مقدمه‌ایی بر رده های مختلف کیفی روغن های موتوری براساس استاندارد API

1. مقدمه

انجمن نفت ایالات متحده امریکا (API یا American Petroleum Institute) در همراهی با انجمن‌های آزمون و مواد (ASTM یا American Society of Testing & Materials) و مهندسان خودروی امریکا (SAE یا Society of Automotive Engineers) اقدام به طرح سیستمی بمنظور طبقه‌بندی روغن‌های موتوری براساس الزامات عملکردی و دامنه کاربرد هریک در ساختارهای مختلف موتوری مبتنی بر مجموعه‌ایی از آزمون‌های استاندارد نموده است. این سیستم نامگذاری و طبقه‌بندی یکی از معتبرترین و پرکاربردترین نظام‌های جهانی برای تعیین رده کیفی روغن‌های موتور بنزینی و دیزلی است که بر اساس سطح عملکرد، فناوری ادتیوها و سازگاری با استانداردهای جدید طراحی ساختار و مکانیزم موتور و سکانس‌های احتراق و تخلیه دود تدوین شده است. شناخت صحیح این طبقه‌بندی نه تنها برای متخصصین روانکاری و مهندسان نگهداری و تعمیرات در انتخاب روغن سازگار با شرایط کاری موتور و الزامات طراحی ضروری است، بلکه برای کاربران عادی وسایل نقلیه مختلف سبک و سنگین نیز حیاتی محسوب می‌شود؛ چراکه انتخاب نادرست رده کیفی می‌تواند موجب افت کارایی، افزایش استهلاک، و حتی آسیب جدی به موتور گردد. این سیستم، در واقع زبان مشترکی است میان تولیدکنندگان روغن، سازندگان موتور، و مصرف‌کنندگان نهایی که امکان ارزیابی علمی کیفیت محصول و انتخاب آگاهانه را فراهم می‌سازد.

سیستم رده بندی کیفی روغن‌های موتور API که تکوین آن از 1955 شروع شد، از ساختاری آلفانومریک (حرفی-عددی) سه کاراکتری برخوردار است که از دو حرف انگلیسی که حرف اول آن S یا C به نشانه تناسب روغن موتور برای مصرف در موتورهای بنزینی یا دیزل و حرف دوم آن یکی از حروف الفبای انگلیسی از A تا Z است که با حرکت از A به سمت Z سطح کیفی روغن افزایش خواهد یافت. این دو حرف انگلیسی می‌توانند با یک کاراکتر عددی (2 یا 4) دنبال شوند که جزییات هریک از این کاراکترها در شکل زیر ارائه شده است:

شکل 1: معرفی ساختار کلی سیستم طبقه‌بندی روغن‌های موتوری انجمن نفت امریکا (API) و معنای هریک از اجزای تشکیل‌دهنده آن

هدف از این مقاله، ارائه‌ دیدگاهی جامع و نظام‌مند از سیستم طبقه‌بندی API برای روغن‌های موتوری است؛ سامانه‌ای که از نخستین روزهای شکل‌گیری صنعت روانکار تا به امروز، نقشی تعیین‌کننده در استانداردسازی کیفیت روغن موتور ایفا کرده است. در این مقاله، تلاش شده است تا با بررسی تاریخچه پیدایش و تکامل این طبقه‌بندی، اصول فنی و معیارهای عملکردی مربوط به هر رده از کلاس‌های S و C به‌صورت تحلیلی تشریح شده و تأثیر پیشرفت‌های فناوری موتور، الزامات زیست‌محیطی، و گرایش‌های نوین در طراحی ادتیوها بر تحول این استانداردها مورد ارزیابی قرار گیرد. در نهایت، در هر بخش از موتورهای بنزینی و دیزل چشم‌اندازی از آینده توسعه سیستم‌های طبقه‌بندی روغن و سازگاری آن با موتورها و سوخت‌های نسل جدید ارائه شده است تا زمینه‌ساز درک بهتر ارتباط میان دانش روانکاری، فناوری پیشرانش، و پایستاری زیست‌محیطی در سال‌های پیش‌رو گردد.

2. روغن‌های موتور بنزین‌سوز

به جرات می‌توان گفت لزوم تدوین یک سیستم منسجم برای طبقه‌بندی روغن‌های موتور بنزین‌سوز (سری S موسسه API) از آنجا نشات می‌گرفت که فناوری موتورهای احتراق داخلی یا درونسوز طی دهه‌ها با سرعتی بسیار بیشتر از قبل تکامل یافته و در نتیجه، نیاز به یک چارچوب دقیق برای همگام‌سازی الزامات عملکردی روانکار با پیچیدگی‌های فنی مکانیزم‌های نوین و حتی مواد و جدیدترین روش‌های ساخت قطعات موتور، بیش از پیش احساس می‌شود. پارامترهایی چون افزایش نسبت تراکم، دمای عملیاتی بالاتر، تزریق دقیق‌تر سوخت، پرخورانی با توربوشارژر یا سوپرتوربوشارژ، و حساسیت روزافزون قطعاتی مانند اجزای سیستم VVT (زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها)، همگی سبب شده‌اند که تحمل شرایط کاری سخت، کنترل اکسیداسیون، جلوگیری از لجن‌زایی و رسوبدهی، و توانایی حفظ ویسکوزیته در بازه‌های دمایی هرچه وسیع‌تر به انتظاراتی ضروری از روغن های موتوری مدرن بدل شود. در چنین بستری، نبود یک معیار یکپارچه برای رتبه‌بندی کیفیت روغن‌های موتوری می‌توانست موجب سردرگمی گسترده در میان تولیدکنندگان، تعمیرکاران و حتی کاربران عادی انواع خودروهای سبک و سنگین شود؛ زیرا تشخیص اینکه کدام روغن قادر به تامین نیازهای مشخص یک موتور مدرن باشد، بدون وجود معیاری جهانی و استاندارد تقریبا ناممکن بود.

به همین دلیل، API با معرفی سری S نه تنها امکان مقایسه علمی و شفاف میان روغن‌های موتور بنزین‌سوز را فراهم کرد، بلکه زبانی مشترک میان موتورسازان، روغنسازان، و جامعه مصرف‌کنندگان ایجاد نمود تا هر گروه بتواند بر اساس سطح عملکرد تعریف‌شده (از محافظت در برابر سایش و اکسیداسیون گرفته تا سازگاری با اجزای مختلف سیستم‌های کنترل آلایندگی) به انتخابی دقیق و آگاهانه برسد. این نظام طبقه‌بندی، در واقع، سنگ‌بنای اعتماد متقابل در زنجیره صنعت روانکاری بوده و تضمین می‌کند که هر موتور، روانکاری متناسب با نیازهای واقعی خود دریافت کند؛ امری که مستقیما در افزایش طول عمر موتور، کاهش مصرف سوخت، کاهش آلایندگی، بهبود کارایی، و صرفه‌جویی در هزینه‌های نگهداری و تعمیرات جاری و اساسی منعکس می‌شود.

از آنجا که کمیته تدوین استانداردهای API در دهه 1950 آغاز بکار کرد، رده های کیفی را معرفی نمود که مربوط به سال های قبل از 1950 بودند. بدین ترتیب، حداقل تا قبل از 1959، رده های کیفی تعریف شده توسط API به روانکاری موتورهای اشاره داشتند که سال های قبل طراحی و ساخته شده بودند. بعنوان مثال، استاندارد عملکردی API SA علیرغم اینکه در اواخر دهه 1940 تدوین و ابلاغ شد، اما عملا برای روانکاری موتورهایی کاربرد داشت که قبل از 1930 طراحی و ساخته شده باشند [3].

این تلاش ها، بعدها در قالب استاندارد API/SAE J183 در دهه 1970 به روالی استاندارد برای بیان کیفیت روغن های موتوری بدل گشت که در سال 1971 توسط شوروی سابق و در قالب استاندارد روسی GoST 17479 مورد تقلید قرار گرفت [4]؛ تقلیدی که البته بعدها ادامه پیدا نکرد و با فروپاشی اتحاد جماهیر شوروی ابتر ماند. جدول 1 حاوی جزییات بیشتری درخصوص رده های کیفی مختلف API در حوزه روانکاری موتورهای بنزینی است.

جدول 1: رده‌های کیفی API برای روغن‌های موتوری بنزین‌سوز از ابتدا تاکنون [3,4]

همانطور که در جدول 1 قابل مشاهده است، پیشرفت رده های کیفی از API SA تا API SH همواره با روندی افزایشی از غلظت انواع ادتیوها (با نگاهی ویژه به ادتیوهای گروه DD) همراه بود. این روند افزایشی که در نمودار شکل 2 بوضوح هویدا است، با فرارسیدن 1992 و آغاز الزام روغنسازان به ارائه فرمولاسیون هایی بمنظور اعمال کنترل هرچه بیشتر بر آلایندگی زیست محیطی و کاهش تدریجی ترکیبات خاکستردار از ساختار روغن های موتوری سیری قهقرایی را تجربه کرد.

شکل 2: روند استفاده از ادتیوهای گروه DD در رده های مختلف کیفی روغن موتور بنزینی از 1947 تا 2025 (برحسب حداکثر غلظت انحلال در روغن)؛ خطای برازش کمتر از 7% (طلاعات اولیه منجر به ترسیم نمودار شکل 2 با استفاده از جدول 4.14 منبع [4] و داده‌های مطالعاتی و تجربی جمع‌آوری شده برای رده API SH تا API SQ در طول سالیان مختلف تهیه شده است)

تحلیل روند کاهشی حداکثر غلظت تئوریک ادتیوهای گروه DD (به شرح جدول 1 و نمودار شکل 2) در روغن‌های موتور بنزینی از رده کیفی SG  تا SQ تصویری روشن از تکامل و پیچیدگی فزاینده‌ فرمولاسیون روانکارهای خودرویی در طول چهار دهه اخیر بدست می‌دهد. همانطور که در جدول 1 مشهود است، غلظت این ادتیوها پس از حفظ سقف 12.0 درصد وزنی در دو رده کیفی API SH و سپس SG، روندی نزولی را طی کرده و به تقریبا 4.5 درصد وزنی در رده کیفی API SQ رسیده است. این سیر قهقرایی 65 درصدی نتیجه مجموعه‌ای از عوامل مهندسی شده و فشارهای نظارتی است که از سوی مراجع مختلفی چون انجمن نفت ایالات متحده (API)، کمیته بین‌المللی استانداردسازی و تایید روانکارها (ILSAC  یا International Lubricant Standardization and Approval Committee)، و انجمن خودروسازان اروپا (ACEA یا Association des Constructeurs Européens d'Automobiles) در ادوار زمانی مختلف تعیین و ابلاغ شده بود.

این سیر قهقرایی از چند علت طبیعی نشات می‌گرفت: نخست، افزایش قابل توجه در کارایی و قدرت شویندگی (دترجنسی) و معلق‌کنندگی (دیسپرسانتی) نسل نوین ادتیوهای DD که امکان استفاده از غلظت‌های پایینتر برای دستیابی به همان سطح عملکرد را فراهم می‌کرد؛ چراکه نسل جدید ادتیوهای DD (مانند سوسینیمیدهای اصلاح‌شده یا Modified succinimides و دیگر ساختار‌های پیچیده‌تر ملکولی)، قادر به معلق‌سازی ذرات دوده، رسوبات، و محصولات اکسیداسیون با بهره‌وری به مراتب بالاتری هستند. دوم، سخت‌گیرانه‌تر شدن استانداردهای زیست‌محیطی، به‌ویژه در مورد انتشار ذرات معلق در هوای آزاد (از طریق الزاماتی چون افزایش طول عمر فیلتر ذرات در موتورهای دیزلی یا DPF) و کاهش محتوای خاکستر (Ash content) و ترکیبات فسفردار در ساختار شیمیایی روغن‌های موتوری (که منجر به معرفی رده‌های کیفی مانند API SP و SQ با محدودیت‌های شدیدتر شد)، روغنسازان را بسمت استفاده از ادتیوهای کارآمدتر با تاکید بر کاهش مصرف سوخت در ارتباطات فنی خود با ادتیوسازان سوق داده است؛ زیرا ادتیوهای حاوی ترکیبات فلزی (مانند کلسیم و منیزیم در دترجنت‌های بیش‌قلیای معمول) که در گذشته بدلیل توان شویندگی خوب خود رواج زیادی داشتند، امروزه بدلیل تولید خاکستر و اثرات منفی بر اجزای سیستم‌های کنترل آلایندگی (اعم از SCR، DPF، و EGR) با استقبال بسیار کمتری مواجه شده‌اند. و این امر منجر به افزایش اتکای ادتیوسازان به راه‌حل‌های بی‌خاکستری مانند نسخه های اصلاح شده و پیشرفته سوسینیمیدها شده است که بدلیل توانایی تعلیق در عین شویندگی بالا مورد استقبال روغنسازان نیز قرار گرفته است. در نهایت، نیاز به سازگاری با مواد تشکیل دهنده قطعات آب‌بندی و درزگیر در عین کاهش تداخل شیمیایی با سایر ادتیوها (Additive antagonism)، فرمولاسیون‌نویسان شاغل در هر دو گروه از شرکت های تولیدکننده روانکار و ادتیوسازان را اجبار کرده تا بدنبال تعادل بهینه‌ای باشند که حتی با غلظت‌های کمتری از ادتیو، عملکرد کلی روغن موتور حفظ یا حتی بهبود یابد. این روند نزولی، نه تنها نشان‌دهنده پیشرفت در شیمی روانکارها، بلکه بازتابنده تغییرات بنیادی در طراحی مکانیزم های پیشرانش در عین رعایت الزامات زیست‌محیطی نیز می‌باشد.

3. روغن‌های موتور دیزل

همانند روغن های موتوری بنزین‌سوز، روانکارهای مصرفی در موتورهای دیزل نیز نیاز مبرم به تدوین یک سیستم طبقه‌بندی دقیق از جانب API داشتند که این نیاز با معرفی سری C از رده های کیفی استاندارد API پاسخ داده شد. این نیاز مبرم از آنجا ناشی می‌شد که موتورهای دیزلی تحت بارهایی به مراتب سنگین‌تر، فشارهای احتراقی بسیار بالاتر، و به تبع آن، شرایط دمایی سخت‌تری نسبت به موتورهای بنزینی کار کرده و در نتیجه، الزامات عملکردی روانکارهای مصرفی در آنها به‌مراتب پیچیده‌تر است که از آن میان می‌توان به وجود دوده زیاد، خطر رقیق‌شدن روغن با سوخت، بارگذاری شدید یاتاقان‌ها، و حساسیت سیستم‌های پس‌پالایش دود مانند DPF و EGR اشاره کرد که هر یک به نوبه خود از انتخاب یک روغن نامناسب تاثیر گرفته و منجر به سایش، تولید رسوبات مضر، افت راندمان، و حتی خرابی‌هایی با هزینه‌های تعمیر به مراتب بالاتر از موتورهای بنزینی خواهند شد. طبقه‌بندی API سری C با تعریف سطوح عملکردی مشخص، معیاری یکپارچه برای سنجش کیفیت و کارایی روغن‌های دیزلی را فراهم آورده و به موتورسازان، روغنسازان، و کاربران ناوگان‌های حمل‌ونقل جاده‌ایی و ریلی اجازه می‌دهد با اطمینان کامل، روغنی متناسب با شرایط عملیاتی و سطح فناوری موتور وسیله نقلیه تحت مالکیت یا اجاره خود انتخاب کنند؛ معیاری که نقش کلیدی در افزایش دوام، کاهش هزینه‌های تعمیراتی و حفظ کارایی سیستم‌های کنترل آلایندگی دارد.

