کاربرد فناوری نانو در خودرو

کاربرد فناوری نانو در خودرو

 

در صنعت خودرو، تایرها بطور قطع بیشتری قابلیت را برای بکارگیری نانو فناوری دارند. امروزه سودهای میلیاردی از صنعت تاثیر سازی بدست می آید. با این وجود، تایرها یک محصول با تکنولوژی بالا به حساب می آیند که پیشرفت این صنعت همچنان ادامه دارد.

بکارگیری ذرات در ابعاد نانو باعث بهبود کیفیت و اطمینان بالای اتاق خودرو می شود.

1)تایرهای پیشرفته ساخته شده از دوده نانو ساختار

موادی که نقش مهمی در خواص تایرها ایفا می کند مخلوط لاستیک می باشد. این مواد کارکرد پوشش تایر که در تماس با جاده است را مشخص می کنند. معمولاً 30 درصد پوشش شامل مواد پر کننده و تقویت کننده است که خواص مطلوب برای مقاومت در برابر خراش، مقاومت در برابر پارگی اولیه و انتشار پارگی را تامین می کند.

برای بهینه سازی تایرها، عملیات ضد و نقیضی می بایست انجام شود.از یک طرف باید چسبندگی تایر با سطح جاده مطلوب و از طرف دیگر مقاومت چرخشی آن تاحد امکان پایین باشد. بعلاوه لازم است که در برابر سایش مقاوم باشند. همچنین به دلیل خاصیت ضد لغزش از سر خوردن وسیله نقلیه جلوگیری کنند.

چگونگی مکانیزم ایجاد خواص این تایرها که درمواردی با هم در تناقض هستند یک نوع فعل و انفعال پیچیده فیزیکی و شیمیایی بین لاستیک و ماده پر کننده است. در شکل 1 می توان مقطعی که توسط شرکت Dunlop طراحی شده و بالاترین تقاضا را در بین تولید کنندگان دارد مشاهده کرد.

ویژگی تایر ذکر شده Runonflat بودن آن است بدین معنی که پس از پنچری تا حداقل 160 کیلومتر با سرعت پایین km/h90 می توان رانندگی کرد.

سه نوع ماده ای که نقش مهمی در بهبود خواص لاستیک طبیعی دارند عبارتند از دوده، سیلیکا و اورگانوسیلان. دوده که ترکیب دقیق آن محرمانه است، به مخلوط لاستیک اضافه می شود همچنین سیلیکا به همراه اورگانوسیلیکا برای تشکیل پیوند شیمیایی به این مخلوط افزوده می شود. ابعاد ذرات سیلیکا و دوده پس از تولید در محدوده نانومتر می باشد. اندازه و شکل ذرات همچنین پیوند داخلی بین مولکول های لاستیک طبیعی ، نقش کلیدی در خواص تایر را ایفا می کند.

دوده و سیلیکا که هر دو مهمترین تقویت کننده شیمیایی در تایر ها هستند ، عملکردهای متفاوتی دارند : سیلیکا نقش بالاتری در خودوهای مسافربری دارد، در حالیکه دوده در خودروهای همگانی مورد استفاده است. با استفاده از دوده نانو ساختار به عنوان یک پر کننده تایر ، بازدهی مصرف سوخت افزایش یافته و دوام لاستیک بیشتر می شود. این ذرات جدید، سطح خشن تری نسبت به موارد مصرفی گذشته دارند. به دلیل افزایش انرژی سطحی نانو ذرات ، فعل و انفعال بین مولکول های لاستیک طبیعی زیاد می شود. این امر منجر به کاهش اصطکاک داخلی و بنابر این بهتر شدن مقاومت چرخشی لاستیک می شود. همزمان ارتعاشات کرنشی  که برای مواد در سرعت های بالا اتفاق می افتد کاهش می یابد. نتیجه اینکه اصطکاک

مطلوبی به ویژه در جاده های مرطوب  به وجود می آید.

2)رانندگی راحت با مواد هوشمند

در طراحی شاسی خودرو همیشه یک تضاد بین راحتی و ایمنی وجود دارد. یک شاسی نرم به مقدار قابل توجهی راحت است از طرف دیگر نوع سفت آن ایمن و سالم می باشد. در سیستم های تعدیل ، سختی بهینه بسته به موقعیت ، قابل تنظیم است.

