بررسی فناوری متالوسرامیک در روغن موتور خودرو
آیا میتوانید تصور کنید خودرویی بخرید که دهها سال به تعویض روغن نیاز نداشته باشد؟ این موضوع صرفا با افزایش راندمان موتور و کاهش اصطکاک اجزای موتور خودرو امکانپذیر خواهد بود. یکی از روشهایی که برای کاهش اصطکاک دستگاههای صنعتی استفاده میشود، تکنولوژی متالوسرامیک است. مبنای این تکنولوژی، استفاده از ذرات بسیار ریز سرامیکی در روغن موتور با هدف کاهش اصطکاک و استهلاک قطعات، افزایش راندمان مکانیکی دستگاههای صنعتی و جلوگیری از اتلاف نیرو است.
تکنولوژی متالوسرامیک برای نخستین بار توسط دانشمندان هوافضای شوروی سابق به جهان معرفی شد. این فناوری پس از فروپاشی اتحاد جماهیر شوروی، وارد دنیای صنعت شد و بهویژه در صنعت خودروسازی مورد توجه قرار گرفت.
همانطور که میدانیم، دیواره سیلندرها با رینگهای کمپرسی پیستون در تماس شدید هستند. این تماس، اصطکاک زیادی ایجاد میکند که با کاهش راندمان مکانیکی موتور همراه است. از سوی دیگر، اگر این اصطکاک وجود نداشته باشد، تراکم محفظه احتراق از ناحیه دیواره سیلندر فرار خواهد کرد. بدیهی است که چنین شرایطی باعث کاهش شدید راندمان حجمی و حتی خاموش شدن موتور میشود. بنابراین باید برای جلوگیری از این معضل، راهکاری مناسب اندیشید.
در دنیای مادی و برای هر نوع ماده یا حرکتی، اصطکاک وجود دارد. این اصطکاک نهتنها در دیواره سیلندرها، بلکه در میان چرخدندههای گیربکس و دیفرانسیل، در محل تماس میل بادامک و سوپاپ و در بسیاری از بخشهای دیگر موتور دیده میشود.
در این مرحله این پرسش مطرح میشود که آیا میتوان اصطکاک موجود در سیلندرها و سایر قسمتها را بدون از دست رفتن تراکم موتور از بین برد؟ آیا میتوان بدون لق شدن چرخدندهها، اصطکاک میان آنها را به حداقل رساند؟ اینجاست که تکنولوژی جدیدی با نام متالوسرامیک وارد میدان میشود.
چندی پیش، کمپانی یاماها در یکی از مدلهای خود، برای ساخت سیلندرهای موتور به جای چدن از سرامیک استفاده کرد. نتیجه این اقدام بهطرز چشمگیری رضایتبخش بود. با این حال، سرامیک مادهای بسیار گرانقیمت است و فراگیر شدن استفاده از آن نیازمند گذر زمان و ارائه روشهای جدید برای تولید ارزانتر خواهد بود.
Ceramic Coating به تکنولوژی پوششدهی فلزات با لایهای نازک از سرامیک مخصوص گفته میشود. در این روش، کل محفظه سیلندر از سرامیک ساخته نمیشود و به همین دلیل، هزینه آن نسبت به سیلندرهای تماما سرامیکی کمتر است. تاکنون در بسیاری از کاربردها مشاهده شده که فلزات و سطوحی که در حین کارکرد دچار اصطکاک و گرمای بالا میشوند، با لایهای از سرامیک پوشانده شدهاند. با این حال، به چند دلیل نمیتوان این روش را معادل متالوسرامیک دانست:
- این لایه سرامیکی بسیار گرانقیمت است.
- برای اجرای این روش، باید موتور یا دستگاه مورد نظر متوقف شده، قطعات آن باز شوند و پس از انجام عملیات پوشش سرامیکی، دوباره مونتاژ گردند. این فرآیند شاید برای یک خودرو ساده باشد، اما در مورد دستگاههای عظیم صنعتی، بسیار پیچیده است. باز و بسته کردن چنین دستگاههایی که مثلا در خط تولید خودرو فعال هستند، حداقل ۳ تا ۴ روز زمان نیاز دارد. این موضوع به معنای توقف کامل یا Shut Down خط تولید است که میتواند هزاران یا حتی میلیونها دلار ضرر مالی برای شرکت به همراه داشته باشد.