جدول زیر تصویری از کلاس های مختلف API برای روغن های موتور دیزلی را از ابتدای معرفی تاکنون ارائه داده است:

جدول 2: رده‌های کیفی API برای روغن‌های موتوری دیزل از ابتدا تاکنون

همانگونه که از جدول 2 هویداست، روند ارتقا الزامات محافظت از سطوح با گذر زمان از دهه 1950 تا اواسط دهه 1990 منجر به روندی فزاینده در بکارگیری ادتیوهای گروه DD در رده‌های کیفی CA تا CF-2 شد (نمودار شکل 3 را ببینید)؛ اما، با ابلاغ الزامات نوین زیست محیطی در دهه 1990، سیر قهقرایی همانند رده های کیفی مترتب بر موتورهای بنزین سوز (API سری S)،

حداکثر غلظت تئوریک ادتیوهای DD» از CF-2 (~20 wt%) به‌مرور در رده‌های بعدی تا CK-4 (~9 wt%) و سپس FA-4 (~7 wt%) کاهش پیدا می‌کند، منطق فنی این روند را می‌شود در چند محور به‌هم‌پیوسته توضیح داد: اول اینکه CF-2 در عمل نمایندهٔ دوره‌ای از روغن‌های دیزلی سنگین با ضرورت مقابله با بار اسیدی و آلودگی بالا (به‌ویژه به علت احتراق و تشکیل محصولات اسیدی، همراه با دوده/سُوختِ گوگرددار در مقیاس‌های قدیمی‌تر) است؛ در چنین شرایطی DDها (detergent–dispersant) عملاً دو کارکرد غالب دارند: (1) خنثی‌سازی و کنترل اسیدها از طریق سیستم‌های قلیایی (اغلب با گونه‌های سولفونات/فنولات فلزی و سازوکارهای نگهدارندهٔ آلکالنیتی) و (2) کنترل فاز جامد یعنی دیسپرشنِ دوده و جلوگیری از آگلومراسیون و تشکیل لاک/لجن از طریق مکانیزم‌های فیزیکوشیمیایی (برهم‌کنش با سطح ذرات و ایجاد پوشش‌های پایدارتر). بنابراین در CF-2 طبیعی است که برای دستیابی به «ظرفیت نگهداری» و «توان دیسپرشن» موردنیاز، حد بالاتر DD ترجمه شود به مجموع بار شیمیاییِ بیشتر و احتمالاً نگهداشت بهتر TBN/ظرفیت آلکالنیتی و افزایش کارایی در مهار رشد رسوب. اما در رده‌های جدیدتر (مثلاً تا CH-4/CI-4 و سپس CJ-4 و بالاتر) هم‌زمان دو اتفاق فنی می‌افتد: (الف) طراحی موتور و سامانه‌های کنترل آلایندگی (مثل EGR و بعدتر الزامات شدیدتر انتشار) باعث تغییر در ماهیت و کمیت محصولات احتراق و نیز کاهش سازگاری با روغن‌های پرخاکستر می‌شود، و (ب) استانداردها محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌تری روی خاکستر سولفاته (Sulfated Ash) و به‌طورکلی Low-SAPS برقرار می‌کنند که نتیجه‌اش این است که نمی‌توان مثل CF-2 «با دست باز» از DDهای پرجرم/پرخاکستر استفاده کرد. از آن طرف، خودِ شیمی ادتیوها تکامل پیدا می‌کند: به جای اینکه برای رسیدن به همان سطح حفاظت از موتور از مسیر «غلظت بالاترِ یک کلاس ادتیو» برویم، فرمولاسیون‌ها بهینه می‌شوند تا با ساختارهای دیسپرسانت کارآمدتر (کنترل بهتر روی اندازه/سطح‌فعالیت گونه‌های پراکنده‌کننده)، detergentهای با کارایی بهتر در لایه‌نشانی/شستشو و همچنین بهبود هم‌افزایی بین DD و ZDDP/آنتی‌اکسیدانت‌ها همان یا عملکرد نزدیک‌تر را با مقدار کمتر به دست دهند. دقیقاً همین منجر به روند کاهشی از CJ-4 به CK-4 می‌شود: CK-4 ضمن اینکه همچنان نیاز به کنترل سایش و رسوب و لجن‌سازی دارد، باید با محدودیت‌های سازگاری با سیستم‌های پس‌کاتالیست (به‌خصوص ریسک گرفتگی یا تخریب عملکرد) هماهنگ شود؛ بنابراین فرمول‌ها معمولاً به سمت کاهش سهم گونه‌های تولیدکننده خاکستر و اصلاح معماری پک ادتیوی می‌روند و DD کمتر «به‌عنوان تکیه‌گاه اصلی جرم‌بالا» مصرف می‌شود. در نهایت FA-4 (برای موتورهای مدل جدیدتر 2017 به بعد) این روند را تشدید می‌کند چون علاوه بر Low-SAPS، مسئله Fuel Economy و کنترل ویسکوزیته در محدوده‌های پایین‌تر نیز مطرح است؛ در چنین سیستم‌هایی، نیاز به ادتیوهایی است که هم روانکاری/حفاظت را حفظ کنند و هم با محدودیت ویسکوزیته و الزامات سازگاری پس‌درمان دوده و ذرات مشکل نسازند. بنابراین کاهش بیشترِ مقدار تئوریک DD تا ~7 wt% را می‌توان نتیجهٔ «انتقال مرکز ثقل فرمولاسیون» از غلظت بالای DD به سمت کارایی بیشتر در واحد جرم، پکیج ادتیوی متعادل‌تر و سازگارتر با کنترل انتشار و کاهش خاکستر دانست: یعنی همان وظایف کلیدی (کنترل رسوب/دیسپرشن و کنترل اسید) با طراحی شیمیایی دقیق‌تر و هم‌افزایی بهتر، با وزن کمتر ادتیو تحقق پیدا می‌کند، نه اینکه حفاظت صرفاً کم شود.

با این تفاسیر، رده های آتی کیفی روغن‌های موتوری دیزل CL-4 و FB-4 خواهند بود. روغن‌های دیزلی نسل جدید تحت استاندارد  API FA‑4 نقطه‌ عطفی در تحول فرمولاسیون روانکارهای موتورهای سنگین محسوب می‌شوند. تا پیش از معرفی این نسل، همه‌ روغن‌های دیزل استاندارد API با حرف C شروع می‌شدند و تمرکزشان بر محافظت طولانی‌مدت از موتور، پایداری حرارتی بالا و کاهش رسوبات ناشی از سیستم‌های کنترل آلایندگی نظیر EGR، SCR، و DPF بود. اما از سال 2016، با تغییر طراحی موتورهای دیزل جاده‌ای (بویژه مدل‌های پس از 2017) و افزایش حساسیت خودروسازان نسبت به بهره‌وری سوخت، مؤسسه API در همراهی با موتورسازان بزرگ اعم از Cummins، Detroit Diesel، و Caterpillar استاندارد جدیدی را با عنوان FA-4 معرفی کرد. هدف اصلی از معرفی این کلاس استانداردی جدید کاهش اصطکاک داخلی موتور در عین بهینه سازی مصرف سوخت بدون قربانی کردن کنترل اکسیداسیون، رسوب، و سایش بود. اما اینکار نیازمند تغییرات بنیادی در شاخص HTHS بود تا روغن بتواند در دمای کاری بالا، فیلم نازک‌تری تشکیل داده و مقاومت کمتری در برابر حرکت اجزای موتور ایجاد کند.

این کلاس از استاندارد در مقایسه با کلاس هم‌نسل خود یعنی API CK‑4، روغن‌هایی با فرمولاسیون سبک‌تر و ویسکوزیته‌ی پایین‌تر در محدوده‌ 2.9~3.2mPa.s طراحی شدند، در حالی که در CK‑4 این مقدار حداقل 3.5mPa·s است. این کاهش ضخامت فیلم روغن باعث کاهش اصطکاک و در نتیجه کاهش مصرف سوخت بین 1~1.5% در کامیون‌های جاده‌ای شد، ولی در مقابل، میزان محافظت مکانیکی و امکان استفاده در موتورهای قدیمی کمتر گردید. بدین ترتیب، مصرف روغن‌های FA‑4 تنها در موتورهایی مجاز است که توسط سازنده برای HTHS پایین‌تر طراحی و تأیید شده‌اند، زیرا استفاده از آن در موتورهای قدیمی ممکن است موجب افزایش سایش یاتاقان‌ها یا فشار ناکافی در مسیر روغنرسانی شود. این کلاس جدید از استاندارد API، بیش از آنکه شاخه جدیدی محسوب شود، در واقع مکملی برای CK‑4 است؛ به دیگر سخن، هر دو رده می‌توانند هم‌زمان وجود داشته باشند، اما اعمال الزامات مرتبط با هریک بر دسته‌ای متفاوت از موتورهای دیزلی سنگین امکانپذیر است.

از دیدگاه مهندسی روانکار، تفاوت دو کلاسCK‑4  و FA‑4 را می‌توان در فلسفه وجودی آنها خلاصه کرد: هدف از کلاس CK-4 تصویر‌بخشی به قابلیت‌هایی اعم از دوام، مقاومت اکسیداسیونی و ایمنی تحت بارگذاری‌های سنگین فیلم روغن است، در حالیکه FA-4 بر کارایی دینامیک فیلم روغن در تقابل با تنش‌های وارده در عین صرفه‌جویی انرژی متمرکز است. هر دو کلاس از سطحی یکسان از فناوری‌ ادتیوها بهره می‌برند که از آن میان می‌توان به ضدسایش‌های فسفردار (P-AWs)، دترجنت‌های بیش‌قلیای کلسیم یا منیزیمی و انواع ادتیوهای کف‌زدا اشاره کرد. اما نسبت‌ها و نوع پلی‌مولکول پایه در FA‑4 به‌گونه‌ای انتخاب شده که روانکاری سریع‌تر و مقاومت برشی پایین‌تری نسبت به کلاس CK-4 داشته باشد. در مجموع، کلاس FA-4 نماینده‌ مرحله جدیدی در طراحی روغن‌های موتور دیزلی است که توازن میان محافظت از سطوح و بهره‌وری سوخت را در کانون توجه داشته و بدین منوال، آینده روانکارهای سنگین را به سمت فرمول‌هایی هوشمندتر و تخصصی‌تر سوق می‌دهد. مقایسه‌ایی کوتاه از دو استاندارد روغن موتور دیزلی API CK‑4 و API FA‑4 در جدول 3 ارائه شده است.

جدول 3: مقایسه دو رده کیفی CK-4 و FA-4

بدین ترتیب، تفاوت کلیدی این دو کلاس کیفی در شاخص ویسکوزیته HTHS (High-Temperature, High-Shear rate Viscosity) نهفته است. این شاخص که مطابق استاندارد SAE J300 تعریف می‌شود، معیاری برای تعیین کیفیت عملکرد حرارتی یک روغن موتور براساس توانایی حفظ ضخامت فیلم روغن تحت شرایط دمای کاری بالا در عین تنش برشی شدید بوده و در مورد سطح کیفی API CK-4 باندازه بزرگتر-مساوی 3.5mPa.s تعیین شده که به معنای ضخامت بالاتر فیلم روغن و به تبع آن، توانایی تحمل بارهای سنگین‌تر است. از آنسو، بازه تغییرات این شاخص در مورد کلاس کیفی FA-4 بصورت    mPa.sتعریف می‌شود که به معنای کاهش عمدی ضخامت فیلم روغن با هدف کاهش اصطکاک و به تبع آن صرفه‌جویی در مصرف سوخت خواهد بود. کاهش حداقل ضخامت فیلم روغن یا h_min در صورت مصرف کلاس کیفی FA-4 در موتورهای قدیمی با ریسک افزایش ریسک تماس سطوح فلزی درگیر زنجیره تبادل تنش همراه است. بنابراین، بدیهی است که مصرف این کلاس از روغن باید به تایید طراح و سازنده آن موتور دیزل برسد.

4. نتیجه گیری

در این مقاله تلاش شد سیر پیدایش و تکامل ساختاری سیستم رده‌بندی کیفی API برای روغن‌های موتور بنزینی (سری S) و دیزلی (سری C) از ابتدا تا به امروز بصورت جامع تحلیل و بیان شود؛ سیستمی که همگام با پیشرفت فناوری موتور و تغییر الزامات عملیاتی پیچیده‌تر و دقیق‌تر به مرور سختگیرانه‌تر شده و با معرفی هر نسل جدید، الزامات نوینی را در زمینه فرمولاسیون و فناوری ادتیوها مطرح نموده است. سیر تاریخی توسعه این رده‌های کیفی، نشاندهنده آن است که هر رده کیفی جدید پاسخی مستقیم به چالش‌های نوظهوری اعم از افزایش دما و فشار کاری، کنترل دقیق آلایندگی، حساسیت قطعات پیشرفته، و نیاز به دوام بیشتر بوده است. این چارچوب نه‌تنها به تدریج به زبان مشترک بین موتورسازان و روغنسازان تبدیل شد، بلکه امکان انتخاب علمی و قابل اعتماد روغن موتور را حتی برای کاربران عادی وسایل نقلیه بنزینی، دیزل، یا هیبرید نیز فراهم ساخته است.

در کنار معرفی این ساختار طبقه‌بندی، مقاله حاضر جزئیات موشکافانه‌ایی از فرمولاسیون و تطابقات استانداردی هر رده کیفی از روغن‌های موتوری را نیز بررسی کرده و در ادامه دست به معرفی آزمون‌ها و حدود مجاز هریک بمنظور تعیین این رده کیفی زده است؛ از نقش انتخاب پایه‌های روغنی و معماری بسته‌های ادتیو، تا محدودیت‌های فناورانه‌ای مانند کنترل خاکستر سولفاته (SAPS یا Sulfated Ash, Phosphorus, and Sulfur)، پایداری برشی، مقاومت اکسیداسیونی، و سازگاری با سیستم‌های پس‌پالایش مدرن. این رویکرد تحلیلی بیانگر آن است که توسعه روش‌های تست منجر به معرفی و سپس الزام هر رده کیفی API برای روغن‌های موتوری حاصل برقراری تعاملی ظریف بین الزامات مهندسی موتور، محدودیت‌های زیست‌محیطی، و پیشرفت‌های شیمی ادتیوها است. در نهایت، این مقاله تصویری جامع از منطق عملکردی و علمی پشت استاندارد API ارائه داده و مسیر آینده روانکارهای نسل جدید را روشن‌ می‌سازد.

5. منابع و مآخذ

جهت اطلاع از منابع مورد استفاده در تدوین مقاله حاضر، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله در نشریه نگهداری و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس وبسایت http://www.netsanews.ir توصیه می‌شود. 

گریس‌های تیتانیوم/زینک (Ti/Zn) جایگزینی هوشمندانه برای گریس های لیتیوم/کلسیم

در دنیای روانکاری، انتخاب صحیح گریس تأثیر مستقیمی بر عمر تجهیزات دارد. گریس‌های نوین پایه تیتانیوم/زینک (Ti/Zn) بعنوان نسل جدیدی از روان‌کننده‌ها، عملکردی فراتر از گریس‌های سنتی لیتیومی و کلسیومی ارائه می‌دهند. این گریس‌ها با فرمولاسیون پیشرفته خود، پاسخی قدرتمند برای چالش‌های دشوار صنعتی هستند. یکی از ویژگی‌های بارز گریس‌های Ti/Zn، خواص ضداتمسفریک و ضدخوردگی فوق‌العاده آن‌ها است. برخلاف گریس‌های لیتیوم و کلسیومی که در محیط‌های مرطوب عملکرد ضعیف‌تری دارند، این گریس‌ها یک لایه محافظ قدرتمند روی فلز ایجاد می‌کنند. آن‌ها به دلیل ساختار شیمیایی پایدار، اکسیداسیون را به تأخیر انداخته و قطعات را حتی در بدترین شرایط آب و هوایی حفظ می‌کنند.

در عین حال، این گریس‌ها دارای خاصیت روان‌کاری فوق‌العاده (Super-lubricity) هستند که در دماهای کاری بالای 140°C، عملکرد خود را نشان می‌دهند. این در حالیست که گریس‌های لیتیوم و کلسیومی در چنین دماهایی امکان ذوب داشته یا خاصیت روانکارانه خود را از دست خواهند داد.

در محیط‌های دریایی و در تماس با بخار آب شور، برتری گریس‌های Ti/Zn محرز است. گریس‌های لیتیومی و کلسیومی در برابر شست‌وشوی آب دریا و نفوذ رطوبت مقاومت کمی دارند و به سرعت تخریب می‌شوند. اما گریس‌های تیتانیوم/زینک با ایجاد یک سد آب‌گریز غیرقابل نفوذ، حتی در غوطه‌وری در آب دریا نیز از قطعات محافظت کرده و از زنگ‌زدگی و خوردگی جلوگیری می‌کنند. مکانیزم جلوگیری از خوردگی در این گریس‌ها بر پایه واکنش‌های شیمیایی خاص استوار است (جدول 1 را ببینید). برخلاف گریس‌های لیتیومی که ممکن است در حضور آب و اسیدها خنثی شوند، ذرات تیتانیوم و روی (Zn) به صورت فعال با سطح فلز پیوند می‌خورند و یک لایه محافظ الکتروشیمیایی تشکیل می‌دهند که مانع از رسیدن عوامل خورنده به فلز پایه می‌شود.

جدول 1: نقش پایه گریس‌ها در رفتار آنها در برابر خوردگی نمک (NaCl)

مکانیزم عملکرد گریس‌های تیتانیوم/زینک در برابر محیط های پرنمک و شور بر پایه پسیواسیون سطحی است؛ بدین معنی که یون‌های Ti⁴⁺ و Zn²⁺ هنگام تماس با اکسیژن و رطوبت، فیلم‌های TiO₂ و ZnO تشکیل می‌دهند. این لایه‌ها غیرقابل نفوذ برای کلریدها بوده و مانع از تشدید خوردگی حفره‌ای می‌شوند (برای اطلاعات بیشتر در این باره، مراجعه به مقاله «مقدمه‌ای بر ادتیوهای روغن و گریس: بخش دوم؛ بازدارنده‌های خوردگی» در همین وبلاگ توصیه می‌شود). از آنسو، روی (Zn) در حضور کلرید سدیم نقش قربانی (sacrificial anodic protection) دارد که در صورت تخریب موضعی، خود اکسید شده و بدین ترتیب از فلز پایه محافظت می‌کند.

