Mikroskopijni pomocnicy
Pixabay/KrzysiekHistoria nanotechnologii zaczyna się w okolicach roku 1962, kiedy próbowano stworzyć pierwsze nanodiamenty. Udało się je uzyskać za pomocą kontrolowanych wybuchów w zbiornikach wysokociśnieniowych wypełnionych węglem. Powstałe cząsteczki o wielkości od 4 do 10 nanometrów odzyskiwano później z powstałej w wybuchu sadzy.
- W silnikach spalania wewnętrznego około 15–20% energii jest tracone na skutek tarcia współpracujących ze sobą elementów metalowych
- Kolejne straty powodowane są przez samą lepkość oleju
- Coraz mniejsza lepkość niesie za sobą niebezpieczeństwo zbyt szybkiego zerwania filmu olejowego
- Nanocząstki działają jak miliony mikroskopijnych kulek, które wypełniają przestrzeń pomiędzy ruchomymi częściami metalowymi
- Dodatki ceramiczne nie działają jak łożysko między dwoma powierzchniami, lecz wytwarzają warstwę o mniejszym współczynniku tarcia
Odzyskiwane z sadzy nanodiamenty okazały się świetnym dodatkiem do środków smarnych. Dzięki nim smar odporny był na bardzo niskie i wysokie temperatury oraz na naciski. Jednak koszt pozyskania tego materiału był na tyle wysoki, że tylko organizacje rządowe mogły sobie na to pozwolić, więc nanodiamenty początkowo zaczęto stosować jako dodatek do środków smarnych używanych w przemyśle kosmicznym. Dopiero po zakończeniu zimnej wojny nanodiamenty znalazły zastosowanie w przemyśle cywilnym. Ich roczna produkcja w 2008 roku wynosiła 8 ton. Dziś rynek dodatków nanotechnologicznych wart jest kilka miliardów rocznie.
Nanotechnologia w silniku?
W silnikach spalania wewnętrznego około 15–20% energii jest tracone na skutek tarcia współpracujących ze sobą elementów metalowych. Dzieje się tak dlatego, ponieważ mamy do czynienia z tarciem na miejscu styku pierścieni tłokowych i cylindra, tłoka i cylindra, wałka rozrządu w jego podstawie. Kolejne straty powodowane są przez samą lepkość oleju, który trzeba przepompowywać, aby dostarczyć do węzłów, gdzie wymagane jest smarowanie. Aby zmniejszyć straty, stosuje się oleje o coraz mniejszej lepkości, których przepompowywanie pochłania znacznie mniej energii. Coraz mniejsza lepkość niesie za sobą niebezpieczeństwo zbyt szybkiego zerwania filmu olejowego, więc konieczne stało się stosowanie dodatkowych pakietów przeciwzużyciowych i dodatków uszlachetniających.
W roli dodatku poprawiającego odporność na naciski i tarcie doskonale sprawdzają się takie związki chemiczne, jak dwusiarczek molibdenu (MoS2) oraz dwusiarczek wolframu (WS2). Charakteryzuje się on bardzo niską siłą przyciągania międzycząsteczkowego, co powoduje znaczne obniżenie tarcia wewnętrznego zachodzącego w oleju. Dodatkowo cząsteczki te wnikają w mikrorysy powstające podczas obróbki powierzchni metalowych, wypełniając je, co wpływa na zmniejszenie tarcia współpracujących ze sobą elementów. Ogólną cechą nanocząsteczek jest to, że nie łączą się one w skupiska i tworzą w oleju zawiesinę, która nie jest wyłapywana przez filtr i nie odkłada się w kanałach olejowych.
Źródło: Ben Mills/domena publicznaNanocząstki działają jak miliony mikroskopijnych kulek, które wypełniają przestrzeń pomiędzy ruchomymi częściami metalowymi, przylegając do wszelkich – nawet mikroskopijnych – nierówności. Ich cechy fizyczne można porównać do warstw cebuli. Na skutek nacisku łuszczą się, przylegając do przesuwających się powierzchni, a między nimi pozostawiają po złuszczeniu mniejszej średnicy „kulkę”. Złuszczona warstwa przylega do powierzchni, tworząc tak zwany tribofilm, który chroni części metalowe zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych, a co za tym idzie – redukuje tarcie i zużywanie się części w warunkach smarowania granicznego.
Wadą dwusiarczku molibdenu jest natomiast jego rozpad w temperaturze 500°C, co może mieć miejsce na przykład w momencie narażenia filmu olejowego na działanie płomienia podczas spalania paliwa w cylindrze. Po przekroczeniu tej temperatury cząsteczki utleniają się, tworząc trójtlenek molibdenu.
