Nitrogen vs Air in Tyres
By Eng. Anjana HewawasamMany people are interested in knowing what are the real advantages or disadvantages of using nitrogen for passenger vehicle tyres over normal compressed air. Here is a brief explanation.
Let's first consider what are the common facts used to explain using nitrogen in tyres.
Atmospheric air, on average, is 78% nitrogen. 21% is oxygen and the remaining 1% is CO2, including other gases and water vapour. At normal temperatures and pressures, nitrogen is generally considered to be an inert gas.
Thus, one could argue whether there is no particular advantage of filling tyres with nitrogen when the major constituent of atmospheric air being also nitrogen.
However, the main reasoning used to scientifically explain the use of nitrogen in tyres is that there are technical advantages by keeping only nitrogen and removing the other constituents like oxygen and water vapour.
It is considered that there are several advantages of nitrogen inflation such as; minimizing the pressure loss - keeping the tyre pressure constant for a longer time, reducing the pressure fluctuation when the tyres heat up, and reducing the corrosion and degradation of wheels' metal parts and rubber compounds of the tyres.
Let us now consider how these facts are scientifically explained further.
You know after inflating a tyre up to the correct value, generally, there's a pressure loss over time, even without having any air leakage from the valves or between the tyre bead and the rim.
That is a kind of air leakage through the tyre itself, called permeation. It's an important parameter considered in tyre manufacturing called the air permeability of the tyre. The rubber compounds and various layers of the tyres are made to minimize air permeability as much as possible.
Nitrogen and oxygen gases exist in the atmosphere as diatomic molecules like N2 and O2. Oxygen molecules are relatively smaller in size compared to nitrogen molecules. In a tyre filled with normal air, having 21% of oxygen, it is said that the smaller oxygen molecules can easily be permeated through the tyre and result in a pressure loss over time. In a nitrogen-filled tyre, this phenomenon is said to be minimized resulting in a constant tyre pressure over time.
The advantages are that the tyre pressure being constant for a long time resulting in a consistent fuel economy, less rolling resistance, better handling, and performance of the vehicle.
Next, let's look at how this is affected by the fluctuation of tyre pressure due to the heating up of the tyres when a vehicle is speeding up. Here we consider the physical property that the pressure of a gas varying with its temperature. Since a tyre that contains normal air contains a significant amount of water vapour, this type of pressure fluctuation is considered to be relatively high. The pressure fluctuation is considered to be negligible in a nitrogen-filled tyre.
Now, you know the fact that the normal compressed air used in tyres causes corrosion and degradation of metal and rubber compounds due to the effect of oxygen and water vapour present. The oxidation reactions that occur here are considered to accelerate the corrosion and degradation of rubber compounds, metal parts in tyres, and metal parts in wheels over time. However, nitrogen being is a relatively less reactive gas (almost an inert gas at normal temperatures and pressures) it is considered that this process is less likely to occur in a nitrogen-filled tyre.
Now comes the real question. Are we practically having these benefits from nitrogen-filled tyres?
If we look at the facts presented above one by one, it is obvious that they all are based on scientific principles. Accordingly, it is theoretically correct that filling tyres with nitrogen is advantageous. But did you know that in practice it does not bring significant benefits?
We will now get this explained further. Normally nitrogen inflation is not done using tanks containing pure nitrogen gas. Instead, a machine is used to remove oxygen and water vapour from ordinary air and prepare nitrogen gas, to be as homogeneous as possible. This does not contain 100% nitrogen. Even a well-functioning machine would normally provide only 95% of nitrogen.
Considering the molecular size and permeation properties of oxygen and nitrogen, it is theoretically correct to say that the pressure of a nitrogen-filled tyre remains constant for a comparably a long time. But in practice this difference is negligible.
To be precise, there is no significant difference in the above properties of nitrogen and oxygen molecules, and even in a nitrogen-filled tyre, the pressure decreases over time. This has been confirmed with practical tests conducted by global institutes like Consumer Reports (CR) and National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA). The results show nitrogen does reduce pressure loss, but the reduction was only a 1.3 psi difference from normal air-filled tyres over an entire year.
It might be even more disadvantageous to assume that the tyres are filled with nitrogen and that the pressure does not decrease for a long time. For a normal air-filled tyre, it is a general recommendation to check the tyre pressure once a fortnight and this gives the chance of inspecting the tyres and wheels as a routine. But in a nitrogen-filled tyre, since it is assumed that the pressure loss is minimal, the chance of routing inspection would also be missed out.
Concerning the above explanation of tyre pressure fluctuation with temperature, it is theoretically correct, but there is no considerable practical impact, such that filling nitrogen in your tyres does not give you better ride comfort, better handling, less heat buildup, or a better fuel economy.
