodiamonds in oils and lubricants.” Nanodiamonds. Elsevier, 2017. 391-402.
[8]:
Wu, D. (2019, March). Research and development of energy-saving and noise-reducing engine lubricants. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 493, No. 1, p. 012008). IOP Publishing.
[9]:
[10]:
[11]:
https://nanokade.ir/product/energy-oil/
[1] NASA
[2] Dispers
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- نویسنده: امید الهی، شرکت توسعه مهندسی الماسواره دانش (Tamadco.com)
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