Nie tylko molibden
Kolejnym związkiem z dziedziny nanotechnologii jest dwusiarczek wolframu (WS2), który jest znacznie bardziej wytrzymały na działanie wysokich temperatur. Jego degradacja następuje dopiero w temperaturze 1250°C. Związek ten w postaci nanocząsteczek (zawiesiny w bazie olejowej) jest składnikiem dodatków do olejów silnikowych i przekładniowych. Zawiesina ta zwana jest nanoolejem fulerenowym i – podobnie jak w przypadku dwusiarczku molibdenu – można dzięki niej uzyskać znaczną redukcję tarcia. Dwusiarczek wolframu (WS2) jest jednym z najbardziej smarnych materiałów znanych nauce. Mając współczynnik tarcia 0,03, zapewnia doskonałą smarność na sucho – nieosiągalną dla żadnych innych substancji. Może być stosowany w wysokiej temperaturze i przy wysokich ciśnieniach roboczych. Odrębne struktury nanocząsteczek i ich niewielki rozmiar powodują, że przylega on do porowatości powierzchni. W odróżnieniu od innych warstw cząstek stałych, takich jak grafit czy dwusiarczek molibdenu, cząstki dwusiarczku wolframu charakteryzują się nierozszczepianiem struktury sferycznej, która gwarantuje idealny poślizg między powierzchniami.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Ogólnie nanotechnologia w olejach silnikowych opiera się na 60-atomowej sferze zwanej z ang. „Bucky Ball” (dwudziestościan ścięty), która na poziomie atomu wygląda jak piłka futbolowa. Przy zastosowaniu konwencjonalnych olejów mikroskopijne nierówności występujące na powierzchni metalu oddziałują wzajemnie na siebie i w konsekwencji odrywają się. To właśnie te szczeliny wypełniane są przez nanocząsteczki, które, działając podobnie do miliardów kulek łożyskowych, tworzą na poziomie atomowym jednolitą powierzchnię, pozwalającą na przetaczanie się po niej pozostałych nanocząsteczek. Przypomina to zasadę działania łożyska kulkowego.
Dodatki ceramiczne
Wśród dodatków do olejów smarnych można znaleźć ostatnio bardzo popularne dodatki ceramiczne. Ich zadanie jest takie samo jak każdego innego dodatku – zmniejszyć tarcie między współpracującymi metalami. Jednak sposób, w jaki one działają jest już inny, niż w przypadku dwusiarczków molibdenu i wolframu. Nie tworzą one zjawiska „łożyska” między powierzchniami, ale wytwarzają one warstwę o mniejszym współczynniku tarcia. W związku z tym działanie dodatku ceramicznego nigdy nie będzie widoczne od razu po wlaniu go do silnika, musi on być rozprowadzony po wnętrzu silnika wraz z olejem w trakcie pracy. Na skutek temperatury i porowatości powierzchni, do których przylega, dodatek ten utrzymuje się na powierzchni metalu dłużej niż film olejowy. W związku z tym sami producenci dodatków zalecają stosowanie ich nie przy każdej wymianie oleju, ale na przykład co drugą, lub co określony przebieg podany w kilometrach.
Czy dodatki do olejów działają?
Dodatki do olejów mają taką samą rzeszę przeciwników co zwolenników. Co prawda można kupić gotowe oleje, w których producent już umieścił pakiet dodatków z dwusiarczkiem molibdenu (Liqui Moly Leichtlauf) lub oleje zwane ceramicznymi ze względu na zawarty w nich pakiet dodatków ceramicznych (Xenum, Michel), ale…
Tutaj dochodzimy do momentu, w którym ciężko jest potwierdzić skuteczność działania danego dodatku lub jednoznacznie jej zaprzeczyć. Nie da się zaprzeczyć fizyce: dodatek dwusiarczku molibdenu czy dwusiarczku wolframu zmniejsza tarcie. Dodatek ceramiczny – też. Należy jednak pamiętać, że każdy silnik zużywa nieznaczne ilości oleju, więc dodatki te będą także w postaci związków chemicznych (związki siarki, związki molibdenu) wyłapywane przez katalizatory i filtry DPF. Oczywiście ich ilość jest tak nieznaczna, że użytkownik samochodu raczej nie zwróci na to uwagi. Problem może zacząć się wyolbrzymiać w przypadku nadmiernego zużycia oleju. Ale w takiej sytuacji wlanie nawet najlepszego oleju z najbardziej skomplikowaną technologią zmniejszającą tarcie i polepszającą pracę silnika po prostu nie pomoże i nie zastąpi koniecznego remontu lub naprawy.
O Autorze