در مقابل، گریس های لیتیوم کمپلکس فاقد مکانیزم پسیواسیون طبیعی بوده و حفاظت از سطح در آنها صرفاً مبتنی بر مانع فیزیکی است. در صورت نفوذ آب یا نمک، چسبندگی سطحی کاهش می‌یابد و خوردگی نقطه‌ای فعال می‌شود. گریس های کلسیم کمپلکس نیز تا زمانی که محیط از کلرید غلیظ اشباع نشده، رفتاری رضایت‌بخش دارند، اما در محیط‌های ساحلی و دریایی، واکنش تبادل یون Ca²⁺ با Na⁺ باعث تجزیه ساختار صابونی و افت مقاومت لایه‌ی فیلم محافظ حاصل از گریس کلسیم می‌شود. بهمین دلیل، استفاده از گریس‌های تیتانیوم/زینک در صنایع دریایی، ریلی، خودرویی (به‌ویژه کامیون‌ها)، سیمان، معدن و فولاد توصیه می‌شود (شکل 1 توضیح بهتری ارائه می‌دهد).

شکل 1: شماتیکی از مقایسه قابلیت های سه گریس تیتانیوم/زینک، لیتیوم کمپلکس، و کلسیم کمپلکس در محیط های کاری مختلف (این تصویر با کمک از ابزار هوش مصنوعی تهیه شده، اما تمامی داده های منجر به تهیه این تصویر از طرف مولف ارائه شده و مسئولیت کامل محتویات این شکل با مولف است)

در صنایعی که تجهیزات تحت فشار، حرارت و رطوبت شدید هستند، گریس‌های Ti/Zn در مقایسه با انواع لیتیومی و کلسیمی، طول عمر قطعات را به شدت افزایش داده و هزینه‌های تعمیرات را کاهش می‌دهند. در جدول 2، مقایسه ایی از عملکرد سه گریس تعریف شده در بالا را براساس مقیاس‌های عملکردی از 0 تا 10 ارائه داده است. جدول 2 با هدف کمک به کاربران این سه تیپ گریس براساس الزامات عملکردی محیط کاری و شاخص های اقتصادی و نگهداری از تجهیزات تدوین شده است:

جدول 2: مقایسه ایی از عملکرد سه گریس براساس شاخص های عددی (از صفر تا 10)

از جدول 2 می توان به نتایج زیر رسید:

• گریس‌های تیتانیوم/زینک برای محیط‌های شدیداً خورنده (مثل تجهیزات دریایی، اتصالات آلومینیومی یا فولادی در ساحل) بهترین گزینه‌اند، چون نه تنها رطوبت را دفع می‌کنند بلکه لایه محافظ فعال ایجاد می‌کنند.
• گریس‌های لیتیوم کمپلکس گرچه در کاربرد عمومی صنعتی محبوب‌ترند، ولی ذاتا در برابر کلرید سدیم مقاوم نبوده و وابسته به حضور بازدارنده‌های خوردگی‌اند.
• گریس‌های کلسیم کمپلکس انتخابی ارزان‌تر برای محیط‌های نیمه‌مرطوب هستند، اما در تماس مداوم با نمک عملکرد ضعیفی دارند.

در ادامه، مقایسه ایی از عملکرد سه گریس فوق در برابر خوردگی براساس روش های تست دو استاندارد ASTM D1743 (تست خوردگی بلبرینگ در حضور آب) و ASTM B117 (تست سالت اسپری) در قالب جدول 3 ذکر شده است. اعداد مندرج در جدول 3 میانگین محدوده متداول در محصولات تجاری با کیفیت استاندارد هستند تا دید دقیق‌تری از کارایی این سه گریس در برابر کلرید سدیم ارائه شود:

جدول 3: مقایسه مقاومت خوردگی در تست‌های استاندارد

از داده های مندرج در جدول 3 می‌توان به نتایج زیر دست یافت:

• گریس Ti/Zn در هر دو تست عددی بهترین عملکرد را دارد؛ شاخص اصلی، عدم خوردگی قابل مشاهده تا بیش از 5 روز در سالت اسپری است.
• گریس لیتیوم کمپلکس گرچه حرارت را بهتر تحمل می‌کند، اما در محیط نمکی شاخص خوردگی تقریبی 5 تا 6 برابر بالاتر است و این خبر خوبی برای کاربران این گریس در محیط های شور نیست.
• گریس کلسیم کمپلکس ارزان ولی در تست نمک عملکرد ضعیفی دارد، مخصوصاً پس از جذب آب و یون‌های Na⁺ و Cl^-.

در مقام نتیجه‌گیری، می‌توان بیان داشت که در صنایع دریایی، ریلی، سیمان، و فولاد استفاده از گریس‌هایی با صابون فلزی Ti/Zn نسبت به انتخاب‌های معمولتری چون لیتیوم و کلسیم (حتی در حالت کمپلکس) از مزیت عملکردی بسیار بهتری برخوردار بوده و قطعا چنین سطح عملکردی جبران‌کننده هزینه‌های اولیه جایگزینی گریس‌های معمول در چنین صنایعی خواهد بود. در عین حال، در صنعت خودروهای سنگین و حمل و نقل جاده‌ایی، گریس‌های تیتانیوم/زینک دست برتری در هر دو حالت عملکرد مکانیکی و حرارتی نسبت به انواع ارزانتر و در دسترس‌تری چون لیتیوم و کلسیم دارند. 

نسل جدید ادتیوهای EP/AW: عبور از روانکاری مرسوم در استخراج معادن مس

1. مقدمه

مس، طلا، و قلع نخستین فلزاتی بودند که نوع بشر طرز استفاده از آنها را آموخت. اما، از آنجا که کار با مس آسانتر از بقیه فلزات بود، قبل از سایرین مورد توجه تمدن‌های باستانی قرار گرفت. امروزه، علیرغم سیر قهقرایی کاربرد مس در تولید تجهیزات مهندسی با ظهور پلیمرها، بازگشت مس و آلیاژهای آن با رواج انواع سیستم‌های پیشرانش هیبرید و تمام الکتریکی در خودروسازی به سبد نیاز مبرم صنایع کلید خورده است که این رواج مجدد با تکیه بر دو اصل آلیاژپذیری فوق‌العاده و بازیافت‌پذیری صد‌در‌صدی مس تقویت می‌شود. تقریبا 0.006% از پوسته کره زمین از مس تشکیل شده که از نظر فراوانی آن را در مقام بیست و سوم عناصر معدنی قرار می‌دهد [1]. معدن‌کاوی امروز نسبت به گذشته شاهد تغییرات شگرفی بوده است که شامل گذر از فرآیند‌های استخراج دستی و تکیه محدود بر ادواتی ساده تا فرآیند‌های تمام اتوماتیک استخراج مبتنی بر مجموعه‌ایی از پیچیده‌ترین ماشین‌آلاتی است که تاکنون بدست بشر ساخته شده است. بدیهی است که با افزایش سطح پیچیدگی این ماشین‌آلات و تکیه بیش از پیش بر عملکرد تمام اتوماتیک، عملکرد صحیح و عاری از خرابی این دسته از تجهیزات به هدف مطلوب تمام بنگاه‌های اداره و بهره‌برداری از معادن بدل شده است. چراکه تجهیزات و ماشین‌آلاتی که در سایت‌های معدنی کار می‌کنند در معرض سخت‌ترین شرایط محیطی قرار دارند که در زمان طراحی و ساخت یک تجهیز قابل تصور است: از بالاترین سطح غلظت گرد و غبار گرفته تا آلودگی آب و تهویه ضعیف [2]. همین شرایط و پیچیدگی این دسته از ماشین‌آلات، مستلزم بکارگیری گستره متنوعی از انواع روانکار بمنظور تسهیل عملکرد ایمن و عاری از خرابی آنها است که بکارگیری انواع بخصوصی از ادتیوها در ساختار شیمیایی چنین روانکارهایی را لازم می‌کند. از میان انواع ادتیوهای رایج در سنتز انواع روانکارهای صنعتی، گروه EP/AW  (Extreme Pressure/Anti-Wear) از جمله مهمترین ترکیبات شیمیایی پایداری محسوب می‌شوند که بعنوان روکنشگر در سطح روانکار فعال بوده [3] و همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است، در غلظت‌های مختلفی در ساختار شیمیایی کلاس‌های عملکردی مختلفی از روانکار کاربرد دارند.

جدول (1): کاربرد انواع ادتیوها در کلاس های مختلف روانکار برحسب درصد حجمی [3]

ادتیو‌های گروه AW به چندین طریق عمل می‌کنند: برخی از آنها به تدریج اقدام به رسوب‌دهی فیلم حائلی مابین فضای تبادل تنش می‌کنند که ضخامت فرا-هیدرودینامیکی آن اجازه تقابل ناهمواری‌های دو سطح فلزی را با یکدیگر ندهد. برخی دیگر با تشکیل فیلمی تک لایه و ترمیم‌پذیر به کاهش تنش موضعی بین ناهمواری‌های محل تماس کمک می‌کنند. آخرین گروه نیز از اصل پیوند شیمیایی به سطح قطعات تبعیت کرده و طی فرآیندی آهسته و پیوسته ناهمواری‌های سطحی محل تبادل تنش را با روالی کنترل شده از براده‌برداری تا حصول شرط تجدید ضخامت فیلم هیدرودینامیک اصلاح می‌کنند. از آنسو، فلسفه طراحی ادتیوهای گروه EP بر جلوگیری از چسبندگی دو سطح فلزی منجر به جوش‌خوردگی آنها در زمانی است که فیلم‌های اکسید (بعنوان نگهبانان طبیعی سطوح فلزی) دیگر موجود نبوده و سایر گونه‌های روکنشگر حاضر در سیستم روانکار از واکنش‌پذیری لازم بمنظور رسوب‌دهی یک فیلم محافظ برخوردار نباشند. وقوع چنین حالتی بیشتر در زمانی محتمل است که قطعات در شرایط کاری پرسرعت، سنگین، با پرحرارت عمل کنند [4]؛ شرایطی که بر محیط کاری تمامی ماشین‌آلات معدنی حکمفرما است [5]. مکانیزم عملکرد ادتیوهای گروه EP بر واکنش‌دهی با سطح فلز و ایجاد یک کامپاند یونی (مانند سولفید آهن) استوار است که از تشابه عملکردی با ادتیوهای گروه AW برخوردار است؛ با این تفاوت که سرعت واکنش در گروه EP نسبت به AW بیشتر بوده و استحکام فیلم حاصله نیز بیشتر است. برخی ادتیوهای EP از خط افتادگی و گریپاژ در سرعت‌های بالا و تحت بارهای ضربه‌ایی روی قطعات جلوگیری کرده و برخی دیگر مانع چین‌خوردگی و موج برداشتن قطعات تحت گشتاور بالا و سرعت پایین می‌شوند. علیرغم این تفاوت در عملکرد، در هر دو حالت ادتیوهای EP و بدنه فلزی قطعات به تدریج خورده شده و به مصرف تشکیل سطحی صاف و نرم بمنظور عملکرد هیدرودینامیک می‌رسند تا اصطکاک کاسته شده و ریسک آسیب موضعی به قطعات نیز پایین آید. بدیهی است که در غیاب چنین ادتیوهایی ریسک آسیب ناشی از سایش شدید بین قطعات افزایش شدیدی خواهد یافت [4]. جدول 2 کاربرد ادتیوهای EP/AW را به تفکیک روانکار مصرفی در تسهیل عملکرد هریک از ماشین‌آلات رایج در معادن را نشان داده است.

جدول (2): روانکارهای مصرفی در ماشین‌آلات مختلف معدنی و کاربرد ادتیوهای EP/AW [5]

همانگونه که از جدول 2 بر می‌آید، تمامی روانکارهای مصرفی در ماشین‌آلات معدنی نیاز مبرم به حضور ادتیوهای گروه EP/AW در ساختار شیمیایی خود دارند.

اما، ادتیوهای EP/AW از دیرباز حاوی عناصر فعالی چون کلرین، فسفر، و گوگرد در ساختار شیمیایی خود بوده‌اند [4,9] که در سال‌های اخیر استفاده از چنین ترکیبات و عناصری در کشورهای پیشرو بنا به دلایل زیست محیطی و مخاطرات انسانی رو به افول بوده و فرآورده‌های شیمیایی عاری از خاکستر بعنوان جایگزین آنها معرفی شده‌اند [4]. هدف از این مقاله، معرفی نسل بعدی ادتیوهای گروه EP/AW بمنظور دستیابی به خواص زیست محیطی برتر، سازگاری بیشتر با شرایط دشوار و متنوع کاری حاکم بر صنعت استخراج و استحصال مس در عین حفظ یا حتی ارتقا عملکرد سوده‌شناختی این دسته از ادتیوهای پرکاربرد در صنایع معدنی است. این مقاله به بررسی مرزهای فناوری تولید ادتیوهای EP/AW پرداخته و تمرکز آن بر رهیافت‌هایی است که نویدبخش تعریف دوباره‌ایی از عملکرد روانکاری پایدار (Sustainable lubrication) در صنعت بهره‌برداری از کانسارهای مس باشد.

2. مروری بر پیدایش و عرف ساختاری ادتیوهای EP/AW

ادتیوهای گروه EP/AW به گروهی بزرگتر از ادتیوها تعلق دارند که با عنوان عمومی «حاملان گوگرد» (Sulfur carriers) شناخته شده و در روانکارهای گیربکسی، روغن‌های فلزکاری، انواع گریس، و روغن‌های موتوری صاحب کاربرد بوده و بخش عمده‌ایی از ساختار آنها از اسیدهای چرب، استرها، و الفین‌های گوگرددار تشکیل یافته است. بنا به تعریف، حاملان گوگرد نوعی از کامپاندهای ارگانیک محسوب می‌شوند که در ساختار خود حاوی گوگرد در حالت اکسایش صفر یا منفی یک بوده و اتم گوگرد در چنین ساختاری یا به یک هیدروکربن یا به اتمی دیگر از گوگرد پیوند خورده باشد؛ به شرطی که این ساختار عاری از دیگر اتم‌های ناهمگن (بجز اکسیژن) بوده و یا از طریق افزودن گوگرد به هرنوع کامپاند اشباع و دارای پیوند دوگانه‌ایی مانند الفین‌ها، استرهای طبیعی، و اکریلات‌ها یا از طریق واکنش استخلافی با هالیدهای ارگانیک فعال و مانند آن تولید شده باشند. روغن‌های حاوی اسیدهای چرب گوگرددار از بیش از یک قرن پیش در بازار موجود بودند؛ ولی کاربرد اولیه آنها در صنعت لاستیک‌سازی قرن نوزدهم (بعنوان یکی از پردرخواست‌ترین کالاهای صنعتی روز) بود و مصرف حامل‌های گوگرد در نقش ادتیو با ظهور مفهوم «روانکاری مدرن» خلال دهه دوم قرن بیستم آغاز شد. با معرفی گیربکس‌های هیپویید خودرویی در دهه 1920، نیاز به ادتیوی که عملکرد روانکارهای گیربکسی را در جلوگیری از سایش و گریپاژ چنین گیربکس‌هایی بهبود بخشد بشدت احساس می‌شد که در نهایت منجر به پیدایش ادتیوهای گروه EP در سال 1936 شد. در حقیقت، می‌توان سال‌های 1930 تا 1950 را سال‌های خیزش تب پژوهش روی توسعه فناوری حامل‌های گوگرد دانست؛ بطوریکه اغلب فناوری‌های امروز در رابطه با تولید انواع ادتیوهای EP گوگرددار محلول در روغن ریشه در تحقیقات و ثبت اختراعاتی دارند که در آن دوره به انجام رسیده‌اند. تا دهه 1950، حاملان گوگرد اغلب توسط روغنسازان ساخته می‌شدند؛ اما، با رشد نگرانی‌های زیست محیطی، توسعه بازار، و نیاز به تولید محصولات تخصصی، و در عین حال، نیاز به دانش عمیق در زمینه سنتز آزمایشگاهی و پیچیدگی‌های فرآیندی، تولید این دسته از ادتیوها به فعالان صنایع شیمیایی واگذار شد. نقطه عطف این روند را می‌توان معرفی پلی‌سولفیدها در سال 1985 دانست که امروزه با مفهوم PEP (Passive Extreme Pressure) یا EP غیرفعال شناخته شده و شامل بهبود رفتار EP/AW در ترکیب با کلسیم و سدیم سولفونات‌ها می‌شد. با این وجود، ظهور این فناوری نیز موفق به ترغیب صاحبان صنایع شیمیایی به جایگزینی حاملان گوگرد مرسوم و تولید روانکارهایی با تطابق زیست‌محیطی بیشتر و مسمومیت‌زایی کمتر برای عوامل انسانی نشد. سال‌های ابتدایی دهه 1990 شاهد ابراز نگرانی‌های رسمی در خصوص مخاطرات زیست‌محیطی این دسته از ادتیوهای مصرفی در تولید انواع روانکارهای صنعتی بود. امری که هنوز ادامه‌دار بوده و هدف از آن ترغیب صاحبان صنایع و البته کاربران انواع روانکار به جایگزین‌سازی چنین ادتیوهایی است [4].

