روغن موتورهای دیزلی تحت شرایط سخت عملیاتی

از سال۱۹۹۰ به این سو، توجه بیشتر به مسائل زیست محیطی و نقش آلاینده های منتشر شده توسط موتورهای دیزلی با سطح کارآیی API CF-۴، CG-۴ ، یکی از اساسی ترین اهرم ها در ارتقای سطح کارآیی این دسته از روغن های موتوری تلقی شده است.
عدد۴ در این دسته بندی معرف کاربرد این روغن ها در موتورهای چهار زمانه است. در سال۱۹۹۷ آژانس حفاظت از محیط زیست (Environmental Protection Agency، EPA) شرایط میزان انتشار آلاینده هایی مانند NOX و ذرات معلق را با هدف کاهش این میزان تاسال۲۰۱۰ به میزان ۰/۲ (brake horsepower) برای NOX و ۰/۰۱ برای ذرات معلق در موتورهای دیزلی وسایل نقلیه جاده ای محدودتر کرد. (bhp میزان توان خالص موتور است که در شفت خروجی از موتور اندازه گیری شده است.) همچنین برای کنترل بیشتر میزان آلاینده ها، این آژانس میزان مجاز گوگرد در سوخت های دیزلی مورد استفاده در وسایل نقلیه جاده ای (به میزان مجاز۱۵ppm در سال۲۰۰۶) و ماشین آلات راهسازی و معدن (از۵۰۰ppm به۱۵ppm تا سال۲۰۱۰) را نیز محدودتر کرده است. افزایش تقاضای استفاده از روغن هایی با کارکرد بیشتر و همچنین نقش کنترل و تنظیم دمای موتور و کارتر در طراحی موتورهای کنونی و موتورهای آینده از جمله عواملی هستند که برای دست یابی به هدف کاهش میزان انتشار آلاینده ها و استفاده از روغن موتورهایی با سطح کارآیی بالاتر تأثیر به سزایی دارند.
● توسعه روغن موتوری و چشم اندازهای آن
از اوایل ژانویه۲۰۰۷ استاندارد میزان مجاز انتشار NOX توسط موتورهای دیزلی جاده ای ۱/۲ و برای ذرات معلق ۰/۰۱ معرفی شده است. تا سه سال آینده، میزان مجاز آلاینده NOX مسیر نزولی را طی می کند تا به میزان مجاز مورد نظر در سال۲۰۱۰ منتهی شود. این امر با توجه بیشتر سازندگان موتور روی کاهش این آلاینده امکان پذیر می شود با شروع سال۲۰۰۶ میزان مجاز گوگرد در سوخت های دیزلی۱۵ppm اعلام شد چرا که حضور گوگرد به انتشار بیشتر ذرات آلاینده منجر می شود.
برای دست یابی به این حد از آلاینده ها، سازندگان موتور از شیوه های مختلفی استفاده می کنند، مانند بهره گیری بیشتر از چرخه
گازهای سرد شده اگزوز (Exhaust Gas Recirculation، EGR) و استفاده از وسایلی که روی کیفیت گازهای خروجی اگزوز تأثیر دارند (فیلترهای کاتالیستی و کاتالیست های اکسید کننده).
این فعالیت ها در تولید روغن موتورهای جدید با کارکرد بیشتر در نظر گرفته شده اند تاضمن کنترل آلاینده های خروجی، روی کاتالیست ها و فیلتر اثر منفی نداشته و موجب بسته شدن فیلترها و یا بی تأثیر شدن نقش کاتالیست ها نشوند.
همچنین به عنوان یک روانکار مناسب باید مانع از تشکیل رسوب روی پیستون شده، دوده را در خود حمل کرده، خاصیت ضدکف داشته و در اثر تنش، از افت ویسکوزیته کمتری برخوردار باشند. برای رسیدن به این اهداف انستیتو ملی نفت آمریکا (API) با مشارکت انجمن تست و مواد آمریکا (ASTM) و سازندگان موتور، نسل جدیدی از روغن موتورهای دیزلی با سطح کارآیی API CJ-۴ را برای سال۲۰۰۷ طراحی کرده اند.
