مهار کاویتاسیون لایه مرزی با مخلوط آب و گلیکول؛ راهکاری برای جلوگیری از حفره‌زایی در بوش سیلندر دیزل

موتورهای دیزلی سنگین برای تحمل فشارهای حاصل از احتراق داخلی شدید طراحی شده‌اند، با این حال دیواره بوش‌های چدنی آن‌ها اغلب نه از درون، بلکه از سمت مجرای خنک‌کاری آسیب می‌بیند. عامل این تخریب، گرما یا فشار گازهای احتراق نیست، بلکه ریزانفجارهای ناشی از فروپاشی حباب‌های آب در لایه مایع پیرامون سیلندر است.[3]

این پدیده که تحت عنوان کاویتاسیون لایه مرزی شناخته می‌شود، آسیب‌پذیری ساختاری رایجی در موتورهای مجهز به بوش سیلندر تر است. نیروهای دینامیکی پیستون در این سازه‌ها سبب می‌شوند بوش با فرکانس‌هایی تا ۱۵,۰۰۰ هرتز دچار ارتعاش شود و ضربات متناوبی به سیال خنک‌کننده پیرامون خود وارد کند.[1][2][3]

عدم کنترل این ارتعاشات به شکل‌گیری امواج ضربه‌ای موضعی می‌انجامد که لایه به لایه ساختار چدن را تخریب کرده و در نهایت سوراخ‌های عمیقی در بدنه بوش ایجاد می‌کنند. راهکار مقابله با این پدیده، افزایش ضخامت دیواره نیست، بلکه در کنترل دقیق دینامیک و خواص شیمیایی سیال خنک‌کننده نهفته است.[2][3]

مهندسان شیمی با فرمولاسیون دقیق مخلوط آب و اتیلن گلیکول به همراه افزودنی‌های ویژه، مانع از تشکیل گسترده این حباب‌ها شده و از شدت تخریب لحظه فروپاشی آن‌ها می‌کاهند؛ لایه‌ای سیال که نقشی تعیین‌کننده در تداوم فعالیت پیشرانه‌های سنگین دارد.[3]

مکانیک پدیده کوبش پیستون

ریشه این فرایند تخریبی به کورس احتراق پیستون بازمی‌گردد. با حرکت رفت و برگشتی پیستون، گشتاور چرخشی میل‌لنگ از طریق شاتون به نیروی رانش جانبی تبدیل شده و بر دیواره سیلندر اعمال می‌شود.[1]

وجود لقی میکروسکوپی میان پیستون و دیواره داخلی سیلندر، موجب حرکات نوسانی جانبی پیستون می‌شود. این پدیده که حرکت درجه دوم یا «کوبش پیستون» نام دارد، ضربات مکانیکی مداومی به دیواره وارد می‌آورد.[1][2]

هنگامی که پیستون به سطح بوش تر برخورد می‌کند، این تکانه مستقیماً از ضخامت چدن عبور کرده و به سیال خنک‌کننده در سمت دیگر منتقل می‌شود. در نتیجه، بوش دچار خمش لحظه‌ای به سمت بیرون شده و با بازگشت سریع خود، ارتعاشات شدیدی در سیال ایجاد می‌کند.[1]

پژوهش‌های منتشرشده توسط انجمن مهندسان خودرو (SAE) نشان می‌دهد که همین ارتعاشات سریع، محرک اصلی آغاز کاویتاسیون هستند؛ زیرا نوسان فلز، نوسانات فشاری شدیدی در لایه مرزی سیال مجاور دیواره بوش به وجود می‌آورد.[1]

فیزیک کاویتاسیون در لایه مرزی

با دور شدن لحظه‌ای دیواره بوش از سیال، خلاء موضعی در لایه مرزی شکل می‌گیرد. کاهش ناگهانی فشار به سطحی کمتر از فشار بخار مایع سبب می‌شود سیال خنک‌کننده بلافاصله بجوشد و حباب‌های بخار تشکیل شوند.[2][3]

کسری از میلی‌ثانیه بعد، دیواره بوش در جریان ارتعاش به سمت سیال بازمی‌گردد و بر این حباب‌های نوبنیاد فشار وارد می‌کند. این حفره‌های بخار تحت فشار فزاینده ساختار خود را از دست داده و با شدتی چشمگیر فرو می‌پاشند.[2]

فروپاشی هر حباب به شکل‌گیری میکروجت‌هایی از مایع با سرعت ۱۰۰ تا ۲۰۰ متر بر ثانیه منتهی می‌شود. فشار ضربه‌ای این ریزجریان‌های موضعی بر سطح فلز می‌تواند به ۱۴۵,۰۰۰ پوند بر اینچ مربع (psi) برسد.[3]

برای مقایسه، اوج فشار حاصل از احتراق درون سیلندر این موتورها معمولاً از ۳,۰۰۰ پوند بر اینچ مربع فراتر نمی‌رود. به بیان دیگر، حباب‌های فروریخته در سمت خنک‌کاری، فشاری نزدیک به ۵۰ برابر احتراق داخلی بر چدن وارد می‌کنند.[3]