- لایه سرامیکی تا حدی ترد و شکننده است و تنشهای وارد بر قطعات ممکن است باعث خرد شدن این لایه شود.
اما در متالوسرامیک شرایط متفاوت است. برای درک بهتر این موضوع، باید دنیای نوین نانوتکنولوژی را شناخت. یک روغن موتور مرغوب مانند API SL یا SM را در نظر بگیرید که با ذرات بسیار ریز سرامیکی اشباع شده است. این ذرات با ابعاد نانو به قدری کوچک هستند که میتوانند از هر نوع فیلتری عبور کنند.
زمانی که روغن در بخشهای مختلف موتور گردش میکند، این ذرات را نیز با خود حمل میکند. اگر دست خود را روی یک کاغذ یا دیوار صاف بکشید، تصور میکنید سطح آن کاملا صاف است، اما اگر همان سطح را زیر میکروسکوپ بررسی کنید، پستی و بلندیهای فراوانی مشاهده خواهید کرد. دیواره سیلندر نیز چنین وضعیتی دارد. این سطح در نگاه اول صیقلی و آینهمانند است، اما در واقع مملو از برجستگیها و فرورفتگیهای میکروسکوپی است.
دمای نوک تیز این برآمدگیها گاهی به حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد میرسد. اگرچه دمای کاری روغن معمولا بین ۹۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد است، اما در نگاه نقطهای، همین نقاط داغ کوچک به مرور باعث تخریب روغن میشوند.
در اینجاست که متالوسرامیک نقش خود را ایفا میکند. ذرات سرامیکی معلق در روغن، زمانی فعال میشوند که به نقاطی با سایش و دمای بالا برسند. این ذرات پس از رسیدن به چنین نقاطی، با جذب دمای موجود، بهصورت اتم به اتم با پستی و بلندیها پیوند میخورند و مانند بتونه، این ناهمواریها را پر میکنند.
تفاوت اصلی لایه متالوسرامیک با لایه سرامیکی معمولی در این است که سرامیک معمولی مانند رنگ، سطح را میپوشاند؛ در حالی که ذرات متالوسرامیک در ابعاد نانو با مولکولهای فلز پیوند برقرار میکنند و تقریبا بهصورت مادامالعمر روی سطوح باقی میمانند. از سوی دیگر، سرامیک معمولی با وجود سختی بالا، شکننده است، اما متالوسرامیک از این نظر برتری دارد؛ چرا که سختی آن حدود ۱۰ برابر فولاد است و ضریب اصطکاک آن ۶ برابر کمتر از سطح آینهای گزارش میشود.
در صورت استفاده از این تکنولوژی، تمامی سطوح موتور که روی یکدیگر سایش دارند، با لایهای بسیار نازک، کاملا مستحکم و صاف از سرامیک پوشیده میشوند. در مجموع، این فرآیند باعث پر شدن خطوط میکروسکوپی دیواره سیلندر و افزایش کمپرس موتور میشود. همچنین با کاهش اصطکاک میان سیلندر و پیستون، راندمان مکانیکی موتور افزایش پیدا میکند.
در چنین شرایطی، موتور نرمتر کار میکند، سریعتر دور میگیرد، صداها و لرزشهای اضافی آن به حداقل میرسد و سایش قطعاتی مانند میل بادامک و رینگ پیستونها کاهش مییابد. مهمتر از همه، مصرف سوخت موتور بسته به شرایط کارکرد، بین ۱۰ تا ۲۵ درصد کاهش پیدا میکند.
یکی دیگر از ویژگیهای مهم این دستاورد، امکان ترمیم موتور بدون نیاز به باز کردن قطعات است. در شرایطی مانند ایجاد خط و خش روی دیواره سیلندر، معمولا لازم است موتور باز شده و با تراش دیواره سیلندر و استفاده از رینگ پیستون بزرگتر، مشکل برطرف شود که این فرآیند زمانبر و پرهزینه است. در حالی که با استفاده از تکنولوژی متالوسرامیک، میتوان بدون باز کردن موتور و تنها با افزودن این ماده به روغن موتور، شرایط موتور را تا حد زیادی به وضعیت عادی بازگرداند.