The same case applies to the oxidation and material degradation phenomenon explained above. Although it is theoretically correct, the practical impact is negligible.
The inside of the steel wheels are painted and contact of oxygen and moisture is thus minimal and the alloy wheels are inherently corrosion resistant. Although it is theoretically correct that rubber material degradation is accelerated by oxygen and moisture, have you ever replaced your tyres considering their chemical changes in tyre rubber compounds? You just replace the tyres only considering a manufacturing defect, wear and tear, or date of expiry but never considering the chemical reactions in practice!
Thus it must be clear to you that none of the said benefits of nitrogen inflation are having any practical importance.
Also, if you look further, you would see that neither automakers nor tyre manufacturers recommend nitrogen over normal compressed air for tyre inflation. Instead what they emphasize is the importance of maintaining the correct tyre pressure.
In general, either nitrogen or normal compressed air can be used for any type of tyre inflation on passenger vehicles, with any type of tyre pressure monitoring system. Even a nitrogen-filled tyre can be topped up with normal compressed air when it becomes necessary.
Eventually, someone could ask, then what is the actual necessity of this nitrogen inflation. It should be noted that nitrogen inflation is considered to be significantly beneficial in special-purpose applications such as air crafts, heavy-duty applications and motorsports - race cars like Formula 1. But for our conventional passenger vehicles such as cars and vans, there is no significant difference in using nitrogen or normal compressed air. What is most important for us is to maintain the correct tyre pressure and to check it at regular intervals.
නයිට්රජන් වායුව ද? නැත්නම් සාමාන්ය සම්පීඩිත වාතය ද?
By Eng. Anjana Hewawasamවාහන වල ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව යොදාගන්නවාද නැත්නම් සාමාන්ය සම්පීඩිත වාතය යොදාගන්නවද, මේ දෙකේ ඇත්තටම තියෙන වාසි අවාසි මොනවාද වැනි කරුණු දැනගැනීමට බොහෝ අය උනන්දුවක් දක්වනවා. ඉතින් මේ ගැන සරල පැහැදිලි කිරීමක් තමයි මෙහිදී ඉදිරිපත් කෙරෙන්නේ.
අපි මුලින්ම මේ ටයර් වලට නයිට්රජන් යොදාගැනීමට හේතු විදියට සාමාන්යයෙන් ඉදිරිපත් වෙන කරුණු මොනවාද කියා සලකා බලමු.
වායුගෝලයේ වාතයේ සංයුතිය සැලකීමේදී සාමාන්යයෙන් 78%ක්ම තිබෙන්නේ නයිට්රජන් වායුවයි. 21% ක් ඔක්සිජන් වායුව සහ ඉතිරි 1% CO2 ඇතුලු අනෙකුත් වායු වර්ග සහ ජල වාශ්ප පවතිනවා. මේ නයිට්රජන් වායුව සාපේක්ෂව ප්රතික්රියාශීලිත්වයෙන් ඉතා අඩු වායුවක් ලෙසයි සැලකෙන්නේ.
මේ අනුව සාමාන්ය වාතයේත් වැඩි ප්රතිශතයක් නයිට්රජන් වායුව තිබියදී ටයර් වලට විශේෂයෙන්ම නයිට්රජන් වායුව පිරවීමේ වාසියක් ඇත්තටම තිබෙනවාද කියා කෙනෙක්ට තර්කයක් මතු කළ හැකියි.
කෙසේ නමුත් ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව යොදාගැනීම විද්යාත්මකව පැහැදිලි කිරීමට භාවිත වන ප්රධාන තර්කය වන්නේ ටයර් වලට යොදන වාතයේ අඩංගු නයිට්රජන් වායුව හැර ඉතිරි සංගටක, එනම් විශේෂයෙන්ම ඔක්සිජන් සහ ජල වාශ්ප ඉවත් කරගැනීමෙන් තාක්ෂණික වාසියක් සැලසෙන බවයි.
ඒ අනුව ටයරයකට නයිට්රජන් වායුව පිපිරවීමෙන්, එම ටයරයේ පීඩනය අඩු නොවී දිගු කලක් එකම අගයක පවත්වාගත හැකි වීම, ටයරය රත් වීමෙදි එහි වාතයේ ඇතිවන පීඩන වෙනස්කම් අඩු වීම, ටයරයේ රබර් සංයෝග-රෝද වල ලෝහ කොටස්-ඇලොයි වීල් කොටස් විඛාදනය අවම වීම වැනි කරුණු මෙහිදී ලැබෙන වාසි විදියට සැලකෙනවා.
දැන් අපි මේ කරුණු විද්යාත්මකව පැහැදිලි කෙරෙන ආකාරය තවදුරටත් සලකා බලමු.