هسته سیستم های تعدیل ، سیال الکترومکانیکی یا مغناطیسی MR/ER است که به عنوان مواد هوشمند شناخته می شوند. در این سیالات ، ویسکوزیته می تواند  به سرعت گام به گام و بطور معکوس به کمک یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی تغییر کند. این تاثیر بر پایه این حقیقت است که ذرات قطبی شده در زیر لایه سیال ، در امتداد خطوط میدان آرایش یافته و یک زنجیر تشکیل می دهند. بنابر این اثر ویسکوزیته افزایش می یابد که به معنای بالا رفتن مقاومت جریان سیال است. اگر میدان مغناطیسی حذف شود، زنجیره ها تجزیه شده و سیال دوباره رقیق می گردد. شکل 2 بطور شماتیک کنترل ویسکوزیته با استفاده از یک میدان الکتریکی را نشا می دهد. همانطور که مشاهده می شود پس از اعمال جریان ، ذرات قطبی در امتداد مثبت و منفی میدان قرار می گیرند.

این تغییر می تواند به سرعت اتفاق بیافتد. در زمان های میلی ثانیه یک سال می تواند به یک ژل چسبنده تبدیل شود. یک نوع روغن خاص Fludicon قاد است 1500 بار بر ثانیه بین فازهای جامد و سیال تغییر کند. این سرعت ها بویژه برای سیستم های هیدرولیکی جالب توجه است در حالیکه امروزه سیستم های فشار بالای پیشرفته تنها قادر به تغییر 400- 500 بار در ثانیه هستند. مزیت دیگر نسبت به روش های سنتی این است که سیستم های جدید می توانند ساده تر و فشرده تر ساخته شوند.

همچنین به اجزای مکانیکی کمتری نیاز دارند که نتیجه آن کاهش وزن خودرو است. Fludicon از این خواص برای طراحی شیرهای بدون اجزای متحرک استفاده کرده است. زمینه های کاربرد کلاسیک در خودرو عبارتند از ضربه گیر ها، دنده و غیره. در زمینه بکاراندازنده، رویای یک شاسی فعال می تواند به زودی محقق گردد. به عبارت دیگر شاسی می تواند فعال شود که حتی در یک جاده ناصاف نیز راننده بدون مشکل حرکت خواهد کرد.

سیستم دیگر ، سیستم حمل ونقل Adaptronic می باشد که برای نگهدار  وسیله نقلیه در سراشیبی و سطوح ناصاف طراحی شده است.

موتور خودرو

اندازه گیری برای بهبود بازدهی سوخت مانند یک شیر کنترل تغییر پذیر و تزیق سوخت بسیار دقیق فر آیند احتراق را بهینه می کند و منجر به بهبود مصرف سوخت می گردد. همچنین کمینه کردن اصطکاک موتور از طریق سیستم های لایه ننو می تواند در آینده منجر به صرفه جویی در سوخت شود.

1)اجزای متراکم با اصطکاک پایین برای صرفه جویی در سوخت

در خودروهای مسافر بری ، 15- 10 درصد مصرف احتراق سوخت به دلیل اصطکاک موتور می شود. از میان این قطعات می توان به قسمت های پیستون شامل دیواره سیلندر و پیستون ، قطعات میل لنگ ، همچنین بخش های مختلف سوپاپ اشاره کرد. اصطکاک قسمت های پیستون باعث  بخش عمده ای از اشکالات اصطکاکی است. نانو فناوری می تواند به کاهش مصرف سوخت بوسیله کم کردن اصطکاک کمک کند.

مواد پوشش دار نانو ساختار که دیواره سیلندر بکار برده می شوند اصطکاک و سایش و در نتیجه مصرف سوخت را کم می کنند. شرکت Daimlerchrysler یک پروژه تحقیقاتی را تحت عنوان پوشش های کامپوزیتی نانو ساختاری برای لبه های سیلندر با استفاده از سطح نانو ساختار و پیش بینی سایش برای موتورهای دیزلی و بنزینی تحت تنش بالا آغاز کرده است. هدف از این پروژه ، پوشش مستقیم لبه های آلومینیومی لبه اتصال میل لنگ با مواد نانویی می باشد. به موجب آن امکان از بین بردن لوله سیلندر مورد نیاز در لبه آلومینیومی میل لنگ فرتاهم می شود. مواد پوشش دهنده که شامل نانو بلورهای با اندازه nm130-60 برپایه کاربید و بورید آهن است سطوح فوق العاده سخت با خواص اصطکاکی کم را نتیجه می دهد. شکل 4- الف آماده سازی موتور برای پوشش دهی نانویی را نشان می دهد. در شکل 4- ب می توان پوشش دهی موتور با نانویی را مشاهده کرد.