● استراتژی کنترل آلاینده ها در سال۲۰۰۷
شرکت های کامنیز، دیترویت دیزل، اینترنشنال ناوی استار، ماک و ولوو آمریکای شمالی از تکنیک هایی مانند استفاده از EGR تاحد۳۵-۳۰ درصد گازهای خروجی از موتور و تله های جذب ذرات برای حذف دوده و ذرات آلاینده استفاده می کنند.
همچنین شرکت کاترپیلار از تکنیک پیشرفته کاهش آلاینده های ناشی از احتراق (ACERT) ، پروسه پیشرفته احتراقی که القای گاز پاک نام دارد، تهویه گازهای موتور و فیلترهای جذب ذرات ناشی از سوخت استفاده
می کند. در پروسه القای گاز پاک (CGI) از یک EGR کنترل شده، یک سیستم بسته تهویه گازهای موتور و سیستم فیلتر جذب ذرات ناشی از سوخت دیزلی با قابلیت استفاده مجدد، استفاده می شود. CGI موجب هدایت گازهای خروجی عاری از دوده از قسمت پایینی فیلتر جذب ذرات و ورود این گاز تمیز به یک سیستم جذب می شود.
این گاز تمیز فاقد ذرات ناشی از سایش موتور بوده و پایین بودن دمای گاز خروجی از سیستم جذب، به پایین آمدن میزان آلاینده NOX در خروجی کمک می کند. فیلتر جذب ذرات از فن آوری فیلتر جریان - دیواره ای (Walled - Flow) بهره می گیرد. برای احیای این فیلترها از پروسه اکسیداسیون استفاده می شود که موجب جدا شدن دوده های چسبیده به دیواره های داخلی فیلتر می شود. برای کمک به احیای این فیلترها گاز را گرم می کنند. موتورهای کاترپیلار با توان۵۰۰ اسب بخار و یا کمتر، تنها به یک فیلتر جذب ذرات ناشی از سوخت دیزلی نیاز دارند. موتورهایی با توان۵۵۰ اسب بخار یا بیشتر از دو دستگاه فیلتر جذب ذرات بهره می گیرند.
تمام سازندگان نمونه موتور از یک سیستم بسته تهویه گازهای موتور برای حذف بخارات مضر تولید شده در موتور استفاده می کنند. این بخارات توسط یک سیستم مکش جذب شده و به عنوان بخشی از سوخت در پروسه احتراق می سوزد که این فرآیند به مراتب از آزاد کردن این بخارات در هوا بهتر است.
● فیلترهای جذب ذرات
فیلترهای جذب ذرات ناشی از سوخت های دیزلی (DPF) وسایل جانبی هستند که برای حذف ذرات معلق موجود در گازهای خروجی از اگزوز تا میزان۹۰ درصد بکار می روند. این فیلترها غالباً متخلخل بوده و از جنس سرامیک مقاوم در برابر دماهای بالا و یا پکینگ های سرامیکی آمیخته با فلزات ساخته شده اند.
این فیلترها به روش فیزیکی موجب جذب ذرات خروجی از گازهای ناشی از احتراق شده و از فرار آن به هوا از طریق لوله اگزوز ممانعت به عمل می آورند.
با بالا بردن دما و سوزاندن ذرات جذب شده روی سطح فیلترها از بسته شدن فیلترها جلوگیری می شود. این فرآیند احیای فیلترها نام دارد. فرآیند احیا بطور متوالی و یا پیوسته انجام می گیرد که طی آن با استفاده از یک گرم کن برقی، گرمای مورد نیاز تأمین و با بهره گیری از تزریق مقدار اندکی از سوخت و یا گازهای خروجی به داخل فیلتر، ذرات جذب شده روی سطح فیلتر سوزانده شده و با ایجاد جریانی برخلاف جهت خروج گازها، هرگونه مواد باقی مانده و یا خاکستر، برای دور ریز وارد یک مخزن می شود. در فرآیند احیا به کمک تجهیزات کنترلی می توان شرایط دستگاه و سوخت را به طور همزمان تحت مراقبت قرار داد. آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) برای فیلترهای جذب ذرات ناشی از سوخت های دیزلی، کارکرد اولیه قبل از احیای آنها را۱۵۰/۰۰۰ مایل و میزان کارکرد نهایی آنها را۴۵۰/۰۰۰ مایل ذکر می کند.