ඔබ දන්නවා ටයරයකට වාතය පුරවා නියමිත පීඩනය ලබාගත් පසු ටික දිනක් යන විට ඒ පීඩනයේ සුලු අඩු වීමක් සිදුවෙනවා.
එනම් ටයරය සහ රිම් එක අතරින් හෝ, වෑල්ව් එකෙන් හෝ කිසිම කාන්දුවීමක් නැති උණත්, ටයරය හරහාම ඒ ඇතුලේ පීඩනයට ලක් වෙලා තියෙන වාතයෙන් සුලු කොටසක් ඉවත් වී යනවා.
ටයර් නිෂ්පාදනයේදී සලකන වැදගත් පරාමිතියක් වන මෙයට ටයර් එකේ වායු පාරගම්යතාවය (Air Permeability එක) කියා කියනවා. ටයර් එකේ රබර් සංයෝග සහ විවිධ ස්ථර හදන්නේ මේ air permeability එක හැකි තරම් අවම වෙන විදියටයි.
නයිට්රජන් සහ ඔක්සිජන් වායූන් වායුගෝලයේ පවතින්නේ N2 සහ O2 අණු ආකාරයටයි. නයිට්රජන් අණු වලට වඩා ඔක්සිජන් අණු සාපේක්ෂව තරමක් කුඩායි. එවිට සාමාන්ය වාතය යෙදූ ටයරයක 21%ක් ඔක්සිජන් තිබෙන නිසා ඒ සාපේක්ෂව කුඩා ඔක්සිජන් අණු වලට ටයර් එක හරහා සාපේක්ෂව පහසුවෙන් ඉවත්වී යාමේ හැකියාවක් ඇති බව මෙහිදී සැලකෙනවා. නයිට්රජන් වලින් පුරවා ඇති ටයරයක මෙසේ සිදුවීම සාපේක්ෂව අඩු නිසා එවැනි නයිට්රජන් යෙදූ ටයරයක පීඩනය දිගු කාලයක් තිස්සේ නියතව පවතිනවා කියා සැලකෙනවා.
එයින් ලැබෙන වාසි විදියට සැලකෙනේ ටයර් පීඩනය දිගු කලක් තිස්සේ නියතව තියෙන නිසා වාහනයේ ඉන්ධන කාර්යක්ෂමතාවය වැඩි වීම සහ වාහනයේ හැසිරවීම සහ කාර්යසාධනය ඉහල මට්ටමකට පැමිණීමයි.
මීළඟට වාහනයක් වේගයෙන් ගමන් කරන විට ටයර් වල ඇතිවන රත්වීම නිසා ඇතිවන පීඩනයේ වෙනස මෙයට බලපාන ආකාරය සලකමු. මෙහිදී සලකන්නේ උෂ්ණත්වය අනුව වායුවක පීඩනය වෙනස් වීම කියන භෞතික ගුණාංගයයි. සාමාන්ය වාතය අඩංගු ටයරයක ජල වාෂ්ප සැලකිය යුතු තරම් අඩංගු වෙන නිසා මේ ආකාරයට උෂ්ණත්වය අනුව සිදුවෙන පීඩන වෙනස සාපේක්ෂව වැඩියි කියා සැලකෙනවා. නයිට්රජන් යෙදූ ටයරයකදී සාපේක්ෂව මේ වෙනස අඩු ලෙස සැලකෙනවා.
ඊළඟට ඔබ දන්නවා මේ ටයර් සඳහා යොදාගන්නා සාමාන්ය සම්පීඩිත වාතයේ තිබෙන ඔක්සිජන් සහ ජල වාෂ්ප වල බලපෑම නිසා ලෝහ සහ රබර් සංයෝග වල විඛාදයන වීම් ඇතිවෙනවා කියන කාරණය. මෙහිදී ඇතිවන ඔක්සිකරණ ප්රතික්රියා නිසා ටයර් වල රබර් සංයෝග, ලෝහ කොටස් සහ රෝද වල ලෝහ කොටස් කාලයත් සමග විඛාදනය වීම ඉක්මන් වෙනවා කියා සැලකෙනවා. නමුත් නයිට්රජන් කියන්නේ සාපේක්ෂව ප්රතික්රියාශීලීත්වයෙන් ඉතා අඩු වායුවක් නිසා නයිට්රජන් පිරවූ ටයරයකදී මේ ක්රියාවලිය සිදුවීම අවම බවයි සැලකෙන්නේ.
ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව පිරවීමෙන් මේ කියන වාසි ප්රායෝගිකව අපට ලබාගත හැකිද?