جدول (3): انواع ادتیوهای EP/AW گوگرددار سنتی [4]

هرچند گوگرد بعنوان یک عامل عنصری از خواص EP خوبی برخوردار است، اما از آنجا که گوگرد ذاتا با انحلال در مقادیر مختلف بسته به نوع روغن پایه موجب خورندگی می‌شود، بنابراین طبیعی بود که ترکیبات عاری از گوگرد یا کم گوگرد دیگری نیز بعنوان آلترناتیو EP/AW معمول در دسترس باشند که جزییات هریک در جدول 4 ارائه شده است.

جدول (4): انواع ادتیوهای EP/AW بدون گوگرد سنتی [4]

3. نسل بعدی ادتیوهای EP/AW و جایگاه آنها در صنعت استخراج مس

نسل بعدی ادتیوهای EP/AW، با هدف ارضا نیاز دوگانه به عملکرد بالاتر و پایداری بهبود یافته در حال ظهورند. بدین منظور، فرمولاسیون‌ نوین با هدف کمینه‌سازی بکارگیری فسفر، گوگرد، خاکستر و کاهش هرچه بیشتر مخاطرات زیست‌محیطی، در عین ارائه محافظت قوی از سطوح در شرایط سخت‌ کاری ماشین‌آلات معدنی طراحی و پیشنهاد شده‌اند. جایگزین‌های نویدبخش عاری از خاکستر شامل ترکیبات ارگانوبورونی هستند که تریبوفیلم‌های بادوام B₂O₃/BN ایجاد می‌کنند، شیمی مولیبدن بهینه‌شده که لایه‌های MoS₂ را با پایداری حرارتی افزایش‌یافته تشکیل می‌دهند، و مایعات یونی (ILs) که ساختارهای یونی آنها امکان رفتار EP/AW و کاهش اصطکاک را فراهم می‌کند [4,14-15]. ترکیبات ضداصطکاک آلی و انواع مبتنی بر نانوذرات (اعم از MoS₂، WS₂، گرافن، h-BN، CNTها و اکسیدهای فلزی که به سرعت در حال گسترش هستند) مکانیسم‌های جدیدی از جمله اثرات سوده شناختی مانند سایش و ترمیم سطوح و تشکیل تریبوفیلم کاتالیزوری را در مقیاس نانو [16] ارائه می‌دهند. تحقیقات فعلی به طور فزاینده‌ای بر مجموعه‌ایی هم‌افزا از ادتیوها متمرکز است که کاهش اصطکاک، محافظت سایشی، ممانعت در برابر خوردگی، و کنترل اکسیداسیون را در یک بسته واحد ترکیب کند.

در معدن مس، جایی که محیط‌ کاری برای روانکارها فوق‌العاده خشن محسوب می‌شود، نسل بعدی ادتیوهای EP/AW باید با فرسایش ناشی از گرد و غبار، آلودگی آب، بارگذاری ضربه‌ای و چالش‌های الکتریکی مقابله کنند. نانوذرات و ادتیوهای دیسپرسانت مقاوم در برابر گرد و غبار می‌توانند سایش ناشی از سیلیس را کاهش دهند، در حالیکه ادتیوهای EP/AW پایدار از نظر هیدرولیتیک و فرمولاسیون‌های ضد امولسیون، نفوذ آب را خنثی می‌کنند. اجزای تحت بار شدید مانند سنگ‌شکن‌ها، آسیاب‌ها، و بیل‌های سنگین می‌توانند از عملکرد EP بهینه شده با ILها، ترکیب بور-مولیبدن و نانوذرات روانکار جامد بهره‌مند ‌شوند. با گسترش ماشین‌آلات با پیشرانش الکتریکی یا هیبرید (شکل 1)، روانکار‌ها باید الزامات دی‌الکتریک را با ارائه محافظت قوی در برابر AW متعادل کنند و در عین حال در برابر آسیب EDM ناشی از جریان‌های یاتاقان [17] مقاومت کنند. این پیشرفت‌های فناورانه چارچوبی بمنظور دستیابی به پایداری گسترده در صنعت مس بوجود خواهند آورد که با مقررات زیست‌محیطی در حال تحول جهانی و تعهدات رو به رشد صنعت مس تطبیق خواهد داشت. استراتژی‌های روانکاری «سبز» (استفاده از اجزای کمتر سمی، مواد شیمیایی زیست‌تخریب‌پذیر، مواد اولیه تجدیدپذیر، و فرمولاسیون‌ بازیافت‌پذیر) هرچه بیشتر مورد تاکید و مطالعه قرار گرفته‌اند. اصول ارزیابی چرخه عمر (LCA) نیز بکارگیری نسل بعدی ادتیوهای EP/AW را با توجه به با کاهش بار زیست‌محیطی و بهبود بهره‌وری منابع تایید می‌کند. در نتیجه، افزودنی‌های EP/AW نسل بعدی نه تنها باید عملکرد سوده‌شناختی برتری ارائه دهند، بلکه در طول چرخه عمر خود، مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی روشنی را نیز نشان خواهند داد.

شکل (1): هال تراک کوماتسو مدل 930E با پیشرانش دیزل-الکتریک با ماجول باتری‌های سوختی 800kW [18]

4. نتیجه‌گیری

نیازهای عملیاتی و پایداری در حال تحول صنعت مس، منجر به تغییر در الزامات روانکار‌ها شده و محدودیت‌های بکارگیری ادتیوهای EP/AW  مرسوم را در شرایط سخت و آلوده معادن مس و با توجه به محدودیت‌های زیست‌محیطی نوین آشکار می‌کند. نسل بعدی ادتیوهای EP/AW (شامل ترکیبات مبتنی بر بور، مشتقات پیشرفته مولیبدن، مایعات یونی و انواع نانوذرات) در عین فراهم آوردن محافظت در برابر سایش و فشار، اثرات مخرب زیست‌محیطی را نیز کاهش خواهند داد و این ممکن نیست مگر با توسل به فرمولاسیون‌هایی که از نظر هیدرولیتیکی پایدار، مقاوم در برابر گرد و غبار، و امولسیون‌زدا به ویژه برای محیط‌های سخت معدنی: از کارخانه‌های فرآوری گرفته تا عملیات روباز باشند. هرچند، نباید تطابق ادتیوهای نوین با نسل جدید پیشرانش تجهیزات معدنکاری الکتریکی را فراموش کرد. پذیرش مؤثر این افزودنی‌ها به تحقیقات مداوم در مورد رفتار سوده‌شناختی، اثرات هم‌افزایی شیمیایی، مخاطرات زیست‌محیطی و عملکرد آنها در شرایط واقعی، با پشتیبانی از حسگرهای پیشرفته بمنظور پایش وضعیت تجهیز بستگی دارد. با بهره‌گیری از این نوآوری‌ها، صنعت مس می‌تواند به طول عمر تجهیزات بهبود یافته، قابلیت اطمینان عملیاتی و مدیریت پایدار منابع دست یابد.

5. منابع و مآخذ

بمنظور تدوین این مقاله از 18 عنوان منبع معتبر استفاده شده است که توصیه می‌شود جهت اطلاع از جزییات هریک از منابع بمنظور مطالعه بیشتر، به نسخه چاپی این مقاله در نشریه «نگهداری و تعمیرات در صنایع سیمان، معدن، و فولاد» مراجعه فرموده یا با آدرس http://www.netsanews.ir یا ایمیل آدرس‌های [e-mail]  یا [e-mail] مکاتبه فرمایید. 

آلودگی روغن موتور به ضدیخ از دیدگاه خواص فیزیکی

الف) مقدمه

ده ها سال است که طراحان و کاربران موتورهای درونسوز (اعم از خودرویی، ریلی، دریایی، و ژنراتوری) برای خنکسازی موتور تنها به آب تکیه نداشته و علاوه بر آب (بعنوان سیال اصلی خنک کننده) از سایر افزودنی های شیمیایی جهت بهبود خواص شیمیایی و فیزیکی آن بهره می‌برند. چراکه استفاده از آب بمنظور خنکسازی موتور مشکلاتی همچون خوردگی، تشکیل رسوبات، پایین آمدن دمای جوش، و یخ‌زدگی در برودت را بهمراه دارد [1]. به همین جهت، برای بهبود عملکرد سیستم خنک کننده موتور، برحسب شرایط و محدویت ها، مواد مختلفی اعم از ضدخوردگی، ضدرسوب، ضدجوش، و ضدیخ‌زدگی به آب اضافه می شود. طبیعی است که در چنین شرایطی نمی توان سیال خنک کننده جاری در مدار تبرید موتور را «آب» محسوب کرد. چنین سیالی «مبرد» یا «خنک کننده موتور » نامیده می شود [1,2]. اصطلاحی که در بازار  البته به غلط (!) برای آدرس دهی به چنین مایعی رایج است «ضدیخ» است که هرچند اصطلاحی جامع نیست و تمامی خواص و عملکرد مورد انتظار از چنین ماده مهندسی شده ایی را پوشش نمی دهد، اما در این مقاله نیز همچنان از واژه «ضدیخ» برای اشاره به سیال خنک کننده جاری در مدار تبرید موتورهای درونسوز استفاده خواهد شد.

ضدیخ مصرفی در موتورهای بنزینی یا دیزل موجود در بازار تجاری و صنعتی هرکدام به نحوی تهیه می شوند که بستگی به نحوه طراحی و فناوری ساخت موتور نیز داشته باشد. در مواردی، کل مایع ضدیخ شامل آب به همراه کلیه مکمل های لازم در ظرف ها و بسته بندی های مخصوص به فروش می رسد [1]. در چنین حالتی، نیازی به ترکیب و تلفیق آب، ضدیخ، و سایر مکمل ها توسط مشتری نیست. این روش شامل انواع ضدیخ های بسته بندی شده و آماده موجود در بازار است که برای سرویس انواع موتورهای خودرویی و انواعی از لکوموتیوها تهیه و مصرف می شوند.

در موارد دیگر، مقداری از آب جداگانه توسط مشتری تهیه شده و با افزودنی های شیمیایی (شامل ضدخوردگی، ضدرسوب، ضدجوش، ضدیخ، و...) مخلوط شده و در موتور ریخته می شود. بدیهی است که در چنین شرایطی، خواص شیمیایی آب از جمله اسیدیته و سختی آن روی کارآیی نهایی ضدیخ حاصله تاثیرگذار خواهد بود. بطوریکه برخی از سازندگان موتورهای درونسوز اقدام به انتشار دستورالعلی بمنظور نحوه مخلوط سازی و خواص آب مورد تایید برای تهیه ضدیخ ترکیبی نموده اند [1]. این روش بمنظور سرویس دهی به انواع لکوموتیوهای قدیمی در راه آهن مورد استفاده قرار می گیرد.

هرچند خرابی های ناشی از مدار تبرید موتور آنی نیست، اما، حسب آمارهای کارشناسی 60% خرابی های موتورهای درونسوز مربوط به مدار خنک کاری آنها است. این در حالیست که آزمون های روتین آنالیز روغن موتور معمولا به کشف و شناسایی آب حاوی ضدیخ در نمونه آن منجر نمی گردد. چراکه روغن موتور به قدری داغ است که آب موجود در آن به سرعت بخار می شود . بنابراین، آزمون هایی مانند کارل – فیشر و... بیشتر در مورد روغن های هیدرولیک یا گیربکسی و ... معتبر و رایج است. از آنسو، تکنیک هایی مانند RDE یا ICP-AES قادر به نمایش عناصری اعم از سدیم (Na) [1,3]، پتاسیم (K) [1,4]، و بور (B) [1,3] در نمونه روغن موتور هستند که افزایش ناگهانی و هارمونیک آنها اغلب بعنوان «نشت ضدیخ» در روغن موتور تعبیر می شود. اما، از آنجا که چنین عناصری اغلب در ساختار شیمیایی و ادتیوهای محلول در انواع روغن های موتوری حضور دارند، بنابراین ارزیابی و تفسیر نتایج آزمایش آنالیز عناصر می تواند با خطا همراه باشد [1].

هدف از این مقاله پرداختن به تغییر خواص فیزیکی روغن آلوده به ضدیخ با تاکید بر ویسکوزیته سینماتیک در شرایط ایزوترمال به همراه معرفی روابط ریاضی حاکم بر جریان سیال است. طی این مقاله، تغییرات ویسکوزیته برحسب درصد آلودگی نمونه روغن موتور به ضدیخ بررسی شده و نتیجه این آلودگی با تکیه بر معادلات حاکم بین پارامترهای مختلف جریان روغن موتور مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

ب) نحوه تماس روغن موتور و ضدیخ

وظیفه مدار تبرید یک موتور درونسوز در انتقال درصدی از حرارت دفع شده  از موتور است که بعنوان درصدی از انرژی حرارتی بالقوه سوخت محترق شده در موتور تعریف می شود که قابل تبدیل به انرژی مفید مکانیکی توسط موتور نیست. حرارت دفع شده از موتور طبیعتا باید از دو طریق به اتمسفر می شود:

- بخشی از مسیر لوله اگزوز و گازهای داغ خروجی به هوای اطراف (بعنوان اتلاف مستقیم انرژی) ؛ و

- بخشی دیگر از طریق سیستم تبرید موتور (بعنوان اتلاف غیرمستقیم انرژی)

تقریبا نیمی از حرارت دفع شده به شکل گازهای داغ از مسیر اگزوز موتور را ترک می کنند و نیمی دیگر از این اتلاف انرژی از مسیر مدار تبرید به محیط اطراف ختم می شود. در این میان، انتقال حرارت جذب شده از موتور با سیرکولاسیون ضدیخ در مدار تبرید صورت می پذیرد (شکل 1 را ببینید).

اما، این همه ماجرا نیست. چراکه ضدیخ با تکیه بر ادتیوهای مخالف همراه آن (اعم از ضدرسوب، ضدخوردگی، و...) اقدام به تشکیل فیلمی مستحکم و سخت از پوسته های حاوی اکسیدهای فلزی و شبه‌فلزی اعم از منیزیم و کلسیم [2] و آهن [5] (عمدتا حاصل از رسوبات و ناخالصی های محلول در آب) بمنظور حفاظت از پیراهن سیلندر در برابر کاویتاسیون ناشی از چرخه انقباض و انبساط لاینر در برابر سطوح فشار ساز پیستون می کند [2].

شکل 1: شماتیکی از ساختار مدار تبرید یک موتور درونسوز و نحوه عملکرد ضدیخ [2]

این عملکرد مفید و مثبت ضدیخ در سطوح خارجی پیراهن سیلندر (لاینر) است. اما در صورتیکه ضدیخ به هر نحوی از انحا به فضای داخلی پیراهن سیلندر نفوذ کرده و همراه با سوخت و روغن موتور به جداره درونی پیراهن سیلندر و سطوح پیستون برخورد کند، خوردگی سایشی  رخ خواهد داد که اصلی‌ترین دلیل آن نشت ضدیخ به فضای داخلی سیلندر خواهد بود [3]. مثالی از چنین حالتی طی موردکاوی انجام شده روی نمونه روغن موتور یک ژنراتور اضطراری  مستقر در یک واحد پالایشگاهی واقع در جنوب ایران در شکل 2 قابل مشاهده است.