2)تزریق کننده پیزو برای تزریق بسیار دقیق سوخت

سیستم های دیزلی با بازدهی بالا بر پایه سیستم تزریق فشار بالا کار می کند. در مورد تزریق مستقیم یک پمپ پیش از تزریق سوخت به محفظه احتراق سیلندر ، از طریق یک نازل فشار آن را زیاد می کند. فشار بالاتر دقت بیشتر و زمان تزریق قابل کنترل است که موجب آن باعث بازده بالاتر و مصرف بهینه سوخت می شود.

مواد پیزو سرامیک اجازه نیروهای بالاتر و سرعت بیشتر را در مقایسه با محرک های معمول برای تزریق سوخت می دهد. و بنابر این بطور مشخص باعث کاهش مصرف سوخت ، انتشار آلودگی و سرو صدا می شود. ( به کمک اثر پیزو الکتریک، مکانیزم باز و بسته کردن شیر تزریق را فراهم می کند). شکل 5 یک تزریق کننده پیزو برای تزریق مستقیم بنزین را نشان می دهد.

اثر پیزو الکتریک باعث یک تغییر هندسی به هنگام اعمال ولتاژ الکتریکی می شود و بطور معکوس باعث حرکت بارها در صورت تغییر مکانیکی خواهد شد. اگر اختلاف پتانسیل الکتریکی به اینگونه مواد اعمال شود، به سرعت تغییر شکل می دهد. از نتیجه این نیروی مکانیکی زیاد می توان برای تزریق سوخت استفاده کرد. در عمل فواصل تنظیم دقیق تر مواد ، پیزو الکتریک جزء اصلی این سیستم به شمار می روند. در حال حاضر بطور گسترده ای مواد پیزوالکتریک نانو ساختار استفاده می شوند.

تزریق کننده های پیزو امکان تزریق دوزهای مختلفی از سوخت در هر سیکل احتراق در موتورهای دیزلی پر قدرت با فشار تزریق 1600 بار را فراهم می کنند. در شکل 6 می توان شماتیکی از تزریق کننده پیزو را در حال کار مشاهده کرد.

3)کاتالیست اگزو برای کاهش گازهای خروجی

امروزه کاهش گازهای اگزو در خودرو بدون کاتالیست ها قابل تصور نیست. کاتالیست ها شامل شبکه های فولادی هستند که محتوی مواد فعال کاتالیستی برای تبدیل آلاینده های به نیتروژن ، بخار و دی اکسید کربن می باشند. اغلب خودروهای مسافر بری بر پایه استوکیومتری موتورهای Otto کار می کنند. در این قبیل موتور ها ، مخلوط بنزین هوا به نحوی ترکیب می گردند که از نظر تئوری مصرف کامل سوخت حاصل شود. برای اگزو های تمیز، سیستم های بر پایه سه کاتالیست مورد استفاده قرار می گیرد. این کاتالیست ها قابلیت تبدیل سه آلاینده اصلی ( مونوکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن ها) تا حد امکان را دارند و بنابراین این آلاینده ها را از گازهای اگزوز خارج می کنند.

طی تبدیل گازهای سمی به غیر سمی ، نانو فناوری نقش کلیدی را بازی می کند. مقدار تاثیر کاتالیست ها در حالت کلی بسته به اندازه سطح دارد. اگر مواد مورد استفاده برای کاتالیست در مقیاس نانو متری باشد، سطح ویژه بطور قابل ملاحظه ای افزایش پیدا می کند. ترکیب وساختار این مواد به نحوی انتخاب می شود که گازهای خروجی به نحو مطلوبی  با پوشش فعال کاتالیستی واکنش نشان می دهند و تبدیل شیمیایی به مواد کم ضرر تسریع شود. شکل 7 شمایی از عملکرد کاتالیست در اگزوز خودرو را نشان می دهد. در این شکل می توان واکنش تبدیل گازهای سمی به غیر سمی را مشاهده کرد. چندین تولید کننده موتور با موتورهای Otto که به یک سیستم تزریق کننده مستقیم بنزینت مجهزند و تامین کننده مخلوط غنی از هوا در راستای نیازهای زیست محیطی امروز هستند کار می کنند. این موتورها 15 تا 20 درصد مصرف سوخت کمتری نسبت به موتورهای معمولی دارند. هر چند کاهش شیمیایی اکسیدهای نیستریکی در اتمسفر غنی از اکسیژن ، یک مشکل جدی برای عملیات اگزو ایجاد می کند. کاتالیست های جاذبNox برای حل این مشکل مناسب هستند.