● تأثیر استراتژی کاهش آلاینده ها
به طور حتم، موتورهای تولیدی سال۲۰۰۸ قیمت بیشتری خواهد داشت. انتظار می رود فیلترهای جذب ذرات و تجهیزات وابسته به آن، قیمت کامیون ها را۶ تا۱۰ هزار دلار افزایش دهد. سرویس فیلترهای جذب ذرات که در هر۱۵۰/۰۰۰ مایل انجام می شود هر بار حدود۱۵۰ دلار هزینه دارد. سوخت های دیزلی با گوگرد مجاز حدود۱۵ppm، قیمت بیشتر و در عین حال ارزش حرارتی پایین تری دارند که این موجب افزایش مصرف سوخت می شود.
انتظار می رود در موتورهای تولیدی سال۲۰۰۸ علاوه بر تولید دوده بیشتر، دمای کارکرد موتور و همچنین دمای گازهای خروجی که مجدداً به موتور برگشت داده می شوند (EGR) ، از میزان تعریف شده بیشتر شود که این امر موجب داغ تر شدن موتور شده و ضرورت استفاده از یک روغن موتور با پایداری عالی در برابر اکسیداسیون را دو چندان می کند. برای حفظ تجهیزات جانبی مانند سیستم های کاتالیستی و فیلترها، روغن موتور باید دارای خاکستر سولفاته، گوگرد و فسفر کمتری بوده و در عین حال وظایفی از قبیل محافظت عالی قطعات موتور مانند پیستون، قدرت حمل دوده، خاصیت ضدکف و افت ناچیز ویسکوزیته در اثر تنش را به خوبی انجام دهد.
● سطح کارآیی API CJ-۴
سطح کارآیی API CJ-۴ آخرین سری از روغن موتورهایی است که برای وسایل نقلیه تحت شرایط سخت عملیاتی بهینه شده اند. معرفی سطح کارآیی CJ-۴ در سال۲۰۰۶ آغاز و در اکتبر۲۰۰۶ مشخصات آن مورد تأیید رسمی قرار گرفت. برای اطمینان از عدم تأثیر سوء روی دستگاههای جانبی مانند فیلترها و کاتالیست ها، برای اولین بار در خصوص موتورهای دیزلی تحت شرایط سخت عملیاتی، محدودیت های میزان مواد شیمیایی در سوخت وضع شد. محدودیت های موجود در این سطح کارآیی که برای مواد و عناصری مانند خاکستر سولفاته، فسفر و گوگرد (SAPS) وضع شده، عبارتند از:
▪ خاکستر سولفاته، حداکثر۱ درصد براساس ASTM D۸۷۴
▪ فسفر، حداکثر۰/۱۲ درصد براساس ASTM D۴۹۵۱
▪ گوگرد حداکثر۰/۴ درصد براساس ASTM D۴۹۵۱ یا ASTM D۲۶۲۲
همچنین در این سطح کارآیی میزان مجاز فراریت براساس شیوه تست ASTM D۵۸۰۰ حداکثر۱۳ درصد تعیین شده است.
منبع حضور SAPS در روغن موتور، مواد افزودنی و یا روغن های پایه است. این ترکیبات بطور عمده به عنوان افزایش دهنده زمان کارکرد روغن موتور، حفظ عدد بازی، محافظت در برابر سایش، اکسیداسیون، خوردگی و تشکیل موارد رسوبی روی پیستون عمل می کند. هرچند SAPS در بهتر شدن عملکرد روغن تأثیر به سزایی دارد اما مشکلاتی را نیز در موتورهای کنونی به وجود آورده و تطابق میزان مجاز آنها با شرایط موجود، در طراحی های آینده(سال۲۰۱۰) باید در نظر گرفته شود.
در این بین، بیشترین توجه نسبت به میزان مجاز خاکستر سولفاته در گازهای خروجی است که تأثیر مستقیمی روی عملکرد فیلترهای جذب ذرات ناشی از سوخت های دیزلی دارد.

منبع : ماهنامه نفت پارس