شکل 2: نتایج حاصل از آنالیز روغن موتور یک ژنراتور اضطراری پالایشگاهی [6]

طی موردکاوی انجام شده، نشت سوخت ناشی از افزایش ناگهانی و سریع عنصر وانادیوم (V) قابل تشخیص است. این روند افزایشی در شکل 3 به تصویر کشیده شده است:

شکل 3: نحوه نمو عنصر وانادیوم (V) در نتایج آنالیز روغن شکل 2

عنصر وانادیوم (V) یکی از عناصر فلزی حاصل از فرسایش قطعات تشکیل دهنده موتور بوده و از طریق فرسایش (بعنوان پدیده ایی اجتناب‌ناپذیر حین کارکرد یک موتور درونسوز) وارد جریان روغن موتور می شود. محدوده پذیرش این عنصر فرسایشی در آنالیز روغن های موتوری 1~3ppm است [7] که در موردکاوی انجام شده (شکل 2) شاهد جهش آن از 0.2 به 9.9ppm هستیم. بدین ترتیب، مناسبترین تابع بمنظور وصف صحیحترین و کم‌خطاترین برازش روی منحنی نمو این عنصر به تابع آرنیوس محدود می شود؛ یعنی

 

این جهش عنصر وانادیوم (V) در کنار روند رو به افزایش شاخص PQ و ویسکوزیته سینماتیک در دمای °C40 در نتایج حاصل از آنالیز نمونه روغن موتوری مندرج در شکل 2 نشان از آلودگی نمونه روغن به سوخت است. اما، نحوه نمو چهار عنصر سیلیسیم (Si)، سدیم (Na)، و بور (B) در کنار وانادیوم (V) بیانگر موضوعی فراتر از آلودگی روغن این موتور به سوخت است. نمو این چهار عنصر در شکل 4 به نمایش درآمده است:

شکل 4: نمو تجمعی چهار عنصر سیلیسیم (Si)، سدیم (Na)، و بور (B) در کنار وانادیوم (V) در نتایج آنالیز روغن شکل 2

نمودار تجمعی شکل 4 از آن جهت مهم است که رفتار این چهار عنصر را در کنار یکدیگر به نمایش می گذارد. با نگاهی به این شکل می توان به صرافت فهمید که نحوه نمو این چهار عنصر نه تنها هارمونیک نیست که سه عنصر سیلیسیم، سدیم، و بور نیز علیرغم منطق یکسان در نمو (تابع چندجمله ایی درجه سوم)، از الگویی هارمونیک در نمو خود تبعیت نمی کنند. این عدم رفتار هارمونیک به همراه نحوه نمو شاخص PQ و ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40°C بیانگر آلودگی روغن موتور به ضدیخ، علاوه بر سوخت، می باشد. صحت این ادعا با اورهال و بازرسی انژکتورهای سوخت و کشف نشت ضدیخ به جریان سوخت و سپس اختلاط آن با روغن موتور تایید شد. علت عدم مشاهده آب توسط آزمایشگاه محترم در نمونه روغن موتور نیز به دمای بالای روغن موتور بازمی گردد [6] که پیشتر با ذکر پدیده «پریدن آب» در مقدمه این مقاله اشاره شد. بنابراین، اختلاط روغن موتور با ضدیخ، علیرغم جدایی کامل مسیر مدارات گردش این دو سیال در ساختار و طراحی یک موتور درونسوز، نه تنها ممکن است که کاملا رایج نیز هست!

ج) تاثیر اختلاط روغن موتور و ضدیخ

فارغ از استحاله شیمیایی و تمایل روغن موتور به فرسایندگی در اثر آلودگی به ضدیخ که قبلا به کرات در ادبیات مختلف مهندسی بحث شده است، هدف از این مقاله، بررسی تاثیر اختلاط روغن موتور و ضدیخ از دیدگاه تغییر خواص فیزیکی (با تمرکز روی ویسکوزیته سینماتیک) در شرایط ایزوترمال یا دما-ثابت است. بدین ترتیب، طی آزمایش تجربی که در یک آزمایشگاه ذیصلاح واقع در ایتالیا انجام شد، ضدیخی با مشخصات مندرج در شکل 5 و جدول 1 به تدریج با روغن موتور Castrol Edge Professional E با گرید SAE 0W-30 [8] و با کسرهای حجمی مختلف مخلوط در دو نقطه دمایی 40 و 100°C مخلوط شده و نمو ویسکوزیته سینماتیک در این دو نقطه دمایی ثبت شده است.

شکل 5: ضدیخ مصرفی بمنظور اختلاط آزمایشی با روغن موتور SAE 0W-30 [8]

مشخصات فیزیکی ضدیخ که توسط آزمایشگاه اندازه گیری شده به شرح زیر است:

جدول 1: مشخصات فیزیکی ضدیخ مصرفی در آزمایش (اندازه گیری شده توسط آزمایشگاه LMP) [8]

مشخصات روغن موتور Castrol Professional Edge E مصرفی در این آزمایش نیز به شرح زیر است:

جدول 2: مشخصات فیزیکی روغن موتور مصرفی در آزمایش [9]

نتیجه مطالعه انجام شده در خصوص تلفیق دو سیال ناهمگون روغن موتور و ضدیخ با مشخصات فیزیکی مندرج در جداول 1 و2  در شکل های 6 و 7 به نمایش درآمده است:

شکل 6: تاثیر آلودگی روغن موتور 0W-30 به ضدیخ از دیدگاه ویسکوزیته سینماتیک در دمای 40°C و دانسیته در دمای 20°C [8]

شکل 7: تاثیر آلودگی روغن موتور 0W-30 به ضدیخ از دیدگاه ویسکوزیته سینماتیک در دمای 100°C [8]

در نگاه اول به نتایج حاصل از اختلاط تدریجی ضدیخ با روغن موتور می توان به این نتیجه اولیه رسید که در شرایط دما-ثابت، ویسکوزیته سینماتیک در هر دو نقطه دمایی 40 و 100°C و دانسیته مخلوط در دمای 20°C بصورت خطی با افزایش کسر حجمی ضدیخ درون مخلوط افزایش می یابند.

این افزایش ویسکوزیته نشان داده شده در شکل های 6 و 7 از دو دیدگاه قابل توجیه است:

- ساختار شیمیایی: درصورتیکه دو ساختار شیمیایی ناهمگون مانند ضدیخ و روغن موتور به نحوی از انحا با یکدیگر مخلوط شوند، این اختلاط هیچگاه منجر به تشکیل یک مخلوط همگن نخواهد شد. این ناهمگنی ذاتی منجر به تشکیل ریزساختارها یا فازهای کاملا مجزایی خواهد شد که مقاومت مخلوط همگن حاصله را در برابر حرکت افزایش خواهد داد که معنی و مفهومی مستقیم آن افزایش ویسکوزیته سینماتیک مخلوط است.

- برهمکنش ملکولی: ملکول های تشکیل دهنده هر جز متفاوت از مخلوط می توانند طوری به تماس با یکدیگر واکنش نشان دهند که ساختار ملکولی کاملا جدیدی با خواص فیزیکی کاملا نوین و مجزا تشکیل دهند که از آنجمله می توان به اصطکاک درونی بیشتر از هریک از ساختارهای ملکولی مربوط به هرکدام از اجزای موثره مخلوط در حالت خالص اشاره کرد. چنین واکنشی می تواند منجر به افزایش ویسکوزیته مخلوط بصورت برآیندی از ویسکوزیته هریک از اجزای آن شود [8].

همانطور که در شکل های 6 و 7 مشهود است، دو مشخصه فیزیکی ویسکوزیته سینماتیک در دو نقطه دمایی 40 و 100°C و دانسیته مخلوط در دمای 20°C مورد بررسی و تحلیل عددی قرار گرفته اند. اما، از آنجایی که ذات رفتار ویسکوزیته غیرخطی است [8]، در ادامه نسبت به تصحیح برازش منحنی نمو این دو مشخصه در حالت دما-ثابت اقدام شده است.

شکل 8 حاوی سه نمودار از برازش های ممکن روی نحوه نمو دانسیته مخلوط در دمای 20°C است و همانطور که از شکل 8 هویداست، در هر سه حالت برازش خطی ، چندجمله ایی درجه دوم ، و چندجمله ایی درجه چهارم، خطای برازش صفر است. بنابراین، عملا در مورد دانسیته مخلوط روغن موتور و ضدیخ در حالت ایزوترمال نیازی به برازش رفتار این مشخصه فیزیکی در حالت های پیچیده نیست و همان برازش ساده خطی کفایت می کند.

شکل 8: سه حالت از برازش منحنی روی نحوه نمو دانسیته مخلوط در دمای 20°C در حالت ایزوترمال (خطای برازش صفر)

بنابراین، می توان نتیجه گرفت که دانسیته روغن موتور در صورت آلودگی به ضدیخ در حالت دما-ثابت (20°C) از یک روند خطی پیروی می کند که براساس آزمون انجام شده طی این مقاله، بصورت زیر با افزایش کسر حجمی ضدیخ در حجم ثابتی از روغن موتور از ضابطه زیر برخوردار است:

اما، ویسکوزیته سینماتیک ذاتا نمی تواند رفتاری خطی داشته باشد [8]. بنابراین، طی فرآیندی که در شکل 9 نشان داده شده، روند کاهش خطای برازش از 0.8% تا صفر که شامل سه حالت از برازش خطی به چندجمله ایی درجه دوم، و سپس چندجمله ایی درجه چهارم است. استفاده از شکل 9 منوط به توجه به این نکته است که می توان با پذیرش خطایی حدود 0.8% با هاله ایی که در شکل 9 با رنگ خاکستری اطراف خط مشکی رنگ منحنی ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور برحسب درصد حجمی آلودگی به ضدیخ نشان داده شده است، رفتار ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور آلوده به ضدیخ را برحسب کسر حجمی آلاینده ضدیخ و در حالت دما-ثابت خطی فرض کرد. قطعا و حکما پذیرش این محدوده خطای محاسباتی به حساسیت مورد مطالعاتی وابسته است. اما، نمودارهای شکل 9 این امکان را فراهم آورده است که بنا به حساسیت کار، نحوه نمو ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور SAE 0W-30 آلوده به ضدیخ را بتوان انتخاب کرد.

شکل 9: روند کاهش خطای برازش منحنی نمو ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور آلوده به ضدیخ در دمای ثابت 40°C

بنابراین، می توان با توجه به شکل 9 به این نتیجه رسید که ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور آلوده به ضدیخ در حالت دمای ثابت 40°C برحسب کسر حجمی ضدیخ از ضابطه زیر در نمو خود تبعیت می کند:

میزان خطای خطی-انگاری رفتار ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور برحسب کسر حجمی آلودگی به ضدیخ در دمای ثابت 100°C برابر با 3.6% است که 4.5 برابر همان خطا در دمای 40°C محسوب می شود. اما با کاهش تدریجی خطای برازش از خطی به چندجمله‌ایی درجه دوم و سپس چندجمله‌ایی درجه چهارم، هاله خاکستری رنگ نشاندهنده محدوده خطای برازش اطراف خط مشکی رنگ منحنی نمو ویسکوزیته سینماتیک به تدریج نازکتر شده و نقاطی که در حالت برازش خطی حتی از این هاله نیز دور افتاده بودند، به تدریج وارد محدوده نمو ویسکوزیته سینماتیک می شوند. شکل 10 را ببینید.

شکل 10: روند کاهش خطای برازش منحنی نمو ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور آلوده به ضدیخ در دمای ثابت 100°C

بدین ترتیب، بهترین و کم خطاترین ضابطه ریاضی در بیان نحوه نمو ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور تحت مطالعه برحسب میزان آلودگی به ضدیخ تشریح شده در این مقاله در نقطه دمایی ثابت 100°C به شرح زیر است:

با این تفاسیر، بیان نحوه آلوده شدن روغن موتور برحسب دو معیار فیزیکی دانسیته و ویسکوزیته سینماتیک در حالت دما-ثابت در مورد دانسیته با توسل ضابطه ایی خطی و در مورد ویسکوزیته با ضابطه ایی چندجمله‌ایی درجه چهارم و البته قابل خطی-سازی با پذیرش درصدی از خطا که با افزایش دما چند برابر می گردد، ممکن است. هرچند، اعتقاد نویسنده بر اینست که ویسکوزیته ذاتی معیار دقیقتر و بهتری بجای دانسیته و ویسکوزیته سینماتیک در تعیین نحوه رفتار روغن آلوده به ضدیخ (بعنوان یک مخلوط ناهمگن) در شرایط ایزوترمال است [10]. ویسکوزیته ذاتی با توسل به معادله هاگینز قابل محاسبه است:

 

در معادله (5):

- : نسبت ویسکوزیته ویژه که در بازه ایی از غلظت ضدیخ حاضر در مخلوط (C) اندازه گیری شده و با واحد اندازه گیری cm³/gr بیان می شود. ویسکوزیته ویژه یا  بصورت ویسکوزیته مطلق یک مایع (در اینجا: روغن موتور) در تناسب با ویسکوزیته مطلق آب در همان نقطه دمایی تعریف می شود. ویسکوزیته ویژه مشخصه ایی بدون بعد بوده و از معادله (6) قابل محاسبه است:

که در معادله (6):

+  : ویسکوزیته محلول (روغن/پلیمر)

+  : ویسکوزیته حلال (در اینجا: روغن)

+  : ویسکوزیته نسبی که بصورت  تعریف می شود [10]

در ادامه برای معادله (6) داریم:

-  : ویسکوزیته ذاتی با واحد اندازه گیری dL/gr؛

- k: ثابت هاگینز که بصورت عددی ثابت برای یک سری از پلیمرها با اوزان ملکولی متفاوت در یک حلال مفروض (روغن) تعریف شده و مقدار آن تابع قدرت و کیفیت حلال است که از تقریبا 0.3 برای حلال های خوب قوی شروع شده و تا 1.0 برای حلال های ضعیف ادامه دارد [10].

اما از آنجا که ویسکوزیته ذاتی برای یک سیستم حلال و محلول تعریف شده است، در خصوص یک مخلوط ناهمگن موضوع این مقاله لازمست مشخصه هایی مانند C و k بعنوان اعداد ثابت تعیین شده و ویسکوزیته ویژه  مخلوط ناهمگن نیز در دو نقطه دمایی 40 و 100°C اندازه گیری شود (درست مانند جدول 8 منبع شماره [10]). از این رو، در خصوص معیار ویسکوزیته ذاتی لازم است مطالعات جداگانه ای در مورد روغن موتور و ضدیخ معرفی شده در این مقاله صورت پذیرفته و رفتار ویسکوزیته ذاتی روغن موتور SAE 0W-30 در قبال غلظت آلودگی به ضدیخ تعریف شده در شکل 5 و جدول 1 مقاله حاضر مورد مطالعه قرار گیرد.

د) نتیجه گیری

نحوه رفتار جریان روغن درون میسرهای تعبیه شده در رادیاتور روغن (بعنوان بخشی از مدار روغنرسانی) یک موتور درونسوز با عدد رینولدز تعیین می شود که از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در معادله (7):

- Re: عدد رینولدز؛

- s: سرعت خطی جریان روغن برحسب mm/s؛

- d: قطر لوله روغن برحسب mm؛

- ν: ویسکوزیته سینماتیک برحسب mm²/s [11]

شکل 11: شماتیکی از ساختار یک رادیاتور روغن موتور [11]

واضح است که با افزایش ویسکوزیته سینماتیک در رابطه شماره (7)، در عین ثابت ماندن سرعت جریان و قطر لوله عبور روغن موتور، عدد رینولدز کاهش پیدا خواهد کرد و نحوه نمو کاهشی آن نیز تابعی از نحوه نمو ویسکوزیته سینماتیک خواهد بود. کاهش عدد رینولدز منجر به افزایش شدید ضریب مقاومت خطی جریان روغن λ در مدار روغنرسانی موتور می گردد. به ترتیب زیر:

همین امر موجب افزایش افت جریان روغن جاری در مدار روغنرسانی می گردد که از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در معادله (9):

- h_l: افت جریان در مقطع لوله ایی با طول l؛

- λ: ضریب مقاومت خطی جریان روغن؛

- l: طول آن بخش از مسیر روغن موتور برحسب mm؛

- d: قطر لوله برحسب mm²؛

- s: سرعت خطی جریان روغن برحسب mm/s؛

- g: شتاب گرانش زمین برابر با 9.81m/s² [11]

از آنسو، از آنجا که مقاومت به جریان روغن موتور با تغییرات فشار p و دبی حجمی q مرتبط است، می توان برای هندسه‌ایی ساده مانند یک لوله صاف و مستقیم رابطه زیر را نوشت:

بدین ترتیب و با ثابت فرض کردن مقاومت روغن به جریان یافتن در یک مسیر لوله ایی صاف داریم:

که در معادله (11):

- R: مقاومت روغن موتور به جریان یافتن درون یک مسیر لوله ایی صاف؛

- ν: ویسکوزیته سینماتیک برحسب mm²/s؛

- ρ: دانسیته مخلوط روغن موتور و ضدیخ برحسب kg/dm³؛

- l: طول لوله برحسب mm؛

- d: قطر هیدرولیک برحسب mm² [12]

از آنجا که مقاومت به جریان بصورت گرادیان نمودار افت فشار Δp برحسب دبی حجمی  روغن q در حالت پایا قابل تعریف است، و البته با عنایت به این حقیقت که رابطه افت فشار و دبی حجمی  روغن موتور خطی نیست، بنابراین بهترین راه در تعیین ضابطه ایی برای مقاومت به جریان روغن موتور درون یک لوله صاف فرضی، برازش منحنی تغییرات افت فشار برحسب دبی حجمی  است که در شکل 12 به نمایش درآمده است:

شکل 12: نحوه نمو افت فشار روغن موتور برحسب دبی حجمی  در یک لوله صاف [12]

با نگاهی به معادله (11) می توان دریافت که در صورت آلوده شدن روغن موتور به ضدیخ، مقاومت روغن موتور آلوده به جریان یافتن درون یک لوله صاف مستقیما تحت تاثیر افزایش ویسکوزیته سینماتیک و دانسیته مخلوط روغن و ضدیخ قرار گرفته و بالا خواهد رفت که این افزایش حتمی منجر به کاهش دبی حجمی جریان روغن موتور آلوده به ضدیخ در مدار روغنرسانی خواهد شد که نتیجه ای جز نرسیدن یا کم رسیدن روغن به میزان لازم به برینگ ها و سایر اجزای حساس به روغنرسانی در یک موتور درونسوز نخواهد داشت.