در هر ثانیه میلیون‌ها ریزضربه‌ از این دست بر بدنه سیلندر فرود می‌آید. تحلیل‌های فنی منتشرشده در نشریه تخصصی Machines نشان می‌دهد این تخریب‌ها متمرکز بوده و عمدتاً در محدوده‌ای عمودی به طول ۲۶ میلی‌متر در مجاورت آب‌بند پایینی بوش رخ می‌دهند.[2]

استمرار این ضربات میکروسکوپی در طول زمان به خستگی ماده، کنده شدن ذرات چدن و ایجاد حفرات لانه‌زنبوری در عمق فلز می‌انجامد. نفوذ این حفرات به جداره داخلی، راه نفوذ آب به محفظه احتراق را باز کرده و موتور را به طور کامل از کار می‌اندازد.[2][3]

نقش گلیکول در تغییر رفتار فشار بخار

مهار این سازوکار فرسایشی مستلزم دستکاری خواص فیزیکی سیال است. استفاده از مخلوط مساوی آب و اتیلن گلیکول به عنوان لایه دفاعی پایه، رفتار سیال را در مواجهه با ارتعاشات دیواره دستخوش تغییر اساسی می‌کند.[3]

پایه گلیکولی علاوه بر کاهش چشمگیر نقطه انجماد، نقطه جوش مخلوط را در فشار اتمسفر تا حدود ۱۰۸ درجه سانتی‌گراد و تحت فشار درپوش رادیاتور تا ۱۳۰ درجه افزایش می‌دهد که نقشی کلیدی در مهار کاویتاسیون دارد.[3]

با تعدیل فشار بخار و افزایش نقطه جوش، مایع خنک‌کننده تنها در فشارهای به مراتب پایین‌تر به نقطه جوش می‌رسد؛ امری که آستانه تشکیل حباب ناشی از ارتعاش بوش را به شدت محدود می‌کند.[3]

با این حال، اصلاح خواص فیزیکی سیال به تنهایی برای حذف کامل کاویتاسیون در موتورهای دیزلی با نسبت تراکم بالا کافی نیست. شدت ارتعاشات مکانیکی چنان بالاست که همواره بخشی از حباب‌ها تشکیل شده و در تماس با دیواره فرو می‌پاشند.[1][3]

لایه محافظ شیمیایی و اثر فداشونده

از همین رو، سامانه‌های خنک‌کننده موتورهای سنگین نیازمند افزودنی‌های تکمیلی هستند تا از سطح فلز محافظت کنند. نمک‌های معدنی همچون نیتریت‌ها و مولیبدات‌ها از محوری‌ترین ترکیبات در این زمینه به شمار می‌روند.[3]

این ترکیبات پس از تزریق، با سطح چدنی بوش سیلندر واکنش داده و فیلم اکسیدی بسیار نازک، اما مقاومی پدید می‌آورند که پدیده غیرفعال‌سازی سطح فلز (Passivation) را محقق می‌سازد.[3]

این لایه شیمیایی نقشی فداشونده دارد. هنگام فروپاشی حباب کاویتاسیون، امواج ضربه‌ای با لایه اکسیدی برخورد می‌کنند نه فلز پایه؛ ضربه‌ای که تنها فیلم شیمیایی را فرسایش می‌دهد و بدنه چدن را مصون نگه می‌دارد.[3]

تا زمانی که غلظت افزودنی‌ها در سیال در محدوده مجاز باشد، نیتریت‌ها و مولیبدات‌ها فوراً بخش‌های آسیب‌دیده را بازسازی می‌کنند؛ چرخه‌ای مداوم از تخریب و ترمیم که آسیب‌های مکانیکی را مستهلک می‌سازد.[3]

گذار به فناوری اسیدهای آلی (OAT)

در گذشته، اپراتورهای ناوگان ناچار بودند وضعیت این ترکیبات را به طور منظم پایش کنند، زیرا نیتریت‌ها در برابر حرارت بالا حساس بوده و به سرعت کارایی خود را از دست می‌دادند که این مسئله خطر آسیب به بوش را افزایش می‌داد.[3]

تشدید استانداردهای آلایندگی به بازنگری در ساختار شیمیایی سیالات انجامید. در موتورهای مجهز به سامانه بازچرخانی گازهای اگزوز (EGR)، بار حرارتی تحمیل‌شده بر مایع خنک‌کننده تا ۳۰ درصد افزایش یافته که مصرف نیتریت را به شدت تسریع می‌کند.[3]

صنعت در واکنش به این چالش، سیالات مبتنی بر فناوری اسید آلی نیتریت‌دار (NOAT) و اسیدهای آلی خالص (OAT) را توسعه داد. این ترکیبات حاوی اسیدهای آلی پایدار در برابر حرارت هستند که به نقاط مستعد خوردگی نفوذ کرده و لایه‌های آب‌گریز محافظ تشکیل می‌دهند.[3]

تلفیق کنترل فشار بخار توسط گلیکول و حفاظت شیمیایی هدفمند به کمک اسیدهای آلی، امکان محافظت از بوش‌های تر را تا ۱۲,۰۰۰ ساعت کارکرد فراهم ساخته و بقای ساختاری بلوک موتور را در برابر تنش‌های درونی تضمین می‌کند.[3]