هـ) منابع و مآخذ:

جهت اطلاع از جزییات منابع استفاده شده در این مقاله، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله، چاپ شده در نشریه نگهداری و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس http://www.netsanews.ir توصیه می شود. 

نقش آنالیز سوخت در ارتقا کیفیت پایش وضعیت روغن های موتوری

الف) مقدمه

آنالیز سوخت یکی از تکنیک های رایج در ارزیابی سلامت سوخت مصرفی در انواع موتورهای درونسوز ثابت و متحرک به شمار رفته و شامل آزمون های اجباری و اختیاری گوناگون و متنوعی است که الزام یا عدم التزام هریک براساس نیازهای مشتری یا کارفرما یا حتی تجربیات متخصصین پایش وضعیت تغییر می کند. یکی از مواردی که همواره مورد تاکید کارشناسان مختلف در حوزه پایش وضعیت موتورهای درونسوز از طریق آنالیز روغن موتور از دیرباز قرار گرفته است، تطبیق سلامت سوخت با وضعیت روغن مصرفی در یک موتور است. اما، مگر مدارهای سوخترسانی و روغنرسانی در موتورهای درونسوز از یکدیگر مجزا نیستند؟ پس چطور ممکنست پایش وضعیت سوخت مصرفی در یک موتور (که می تواند لزوما از یک نوع نبوده و بنا به اقتضای طراحی یا الزامات کاربری از دو یا چند سوخت در یک موتور استفاده شود) روی پایش وضعیت روغن همان موتور تاثیرگذار باشد؟ تجربه نگارنده این مقاله و مطالعات انجام شده توسط کارشناسان مختلف در اقصی نقاط دنیا به دو سوال فوق این پاسخ را می دهند: علیرغم جدایی مسیر مدارات سوخت، روغن، و آب در موتورهای درونسوز از دیدگاه نظری، این سه سیال در عمل بدلایل مختلف با یکدیگر مخلوط شده و منجر به خرابی و توقف (سرد شدن) موتور یا ژنراتور می شوند. بنابراین، صرف تکیه بر نتایج آنالیز روغن بدون توجه به نتایج حاصل از آنالیز سوخت مصرفی در موتورهای درونسوز می تواند منجر به بروز خطا و تشدید حالت خرابی در این ماشین های حرارتی گردد. هرچند اختلاط و انحلال سوخت های هیدروکربنی در جریان روغن های مینرال یا حتی سینتتیک روغن های موتوری با تکیه و تاکید بر ویسکوزیته سینماتیک نمونه روغن موتور تعقیب پذیر است، اما انحلال مقادیر اندکی از سوخت در جریان روغن (بطوریکه محدوده هشدار تعیین شده برای نرم افزار پایش وضعیت روغن یا کارشناس مربوطه در حوزه ویسکوزیته و آزمون های مرتبط با آن را نقض نکند) می تواند با تکیه بر آزمون های دیگری و دقت به تغییر نتایج آنها نسبت به حالت معمول و حدود مجاز پذیرفته شده پیش از موعد بروز خرابی کشف شده و منجر به صدور دستور تعمیراتی بهنگام و نجات تجهیز مولدی مانند یک مولد نیروی نصب شده در یک نیروگاه شود.

اما، روغن چطور ممکنست با سوخت مخلوط شود؟ روغن های موتوری باید فیلمی پایدار از روغن را روی پیراهن سیلندر ایجاد کنند تا به تسهیل حرکت روان پیستون درون سیلندر کمک کنند. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، وظیفه جارو کردن و جمع آوری این فیلم از روی پیراهن سیلندر با رینگ روغن است. اما، عملکرد هرچقدر صحیح این رینگ نمی تواند ضامن عدم باقیماندن مقداری از این فیلم روی پیراهن سیلندر و احتراق و از دست رفتن آن در دهلیز احتراق پس از عملکرد رینگ آتش باشد . این عمل با کاهش ناگهانی سرعت موتور نیز تشدید می‌شود. بطوریکه با کاهش سرعت موتور، حجم بیشتری از روغن بواسطه فشار منفی شدید ایجاد شده به درون دهلیز احتراق مکیده شده و پس از سیرکولاسیون در محیط پیرامونی دو رینگ تراکم  و آتش به همراه مخلوط سوخت و هوا محترق و سپس از طریق مانیفولد دود از سیستم خارج می شود. این عمل می تواند با فرسودگی یا عدم نصب صحیح هریک از رینگ های نشان داده شده در شکل 1 و یا عدم هونینگ مناسب دیواره سیلندر تشدید شود. از آنجا که رینگ های پیستون در محیطی داغ کار می کنند (بازه دمایی 340~195°C  [1] و 700°C برای سطح تاج پیستون [2]) امکان از دست رفتن روغن موتور از طریق تبخیر روی دیواره پیراهن سیلندر در ابتدای عمر روغن بیشتر است که به تدریج و با افزایش کارکرد روغن از میزان این تبخیر کاسته خواهد شد [1].

شکل 1: شماتیکی از ساختار پیستون و رینگ های آن در برابر پیراهن سیلندر یک موتور درونسوز  [1,3-4,7-8]

همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، ذراتی از روغن موتور که به واسطه عدم توانایی رینگ روغن در جاروب صددرصدی آن وارد محدوده عملکرد دو رینگ فوقانی (شامل رینگ تراکم و رینگ آتش) گردیده، دو مسیر متفاوت پیش رو دارند:

- بخشی از آنها پس از سیرکوله شدن در اطراف رینگ تراکم و عبور از آن وارد دهلیز احتراق شده و به همراه مخلوط سوخت و هوا محترق و از طریق مانیفولد دود از سیستم خارج می شوند. این بخش منجر به آلودگی اندکی در اجزای دهلیز احتراق شده و به تدریج منجر به تشکیل جرم روی سطوح آنها خواهند شد. این جرم اگرچه آلاینده جریان روغن می تواند باشد، ولی موضوع این مقاله نیست.

- بخش دیگری از ذرات روغن حین سیرکولاسیون پیرامون رینگ تراکم (یا در برخی طرح های پکینگ پیستونی: رینگ های تراکم) در فضاهای بسیار کوچک اطراف رینگ (مابین بدنه رینگ و بدنه پیستون) گیر افتاده و پس از تحمل شوک حرارتی یا انحلال ذرات سوخت ناشی از احتراق ناقص (ناشی از روشن و خاموش شدن بسیار کوتاه موتور یا هرزگردی طولانی مدت آن در دورهای پایین [1] بویژه در هوای سرد [5]) به کارتر روغن بازخواهند گشت [1,5].

این مسیر دوم است که شانس اختلاط جریان روغن موتور به ذرات سوخت را دارد. چراکه رینگ های پیستون علاوه بر آببندی فضای پرفشار دهلیز احتراق و جلوگیری از افت فشار منجر به کاهش راندمان موتور، حرارت را نیز به از پیستون به دیواره سیلندر منتقل می کنند و از آنجا که سطح تماس بین رینگ و پیراهن سیلندر معمولا آغشته به روغن موتور بمنظور تقلیل نیروهای اصطکاکی است، این حرارت می تواند منجر به تبخیر این لایه نازک به ضخامت 5µm [4] از روغن و تسهیل انحلال آن در ذرات سوخت محترق نشده و خام ناشی از عملکرد EGR روی پیراهن سیلندر شود [3]. انحلال ذرات جامد، مایع، یا گازی سوخت در روغن موتور در فضایی پرفشار و داغ انجام شده است. بنابراین، نمی توان انتظار داشت که این انحلال، هرچند اندک و ناچیز، به تدریج خواص روغن موتور را دستخوش تغییر نکند. این تغییر به تدریج و با افزایش عمر رینگ های پکینگ پیستون تسریع خواهد شد و به دو شکل نیاز زودتر به تعویض روغن (ناشی از اکسیداسیون و افزایش یا کاهش ویسکوزیته) و افزایش مصرف روغن موتور (تبخیر روی پیراهن سیلندر) خود را عیان خواهد کرد.

هرچند مسیر دوم برای ورود ذرات سوخت به جریان روغن موتور محتمل تر به نظر می رسد، اما امکان ورود سوخت در موتورهای دیزل مجهز به DPF و EGR [3] به کارتر روغن موتور از دو طریق زیر نیز ممکن است:

- ورود سوخت دیزل به کارتر روغن در اثر تایمینگ نامناسب احتراق [5] و نقص عملکرد اجزای سیستم سوخترسانی [6]؛ یا

- عمل Post-injection سوخت در سیستم DPF [6]

مطالعات انجام شده بمنظور تعیین رابطه ایی ریاضی با هدف محاسبه و تعریف مقدار روغن موتور و سوختی که امکان اختلاط با یکدیگر را دارند با تعریف هندسه ایی بمنظور شبیه سازی حجم کنترلی و تعریف دامنه ایی برای استمداد از تکنیک CFD برای کمک به حل مساله آغاز شد. تعریف هندسه مساله در شکل 2 قابل مشاهده است.

شکل 2: تعریف هندسه دو بعدی از سیلندر و مجموعه پیستون برای حل مساله با توسل به CFD [4]

با توجه به مندرجات شکل 2، سرعت و شتاب پیستون بعنوان عامل محرک در حجم کنترلی مساله بصورت زیر قابل بیان است:

که در رابطه (1):

-  : سرعت پیستون بعنوان تابعی از زاویه میل لنگ (φ) برحسب m/s؛

-  : شتاب پیستون بعنوان تابعی از زاویه میل لنگ (φ) برحسب m²/s؛

- r: شعاع میل لنگ برحسب mm؛

- ω: سرعت زاویه ایی موتور برحسب rpm؛

- l: طول شاتون برحسب mm؛

- e: آفست محوری سوراخ گژن پین برحسب mm؛ و

- t: زمان برحسب s

از دیگر سو، می دانیم که بدنه رینگ های پیستون طی تحمل سیکل منظمی از فشار و دما، صلبیت خود را از دست داده و دراثر انعطاف پذیری حاصله طی زوایای مختلف میل لنگ، مجرایی هرچند کوچک برای عبور مقادیری از ذرات سوخت و هوا مابین بدنه رینگ ها و شیار تعبیه شده برای هریک از آنها روی بدنه پیستون فراهم می شود. بمنظور تعیین میزان نشتی سوخت و قابلیت اختلاط آن با روغن موتور در هریک از رینگ‌های آتش، تراکم، و روغن، ناگزیر از تعیین ممان پیچشی  وارده بر هریک از آنها هستیم تا میزان تغییرشکل حاصل از ایراد ممان پیچشی مذکور به هریک از رینگ ها تعیین شده و عملا سطح مقطع کانالی ناهمگن از جریان گاز فروصوتی [4] عبوری از میان فضای ایجاد شده ناشی از تغییرشکل مقطعی رینگ و بدنه پیستون تعیین گردد.

بدین ترتیب، با فرض کوچک بودن تغییرشکل های شعاعی رینگ و کوتاه بودن فواصل زمانی گسسته می توان بالانس نیروهای وارده به هریک از رینگ ها را مطابق آنچه که در شکل 1 نشان داده شده بصورت زیر نوشت:

 

که در معادله (3):

- m_r: جرم رینگ برحسب gr؛

- v: سرعت برحسب m/s؛

- F_p: نیروی ناشی از فشار کل برحسب نیوتن که خود از رابطه زیر قابل محاسبه است:

 

که در رابطه (4)، p_tot فشار کل وارده بر رینگ است که خود حاصلجمع فشار گاز، فشار هیدرودینامیک، و فشار جسم جامد بوده و برحسب GPa بیان می شود:

 

حرف A در معادله (4) نیز بیانگر سطح مقطع است که برحسب mm² بیان می شود.

- F_f: نیروی ناشی از اصطکاک برحسب نیوتن که از رابطه زیر محاسبه می شود:

 

در معادله (6)، متغیر  نیروی اصطکاکی هیدرودینامیک است که بصورت زیر محاسبه می گردد:

متغیر  در رابطه شماره (7) بیانگر تنش برشی دیواره وارده بر رینگ است که از رابطه زیر قابل حصول است:

که در رابطه شماره (8)،  بیانگر گرادیان سرعت نرمال بوده و  نیز متوسط ویسکوزیته دینامیک مخلوط گاز و روغن است که در مورد سیالات عامل دوفازی مطرح شده و از رابطه زیر حساب می شود:

در رابطه شماره (9)، α بیانگر کسر حجمی از هر فاز تشکیل دهنده سیال عامل است. از مقدار متوسط ویسکوزیته دینامیک با کاهش کسر حجمی روغن در این سیستم دو فازی از سیال عامل کاسته می شود و ازین رو، شگفت آور نخواهد بود اگر تنش برشی و نیروی اصطکاک هیدرودینامیک (به ترتیب، معادله های 7 و 8) نیز با کاهش سهم روغن در این سیستم سیال عامل دوفازی کاهش یابند.  در رابطه شماره (6) نیز بیانگر نیروی اصطکاک مرزی است که از رابطه زیر محاسبه می شود:

که در رابطه شماره (10)، fc ضریب اصطکاک مرزی برابر با 0.1، pc فشار متوسط روی ناهمواری های سطح تماس، و Ac مساحت محل تماس رینگ و پیستون تعریف شده و بصورت تابعی از ارتفاع گپ و برابر با مقطع وجه تماس رینگ با بدنه پیستون یا به عبارت دیگر: مساحت جانبی رینگ فراتر از ارتفاع بحرانی گپ یا h_cr (شکل 1 را ببینید) شده و با رابطه زیر قابل بیان است:

- F_m: نیروی اینرسی برحسب نیوتن که بصورت حاصلجمع نیروهای جرم و اینرسی ناشی از شتاب گرانشی g و شتاب پیستون  تعبیر شده و از رابطه زیر قابل استحصال است:

- F_r: نیروی کششی شعاعی برحسب نیوتن که تابعی از نیروی مماسی رینگ پیستون یا F_t بوده و از رابطه زیر محاسبه می گردد:

- K_d: سختی خمشی برحسب mN؛ و

- s: لقی/کلیرنس گپ انتهایی برحسب mm

در صورتیکه تغییرشکل های شعاعی رینگ در حد میکرومتر باقی بمانند، می توان از تغییرات حاصله در نیروی کششی  ناشی از سختی خمشی نشان داده شده در معادله (3) صرفنظر کرد.

نیروهای خارجی می توانند موجب پیچش رینگ ها در شیار تعبیه شده برای آنها در بدنه پیستون نیز شوند. پیچش رینگ بر دینامیک آن تاثیرگذار بوده و نحوه عبور ذرات روغن و گاز (مخلوط هوا و ذرات معلق سوخت) نیز تابعی از آن می باشد. این پیچش که با زاویه پیچش یا θ قابل بیان است، از مولفه ایی بنام زاویه پیچش استاتیک یا θs (شکل 1 را ببینید) تاثیر می پذیرد که این تاثیر می تواند شامل بهبود یا تضعیف خواص روغنرسانی، بالانس روغن، اصطکاک، و ثبات دینامیکی هریک از رینگ های پیستون شود. پیچش رینگ با توسل به رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در رابطه (15):

- I_r: ممان اینرسی وارده بر رینگ؛

- θ: زاویه پیچش برحسب min؛

- M_t: ممان پیچشی کل که خود حاصلجمع سه ممان زیر است:

که در رابطه شماره (16)، M_p ممان حاصل از فشار، M_f ممان ناشی از نیروی اصطکاک، و M_c ممان حاصل از فشار تماس است. در واقع، M_t حاصلجمع ممان های M_i است که بر نقاط گسسته C_i تاثیرگذار بوده و با ضرب بردارهای مکانی r_i در بردار نیروی F_i محاسبه می‌شوند:

بردار مکانی r_i مندرج در رابطه (17) بعنوان تفاضل بردار مکانی نقطه تاثیر نیرو C_i و نقطه مرکزثقل یا CG رینگ تعریف می شود:

و بردار F_i نیز بعنوان حاصلجمع تمامی نیروهای موثر بر نقطه گسسته C_i قابل بیان است.

- K_t: سختی پیچشی رینگ که برای یک رینگ کامل و با سطح مقطعی مستطیلی [7] بصورت زیر محاسبه می شود:

که در رابطه شماره (19)، E مدول الاستیسیته رینگ پیستون (GPa)، b ارتفاع محوری مقطع رینگ پیستون (mm)، d قطر داخلی رینگ (mm)، و D قطر خارجی رینگ (mm) هستند.

بدین ترتیب، و با معلوم بودن خواص دینامیکی هریک از رینگ های تشکیل دهنده پکینگ مجموعه پیستون و سیلندر می توان با توسل به تکنیک CFD و تمسک به یکی از منطق های گسسته سازی حل مساله FEM [3] یا FVM [4] استخراج رابطه‌ایی ریاضی و محاسبه دبی جرمی مخلوط هوا و سوخت (با عنوان کلی «گاز») عبوری از گپ هریک از رینگ ها امکانپذیر خواهد بود. در این راستا، ابتدا لازمست مطابق شکل 3، هندسه مساله به هفت حجم کنترلی تقسیم شده و ضمن تعریف اُریفیس هایی بمنظور تحلیل و محاسبه دبی جرمی سیال عبوری از هریک، رابطه‌ایی تعمیمی در جهت محاسبه دبی جرمی روغن در تناسب با دبی جرمی گاز حاصل شود:

شکل 3: گسسته سازی هندسه مساله، تعریف اُریفیس ها، و محاسبه دبی های جرمی CFD و تحلیلی [3-4,7]

بدین ترتیب، دبی جرمی روغن عبوری از گپ هریک از رینگ های نشان داده شده در شکل 3 را بصورت تعمیمی از رابطه زیر بدست آورد:

که در معادله شماره (20):

-  : دبی جرمی روغن موتور عبوری از حجم کنترلی i به حجم کنترلی j برحسب L/min [4] یا gr/hr [7]؛

-  دبی جرمی گاز (مخلوط سوخت و هوا) عبوری از حجم کنترلی i به حجم کنترلی j برحسب lit/min [4] یا gr/hr [7]؛

-  : دانسیته روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب gr/mL؛

-  : ویسکوزیته دینامیک روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب Pa.s؛

-  : ضخامت متوسط فیلم روغن موتور در حجم کنترلی i برحسب µm؛ و

-  : کلیرنس/لقی پیستون در حجم کنترلی i برحسب mm

نمونه ایی از تقریب سرعت جریان سیال دوفازی در هندسه مساله با توسل به CFD-FEM در شکل 4 نشان داده شده است:

شکل 4: کانتور سرعت جریان سیال عامل دوفازی (بدون واحد و تعمیمی) در بخش های مختلف هندسه مساله [3]

همانگونه که در کانتور شکل 4 مشهود است، کمترین سرعت جریان سیال دوفازی عامل قبل از رینگ آتش و در اطراف رینگ تراکم رخ داده و این جریان دوفازی با رسیدن به رینگ روغن و با عبور از آن به بیشترین مقدار خود می رسد. از دیدگاه دینامیک سیالات محاسباتی، ذرات سوخت می توانند از میان فضای بین رینگ روغن و شیار پیستون بیرون کشیده شده و به پیراهن سیلندر برخورد می کنند (شکل 5b را ببینید) و بمحض اینکه ذره ایی از سوخت پخ شیار رینگ روغن (شکل 3) را به اندازه ایی ترک کند که قادر به ایجاد مسیری برای عبور گاز به سمت خروج از حجم کنترلی باشد، سرعت گاز به سرعت افزایش یافته و آن ذره از سوخت را به سوی پیراهن سیلندر می کشد (شکل 5c).

شکل 5: شبیه سازی CFD-FEM از مراحل مختلف نحوه نشت ذرات سوخت (قهوه ای در زمینه آبی رنگ به نشانه هوا) از گپ مابین رینگ روغن (مشکی) و پخ شیار پیستون (خاکستری) و برخورد آن به پیراهن سیلندر (طوسی)؛ جهت حرکت هندسه با فلش سبزرنگ نشان داده شده است [3]

همانطور که در شکل 5d مشخص است، ذرات کوچکتر سوخت به رینگ روغن و پخ شیار آن می چسبند؛ اما باقی کسر حجمی سوخت به محض برخورد با پیراهن سیلندر (علیرغم دمای 400°K مفروض برای آن [3]) به سطح آن چسبیده و به آرامی به سمت خروج از هندسه مساله (کارتر روغن) حرکت می کنند (شکل 5h) [3].

با این تفاسیر، تماس بین دو سیال سوخت و روغن در موتورهای درونسوز به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم قابل تصور است:

الف) تماس مستقیم: که شامل ورود مستقیم و مداوم کسری از حجم مدار سوخترسانی به مدار روغن بوده و وقوع چنین سناریویی از خرابی مستلزم تیز شدگی/خوردگی هر یک از رینگ های پیستون (شکل های 1 و 6)، عدم تنظیم پمپ و سوزن انژکتور، یا حتی ورود روغن روانکار پمپ به جریان سوخت ناشی از خرابی اورینگ های آن بعنوان رایجترین دلایل است. در چنین حالتی، وقوع آلودگی روغن موتور به سوخت محرز بوده و با علائم بارزی چون کاهش نقطه اشتعال خودبخودی، شاخص TBN، و افت شدید ویسکوزیته سینماتیک در نقطه دمایی 40°C مشخص و تعریف می گردد؛

نمونه ایی از نتایج آنالیز روغن در حالت تماس مستقیم سوخت و روغن موتور، صرفا با تکیه بر افت شدید نقطه اشتعال و ویسکوزیته سینماتیک و بدون کاهش محسوس در آنالیز عناصر، در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 6: مسیرهای محتمل بمنظور تقابل ذرات سوخت و روغن [3]

ب) تماس غیرمستقیم: که شامل تماس لحظه ایی و نامنظم کسری از حجم تزریقی سوخت به محفظه احتراق بدلیل خروج از تنظیم سوزن انژکتور است. در این حالت از خرابی، سوخت بجای پودر شدن بصورت و شکل قطرات ریز مایع روی سطح داغ پیستون پاشیده شده و منجر به پدیده سوختگی تاج پیستون می گردد (شکل 6 را ببینید). این حالت از تماس سوخت و روغن موتور با علائم خفیفی چون کاهش نامحسوس نقطه اشتعال و نه لزوما ویسکوزیته سینماتیک همراه است [2]. لذا طبیعی است که وقوع آلودگی روغن موتور به سوخت در این حالت از طریق آزمون‌های روتین برای کارشناس پایش وضعیت مسجل نباشد. اما می توان با توسل به برخی تکنیک های تجربی و از طریق دقت در الگوی نوسان و نمو عناصر گزارش شده از نمونه روغن به وقوع چنین سناریویی از آلودگی پی برد.

نمونه آنالیز روغن در حالت تماس غیرمستقیم سوخت و روغن موتور، صرفا با مشاهده تغییر الگوی نمو عناصر، در شکل 8 مشهود است.

شکل 7: نمونه ایی از نتیجه آنالیز روغن موتور کامیون کمپرسی حاکی از وقوع تماس مستقیم سوخت و روغن [2]

نکته بارز در شکل 3، اشتباه در تفسیر حضور عنصر سیلیسیم (Si) در نتیجه آزمون آنالیز موتور قایقی است. این آزمون که براساس روش مندرج در استاندارد ASTM D6595 انجام شده و به RDE موسوم است، خیز بالایی را در الگوی نمو سیلسیم (Si) را گزارش کرده است که آزمایشگاه محترم طی تفسیری نادرست، آثار مشاهده شده از عناصر آهن (Fe)، مس (Cu)، و سرب (Pb) را به وقوع فرسایش و ورود گردوخاک به جریان روغن موتور این قایق نسبت داده است. حال آنکه خیز مشاهده شده در نمو عناصر فوق به جدا شدن بخشی از لایه سیلیکون کاربید بکار رفته در ساختار تاج پیستون موتور [2] بوده و با ورود گردوخاک در یک موتور دریایی بی ارتباط است.

بنابراین، می توان به این نتیجه رسید که خصوصیات شیمیایی، فیزیکی، و مکانیکی سوخت مصرفی در یک موتور درونسوز می تواند بر نتایج حاصله از آزمون های متناظر در روغن همان موتور تاثیرگذار باشد. هرچند، میزان این تاثیرگذاری بسته به نوع آزمونی که برای پایش وضعیت روغن در نظر گرفته می شود می تواند متغیر باشد و حتی بسته به نوع سوخت مصرفی در موتور درونسوز مورد مطالعه تغییراتی را نسبت به حالت های معرفی شده در این مقاله (بخصوص در بخش حدود مجاز برای هر آزمون) شامل خواهد شد.

بر این اساس، اختلاط سوخت با روغن موتور در سه حالت قابل طبقه بندی است:

- حالت مجاز: که شامل انحلال حداکثر 2% سوخت [9] در حجم استانداردی از نمونه روغن موتور (مثلا 100cc) بوده و اثر آلودگی سوخت بر رفتار روغن موتور از طریق مطالعه تاثیر خواص قهری سوخت (که در ادامه تعریف شده اند) بر مشخصات نظیر به نظیر آن در روغن موتور خلال یک برهه زمانی خاص و تعریف شده (معروف به پنجره زمانی) قابل کشف بوده و هشدار تعمیراتی در حد الزام به تنظیم سوخت و سوپاپ مکفی خواهد بود؛

شکل 8: نمونه ایی از نتایج آنالیز روغن موتور قایق حاکی از وقوع تماس غیرمستقیم سوخت و روغن موتور [2]

- حالت مرزی: که شامل انحلال 2~5% از سوخت [9] در حجم استاندارد نمونه روغن موتور بوده و معمولا به سطح بالاتری از هشدار تعمیراتی مبنی بر بازدید از نقاط بالقوه نشت سوخت و معاینه صحت عملکرد ادوات آببندی مدار سوخت و محفظه احتراق ختم می گردد. در حالت مرزی، عمدتا نیازی به سرد کردن موتور نیست و اختلاط مرزی سوخت و روغن موتور با توسل به آزمون های معلوم کننده خواص تحمیلی سوخت قابل کشف و حل و فصل به شمار می رود؛

- حالت آسیب: که شامل اختلاط بیش از 5% درصد [9] از حجم نمونه روغن موتور به سوخت مصرفی بوده و با تغییرات شدید در خواص فیزیکی و مکانیکی روغن موتور (به ترتیب، مانند دانسیته و ویسکوزیته سینماتیک) عیان می گردد. در چنین مرحله ایی، موتور باید سرد شده و سلامت هر یک از برینگ های میل لنگ، پیراهن سیلندر، و سایر ادوات حساس به ضخامت فیلم روغن اعم از برینگ های توربوشارژر و... از نظر آسیب دیدگی ناشی از افت ویسکوزیته روغن مورد بررسی قرار گیرند.

این مقاله با هدف مروری بر این آزمون های آنالیز سوخت موثر بر نتایج آنالیز روغن های موتوری و پیشنهادهایی برای ارتقا کیفیت پایش وضعیت آنها نگاشته شده است. در ادامه به معرفی رایجترین آزمون های آنالیز سوخت پرداخته و تاثیر یا عدم تاثیر هریک بر نتایج آنالیز روغن موتوری پرداخته شده است.

ب) تاثیر متقابل آنالیز سوخت و آنالیز روغن موتور

آنالیز سوخت شامل مجموعه ایی از آزمون ها است که به روشن شدن خواصی از سوخت منجر می شوند که تاثیر نتایج حاصل از آنها بر پایش وضعیت یک روغن موتوری در قالب دو مفهوم قابل بیان است:

- خواص قهری: که با آزمون هایی در آنالیز سوخت آشکار می شوند که بعنوان خواص ذاتی سوخت و به همراه آن به مالک تجهیز تحویل شده و کنترل یا بهبود آنها در بضاعت پایش وضعیت تجهیز نیست. این دسته از خواص سوخت بیشتر شامل حضور برخی از آلاینده های محیطی مانند شن و ماسه و گردوغبار، ترکیبات آبدار، یا عناصری مانند آلومینیوم (Al) و سیلیس (Si) ناشی از زنجیره تولید، انتقال، و نگهداری آن بوده و بر کیفیت سوخت مستقیما موثرند. خواص قهری منجر به تخریب زودهنگام موتور گشته و از طریق تکنیک های پایش وضعیت قابل مشاهده و تشخیص هستند، اما قابل کنترل نیستند.

- خواص تحمیلی: که با آزمون هایی در آنالیز سوخت و سپس مقایسه آنها با تغییرات حاصله در خواص روغن موتور قابل تشخیصند که با توسل به تکنیک های پایش وضعیت هم قابل تشخیص و هم قابل بهبود محسوب می شوند. چنین خواصی معمولا با اختلاط سوخت و روغن (حتی در مقیاس میکروسکوپیک) به نتایج آنالیز روغن موتور تحمیل می شوند.

بنابراین، در زمان مطالعه و تفسیر نتایج آنالیز سوخت و مقایسه آنها بر آنالیز روغن باید توجه کرد که با کدام مفهوم روبرو هستیم؟ جدول 1 نمایه‌ایی از آزمون های رایج در آنالیز سوخت را ارائه می دهد که در حالت عادی و معمول برای یک نمونه سوخت از آزمایشگاه معتمد درخواست شده و حاوی تقسیم بندی آزمون ها به دو مفهوم قهری یا تحمیلی بر نتایج آنالیز روغن موتوری است. البته تعیین نوع آزمون و استاندارد ناظر بر روش انجام آن بنا به تشخیص و صلاحدید کارشناس پایش وضعیت تجهیز درونسوز متغیر است و ممکن است همه یا بخشی از آزمون های مندرج در جدول 1 را شامل شود. قدر مسلم، آن قسمتی از آزمون های مورد اشاره در جدول 1 در این مقاله مورد بررسی بیشتر قرار گرفته و به جزییات آنها پرداخته خواهد شد که بر نتایج آنالیز روغن (براساس شانس اختلاط نشان داده شده در مقدمه این مقاله) تاثیرگذار محسوب شوند. این بخش از آزمون های تاثیرگذار بر نتایج حاصل از پایش وضعیت روغن در جدول 1 مشخص شده اند.

جدول 1: آزمون های آنالیز سوخت

ب-1) آزمون ICP

سبقه بکارگیری آنالیز عناصر حاضر در یک نمونه هیدروکربنی (اعم از سوخت، روغن، و...) به سال های دهه 40 و 50 قرن بیستم [10,11] و در صنایع ریلی بمنظور تعیین میزان حضور عناصر فلزی حاصل از فرسایش در روغن های موتور دیزلی بازمی گردد. از آنزمان تاکنون، تکنیک های آنالیز عناصر قادر به تعیین غلظت حضور بیش از 30 عنصر مختلف جدول تناوبی در نمونه سوخت/روغن هستند [10].

بطورکلی، سه تکنیک طیف سنجی نشر اتمی در آنالیز عناصر رایج است که شامل:

- آزمون ICP که مخفف Inductively Coupled Plasma [10-12,15] بوده و گاه با عنوان ICPE نیز شناخته شده و در دو استاندارد ASTM D5185 و ASTM D4951 [11] تعریف شده است. با این حال، از آنجا که استاندارد ASTM D4951 در تشخیص انواع ادتیوهای حاضر در ساختار شیمیایی انواع روانکار از طریق آنالیز عناصر تشکیل دهنده آنها کاربرد دارد، از چشم انداز این مقاله خارج شده و در مقاله پیش رو تنها به ASTM D5185 بعنوان روش آزمون ICP اشاره خواهد شد؛

- آزمون RDE یا Rotating Disc Electrode [10-11,15] که براساس استاندارد ASTM D6595 [2] انجام می شود؛ و

- آزمون RFS یا Rotrode Filter Spectroscopy [2,11,15]

تقریبا تمامی آزمایشگاه های غیرنظامی آنالیز روغن دو تکنیک ICP و RDE را در سبد خدمات خود دارند [10] و تنها اختلاف عمده این دو تکنیک در روش تبخیر نمونه و برانگیزش اتمی آن با تکیه بر یک منبع پرانرژی است [10,15]. هرچند ICP و RDE هردو تکنیک هایی هم‌خانواده در تعیین ترکیب عناصر حاضر در یک نمونه هیدروکربنی محسوب می شوند، اما کاربرد این دو تکنیک در عمل بسیار متفاوت است. چراکه تکنیک ICP مستلزم آماده سازی نمونه دریافتی، بکارگیری تجهیزات بسیار پیشرفته آزمایشگاهی، و پرسنل زبده و آموزش دیده است؛ اما RDE بی‌نیاز از آماده سازی نمونه بوده و تنها باید شرایط دمایی پایداری برای تست برقرار باشد. این بدان معنیست که نه تنها می توان از RDE در محیط های صنعتی بهره برد، بلکه حتی در سایت های دورافتاده یا حتی کفِ کارگاه نیز می توان از این تکنیک در آنالیز روغن یا سوخت استفاده کرد. از آنسو، تکنیک ICP می تواند حضور عناصر شیمیایی در یک نمونه هیدروکربنیک را با غلظت کوچکتر از مقیاس ppm تشخیص داده و عنصر گوگرد (S) را بعنوان یک تست روتین گزارش دهد [10]. هرچند، آزمایشگاه های غیرنظامی حضور تا 20 عنصر شیمیایی را در گزارش آنالیز خود اظهار می کنند [11]، اما تکنیک RDE ذاتا قادر به تشخیص 32 عنصر شیمیایی بوده [10] و تکنیک ICP نیز قادر به کشف 40 عنصر شیمیایی [16] در نمونه سوخت یا روغن صنعتی است.

با این وجود، مهمترین موضوع در آنالیز روانکار یا سوخت و در عین حال، آنالیز خرابی ماشین آلات و تجهیزات صنعتی، نارسایی ذاتی دو تکنیک ICP و RDE در تشخیص ذرات معلق در نمونه با اندازه های بزرگ است. این محدودیت در صورت بهره گیری از تکنیک RDE به کشف ذراتی در نمونه روانکار/سوخت با قطر کمتر از 8µm [17] تا 10µm [2,10-11,15] منجر شده و در صورت توسل به تکنیک ICP، ذراتی با قطر کمتر از 3µm [17] تا 5µm [2,10,15] نیز قابل تشخیص و گزارش خواهند بود. بدین ترتیب، در صورت شکستگی تکه ایی از یک قطعه در مقیاس میلیمتری یا آلودگی جریان سوخت یا روغن موتور به ذرات جامد معلق درشتتر از 10µm، عملا تشخیص وجود چنین ذراتی با توسل به تکنیکی مانند RDE یا ICP امکانپذیر نیست.

طی موردکاوی که در 2002 و توسط آزمایشگاه آنالیز روغن ESKOM (افریقای جنوبی) بمنظور مقایسه عملکرد دو تکنیک ICP و RDE در آنالیز عنصر آهن (Fe) در یک نمونه روغن واحد از یک تجهیز با نتایج تست PQ انجام شد، نمودار زیر حاصل شده است:

شکل 9: نمودار مقایسه نتایج سه آزمون ICP (قرمز)، RDE (آبی)، و PQ (مشکی) از عنصر آهن (Fe) در یک نمونه روغن کارکرده [18]

همانگونه که در شکل 9 مشهود است، هرچه مقدار شاخص PQ (برحسب mg/L Fe) برای نمونه روغن بالاتر می رفته، اختلاف بین نتایج حاصله از دو تکنیک RDE و ICP (برحسب ppm) بیشتر می‌شده است [18]. برای حل این مشکل، تکنیک RFS در سال 1992 پیشنهاد شد که با توسل بدان امکان تشخیص ذراتی با قطر بزرگتر از 25µm [2,11] فراهم می گردد. هرچند، RFS با 12 عنصر دامنه کشف عناصر کمتری در قیاس با RDE و ICP دارد، اما هزینه پایینتری نسبت به RDE و مخصوصا ICP داشته و در کشف رفتار سایشی روغن در کنار آزمون های فرّوگرافی می تواند مفید باشد [2]. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که تکنیک RDE برای آنالیز روغن نو یا کارکرده ابزاری مناسبتر و برای آنالیز سوخت، تکنیک ICP ابزاری قابل اعتمادتر است.

این نتیجه گیری براین حقیقت استوار است که در تکنیک ICP عدم تشخیص ذرات خیلی زودتر از RDE فرا می‌رسد؛ بنابراین، استفاده از ICP بمنظور آنالیز ذرات فرسایشی حاضر در نمونه روغن تجهیزاتی که فاقد فیلتراسیون داخلی در مدار روغنرسانی خود باشند (مانند برخی گیربکس ها و کمپرسورها) توصیه نمی شود [18]. اما در مورد موتورها که در مدار روغنرسانی خود فیلتر دارند استفاده از تکنیک ICP بلامانع است. هرچند، توصیه بر اینست که آنالیز سوخت و آنالیز روغن (نو و کارکرده) هر دو براساس یک تکنیک واحد (یعنی ICP) انجام شود تا تاثیر خواص تحمیلی سوخت بر عملکرد روغن موتور مشاهده پذیری بیشتری برای کارشناس پایش وضعیت داشته باشد.

بنا به تعریف، آزمون ICP عبارتست از تخلیه پلاسمایی پرحرارت از یک گاز یونیزه شده جاری در تعدادی لوله که مسیر آنها از میان میدان مغناطیسی بگذرد که توسط یک سیم پیچ باردار القا شده باشد [12]. با توسل به این آزمون می توان سه گروه از عناصر حاضر در یک نمونه سوخت یا روغن موتور را تعیین کرد:

- عناصر فلزی حاصل فرسایش [12]: این عناصر شامل عناصر حاضر در آلیاژ قطعات تشکیل دهنده موتور، اعم از سیلندر، پیستون، چرخدنده ها، شفت ها، رینگ ها، برینگ ها، و انواع ولو بوده و از طریق فرسایش (بعنوان پدیده ای اجتناب ناپذیر حین کارکرد موتور) وارد جریان روغن موتور می شوند. افزایش غلظت این عناصر همراه با افزایش عمر روغن موتور همواره مورد انتظار است. اما، افزایش ناگهانی هریک از آنها پیش از اتمام دوره مصرف روغن و فرارسیدن زمان تعویض یا تعمیرات اساسی می تواند مایه نگرانی و زنگ خطر باشد [19]. از میان عناصر فلزی حاصل فرسایش، چهار عنصر فلزی آهن (Fe)، سرب (Pb)، نیکل (Ni)، و وانادیوم (V) در آنالیز سوخت نیازمند بررسی بیشتر هستند. جدول 2 جزییات بیشتری را ارائه کرده است.

جدول 2: عناصر فلزی حاضر در آنالیز سوخت موثر بر آنالیز روغن که با عنوان عناصر فلزی حاصل فرسایش شناخته می شوند

نکته مهم در استناد به جدول 2 آن است که مقادیر نشان داده شده بعنوان محدوده پذیرش (ستون آخر از سمت راست) شامل مقادیری است که در نتایج آنالیز روغن قابل مشاهده است. بنابراین، در تطبیق نتایج آنالیز سوخت با آنالیز روغن موتور، خروج مقادیر این عناصر فلزی در نتایج آنالیز روغن موتور از این محدوده باید مورد توجه قرار گیرد.

- عناصر فلزی آلاینده [12]: عناصر آلاینده آن بخشی از عناصر فلزی حاضر در ترکیب شیمیایی انواع سوخت هستند که بدلایلی چون نقص عملکرد آببندهای موجود در ساختار موتورهای درونسوز به جریان روغن موتور راه می یابند [19]. این عناصر آلاینده فلزی شامل نیکل (Ni)، وانادیوم (V) [20,22]، آلومینیوم (Al)، منیزیم (Mg)، و سیلیسیم (Si) [9] هستند. عناصر نیکل و وانادیوم در ترکیب شیمیایی برخی از سوخت ها مانند مازوت  به فراوانی یافت شده [20-21,23] و در صورتیکه در تولید گازوییل و بنزین از فرآیند کراکینگ کاتالیزوری استفاده شده باشد، احتمال وجود مقادیر معتنابهی از آلومینیوم، منیزیم، و سیلیسیم در نتایج آنالیز عناصر آن بالا می رود [9]. بنابراین، هرگونه خروج از محدوده قابل پذیرش برای این پنج عنصر اغلب فلزی (نیکل، وانادیوم، آلومینیوم، منیزیم، و سیلیسیم) در نتایج آنالیز روغن موتور می تواند به معنی آلودگی جریان روغن به سوخت تلقی شود.

- عناصر تشکیل دهنده ادتیوها [12]: این عناصر عامدانه و بمنظور بهبود خواص عملکردی روغن های موتوری در ترکیب شیمیایی آنها قرار داده شده [19] و مهمترین آنها که باید در فرآیند تطابق نتایج آنالیز سوخت موثر بر آنالیز روغن موتور بدان توجه شود عنصر گوگرد (S) است. گوگرد یکی از عناصر تشکیل دهنده روغن های پایه مینرال بوده و تقریبا در تمامی روغن های موتوری مینرال یافت می شود. در عین حال، استفاده از گوگرد در ساختار شیمیایی ادتیوهای AW و ضد خوردگی کاملا رواج دارد. حد قابل پذیرش برای عنصر گوگرد (S) در نتایج آنالیز روغن های موتوری در بازه 500 ~ 6000ppm قرار داشته و تغییر آن باید بصورت هارمونیک با عناصری چون کلسیم (Ca) و روی (Zn) باشد [20]. از آنجا که گوگرد یکی از عناصر شاکله انواع سوخت های مینرال محسوب شده و در ساختار آنها به فراوانی یافت می شود، هرگونه خروج این عنصر از بازه فوق و عدم رفتار هارمونیک گوگرد در تناسب با کلسیم و روی می‌تواند فرضیه آلودگی جریان روغن به سوخت را قوت بخشد.

ب-2) آزمون عدد گوگرد

همانطور که بالاتر بیان شد، گوگرد بخش جدایی ناپذیر انواع سوخت ها و روغن های هیدروکربنی محسوب شده و در طول موج های 180.73، 182.04، و 182.62 نانومتر قابل شناسایی در آزمون ICP است [20]. ورود گوگرد سوخت به جریان روغن منجر به پدیده ایی بنام سولفاسیون می شود که ناشی از آلودگی جریان روغن و تمرکز بیش از حد گوگرد در آن بدلیل انحلال سوخت غنی از گوگرد در روغن موتور بوده [19] و پدیده ایی خسارت بار است که منجر به مشکلات خوردگی در ساختار موتور می شود که بیشتر ناشی از تشکیل اسیدهای گوگرددار است [9,2]. حد پذیرش گوگرد در آنالیز روغن های موتوری در بازه 500 ~ 6000ppm قرار می گیرد که نحوه محاسبه آن در بند های 13.2 و 13.3 منبع شماره [24] درج شده است. افزایش عدد گوگرد در آنالیز روغن عمدتا به دو دلیل است: آلودگی سوخت و اکسیداسیون روغن. طی فرآیند احتراق در موتورهای درونسوز، کیفیت احتراق پایین سوخت موجب تولید ترکیبات سولفوردار و نیتروژن دار در محصولات احتراقی خواهد شد که در نهایت، تلفیق شیمیایی این محصولات با ترکیبات هیدراته (آبدار) و اکسیژنه (در حضور حرارت و فشار)، موجب تولید کامپاندهای اسیدی قوی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک خواهد شد که توسط جریان روغن جمع آوری شده و منجر به اسیدی و خورنده شدن آن می گردند [25,9]. به همین دلیل، مجموعه ایی از ادتیوهای حاوی کامپاندهای قلیایی قوی به ساختار شیمیایی روغن های موتوری اضافه می شوند تا حمله این کامپاند های اسیدی را خنثی کنند. اما، از آنجا که حضور این ترکیبات اسیدی همیشگی و گاه با شدت و ضعف همراه است، مقدار عدد قلیایی روغن (BN) به مرور زمان دچار افت خواهد شد. از سوی دیگر، واکنش دهی کامپاندهای اسیدی و قلیایی موجب تشکیل نمک های معدنی خواهد شد که به مرور و در ترکیب با اسیدهای چرب روغن منجر به تشکیل لجن و وارنیش خواهد شد که به محصولات اکسیداسیون روغن معروف هستند [25]. از آنجا که عدد گوگرد در سوخت تحویلی به تجهیز موجب تحمیل برخی خواص در روغن موتور می گردد، برای مقابله با چنین شرایطی، راهکارهایی از طرف واحد های پایش وضعیت قابل ارائه است. از جمله اینکه در موتورهای ریلی (دیزلی سنگین) به جهت اجتناب از تحمیل خسارت ناشی از گوگرد بالای سوخت، درجه حرارت آب در جدار سیلندر باید بالاتر از 79.5°C نگه داشته شود. این موضوع بدان معنیست که هرگز نباید چنین لکوموتیوهایی را بدون ترموستات (یا با ترموستات معیوب) گرم کرده و راهی سیر کرد. در عین حال، در صورت بالا بودن عدد گوگرد در سوخت تحویلی، باید از کارکرد درجا یا شانتینگ طولانی مدت لکوموتیوها نیز اجتناب کرد [9]. عدد قلیایی (BN) یا عدد قلیایی کل (TBN) یکی از شاخص های بسیار مهم در پایش وضعیت روغن های موتوری محسوب شده [18] و حد پذیرش آن در بازه 5 ~ 15 قرار می گیرد [25]. بدین ترتیب، عدد گوگرد حاصل از آنالیز سوخت باید در تناسب با کاهش مقدار عدد قلیایی روغن موتور (بعنوان یک رفتار تحمیل شده از طرف سوخت) پایش شود.

ب-3) آزمون شمارش ذرات

هدف از این آزمون اندازه گیری سایز و تعداد ذرات جامد معلق در نمونه سوخت و گزارش دهی حضور آنها براساس فرمت ارائه اطلاعات در استاندارد ISO 4406 است [19,26]. هرچند بازه اندازه گیری سایز ذرات از 4 ~ 200µm است [26]، اما گزارش دهی براساس استاندارد ISO 4406 براساس سه سایز 4، 6، و 14µm می باشد که با دو اسلش از یکدیگر جدا شده باشد [19]. در موتورهای دیزل خودرویی، عدم تکمیل چرخه بازتولید سوخت در فیلترها موجب ورود مقدار معتنابهی از سوخت خام به جریان روغن موتور می گردد. ورود سوخت به جریان روغن در موتورهای دریایی، اما، بیشتر ناشی از عدم عملکرد صحیح انژکتورهای سوخترسانی (عمدتا بدلیل نشتی یا اتمیزاسیون نامناسب) است. بدین ترتیب و با ورود حجم مشخصی از سوخت خام و مصرف نشده به جریان روغن، ذرات جامد همراه سوخت که اغلب از جنس گرد و غبار، آلاینده های محیطی، فلزات ساینده، آب، و مایع خنک کننده (ضد یخ، ضد جوش، نالکو، و...) هستند [27]. بنابراین، اطلاع از سایز و تعداد ذرات جامد معلق در سوخت مصرفی موتور از طریق آزمون شمارش ذرات می تواند در تناسب و مقایسه با نتایج گزارش آزمون شمارش ذرات روغن موتور کارکرده تصویر واضحتری از پایش وضعیت روغن موتور بدست دهد.

ب-4) آزمون آب و رسوبات

هرچند تبیین حضور رطوبت و ترکیبات هیدارته در نمونه روغن های موتوری با توسل به آزمون کارل-فیشر معمول است [19]، اما میزان آبدار بودن و به تبع آن رسوبات ناشی از حضور آب در انواع سوخت با استفاده از سانتریفیوژ رواج دارد که برای سوخت های رقیق (مانند بایودیزل) براساس استاندارد ASTM D2719 [28] و برای سوخت های غلیظ (مانند انواع گازوییل) براساس استاندارد ASTM D1796 [29] انجام می‌پذیرد. با وجود تفاوت در روش آزمون، ورود آب و رسوبات همراه سوخت به جریان روغن تغییر مسلمی در رفتار رئولوژیک آن ایجاد می‌کند: تغییر ویسکوزیته. تغییر ویسکوزیته روغن موتور در اثر اختلاط سوخت آنقدر مهم است که بعنوان مثال در موتورهای توربوشارژ بنزینی، ورود سوخت به جریان روغن موتور می تواند تا 30 درصد در افت ویسکوزیته آن موثر باشد [27]. هرچند روش هایی مانند پایش تغییر عناصری چون سدیم (Na) و منیزیم (Mg) در آنالیز عناصر تشکیل دهنده نمونه روغن موتور برای تشخیص بروز آلودگی آب و رسوبات ناشی از آن در جریان روغن های موتوری پیشنهاد شده است [27]، اما، بهترین شاخص برای دستیابی به درک صحیحی از ریسک ورود آب حاضر در نمونه سوخت به جریان روغن های موتوری تغییر ویسکوزیته سینماتیک آن است. بدین ترتیب، در کنار تطبیق نتایج آنالیز سوخت در زمینه میزان حضور آب و رسوبات در سوخت مصرفی، هرگونه تغییر در ویسکوزیته روغن موتور می تواند بعنوان هشداری بر تغییر خواص رئولوژیک آن در نظر گرفته شود. در جدول 3 دو محدوده بحرانی و هشدار برای ویسکوزیته روغن های موتوری ارائه شده است:

جدول 3: محدوده بحرانی و هشداری برای تغییر ویسکوزیته سینماتیک روغن موتور [30]

ج) نتیجه گیری

با توجه به ریسک ترکیب و اختلاط دو سیال عامل جاری در دو مدار سوخترسانی و روغنرسانی موتورهای درونسوز، توجه به خواص برگزیده از ترکیب شیمیایی و آلاینده های محیطی همراه سوخت طی چند آزمون استاندارد می تواند کمک شایانی به ارتقا کیفیت پایش وضعیت روغن های موتوری کند. از میان 10 ردیف آزمونی که برای تعیین سلامت انواع سوخت های موتوری لازم است، 4 آزمون آنالیز عناصر (به تفکیک عناصر درج شده در جدول 2)، عدد گوگرد، شمارش ذرات، و آب و رسوبات حاصل از آن می توانند روی نتایج آنالیز روغن موتور تاثیری بیشتر از سایر آزمون ها داشته باشند. بنابراین، تطبیق نتایج حاصل از این چهار آزمون می تواند در دستیابی به تصویری واضحتر از سلامت روغن موتور با توسل به تکنیک های آنالیز روغن بسیار مفید باشد.

د) منابع و مآخذ:

جهت اطلاع از جزییات منابع استفاده شده در این مقاله، مراجعه به نسخه چاپی این مقاله، چاپ شده در نشریه نگهداری و تعمیرات در صنایع نفت، گاز، و پتروشیمی به آدرس http://www.netsanews.ir توصیه می شود.