අප ඉහත ඉදිරිපත් කළ කරුණු එකින් එක සැලකුවොත් ඒ සියල්ලම විද්යාත්මක පදනමක් ඇති කරුණු බව කිව හැකියි. ඒ අනුව ටයර් වලට නයිට්රජන් පිරවීම වඩා වාසි සහගත වන බව සෛද්ධාන්තිකව නිවැරදියි. නමුත් ප්රයෝගිකව සැලකීමේදී එමගින් සැලකිය යුතු තරමේ වාසියක් නොලැබෙන බව ඔබ දන්නවාද?
අපි දැන් එය වැඩිදුරටත් පැහැදිලි කරගනිමු. සාමාන්යයෙන් ටයර් වලට නයිට්රජන් පිරවීමේදී සම්පූර්ණයෙන්ම පිරිසිදු නයිට්රජන් වායුව අඩංගු ටැංකි වලින් එම වායුව ලබාගැනෙන්නේ නැහැ. ඒ වෙනුවට යන්ත්රයක් මගින් සාමාන්ය වාතයේ ඇති ඔක්සිජන් සහ ජල වාෂ්ප ඉවත් කර හැකිතරම් සමජාතීය වන සේ සකසා ගත් නයිට්රජන් වායුව මේ සඳහා යොදා ගැනීමයි සිදු වන්නේ. මෙලෙස ටයරයට පුරවන වායුවේ 100%ක්ම නයිට්රජන් අඩංගු වන්නේ නැහැ. හොඳ ක්රියාකාරිත්වයකින් යුත් යන්ත්රයකින් පවා සාමාන්යයෙන් ලැබෙන්නේ 95%ක පමණ නයිට්රජන් ප්රතිශතයක් සහිත වාතය පමණයි.
නයිට්රජන් සහ ඔක්සිජන් අණු වල විශාලත්වය සහ එම වායු වලට අදාල පාරගම්යතා ගුණාංග සැලකීමේදී, ඔක්සිජන් අණු වලට සාපේක්ෂව නයිට්රජන් අණු වල විශාලත්වය වැඩි නිසා සහ පාරගම්යතා ගුණාංග අඩු නිසා, නයිට්රජන් පිරවූ ටයරයක පීඩනය දිගු කලක් නියත අගයයක පවතිනවා යයි කීම සෛද්ධාන්තිකව සත්ය උණත් එමගින් ප්රායෝගිකව දැනෙන මට්ටමේ විශාල වාසියක් නොලැබෙන බව කිව යුතුයි. එනම් නයිට්රජන් සහ ඔක්සිජන් අණු වලට අදාල ඉහත කී ගුණාංග වල සැලකිය යුතු තරමේ විශාල වෙනසක් නැති අතර ඇත්තටම නයිට්රජන් පිරවූ ටයරයක වුවත් කාලත් සමග පීඩනය අඩුවීම සිදු වෙනවා. මේ බව Consumer Reports (CR), NHTSA වැනි ජාත්යන්තර ආයතන මගින් සිදු කර ඇති ප්රායෝගික පරීක්ෂණ මගින් තහවුරු කෙරී ඇති අතර එහිදී ඉදිරිපත් වී ඇති දත්ත අනුව සාමාන්ය වාතය පිරවූ ටයරයකට සාපේක්ෂව නයිට්රජන් පිරවූ ටයරයක පීඩනය අඩුවීමේ වෙනස වසරකට 1.3 psi තරම් කුඩා අගයයක් වන බවයි සඳහන් වන්නේ.
ඇත්තෙන්ම මෙහිදී ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව පුරවා, දිගු කලක් තිස්සේ පීඩනය අඩු නොවී පවතිනවා යයි සිතා සිටීම වඩාත් අවාසි සහගත විය හැකියි. සාමාන්ය වාතය පුරවා ඇති විට පුරුද්දක් වශයෙන් හෝ සති දෙකකට වරක් වත් ටයර් වල පීඩනය පරීක්ෂා කිරීම නිර්දේශ කෙරෙන අතර එහිදී ටයර් සහ රෝද සම්බන්ධ වෙනත් ගැටලු ඇතොත් ඒවා ගැන අවධානය යොමු කිරීමටද අවස්ථාවක් ලැබෙනවා. නමුත් නයිට්රජන් වායුව පුරවා, එහි පීඩනය අඩු නොවෙනවා යයි සිතා සිටින කෙනෙක්ට ඉහත අවස්ථාවන් මඟහැරීමේ ඉඩ වැඩිය.
උෂ්ණත්වය අනුව සිදුවන ටයර් පීඩන වෙනසට අදාලව ඉහත විස්තර කළ කරුණු සෛද්ධාන්තිකව නිවැරදි උණත් එහිදීද ප්රායෝගිකව දැනෙන මට්ටමේ කිසිදු බලපෑමක් ඇති නොවේ. එනම් ටයර් වලට නයිට්රජන් පිරවීමෙන් ලැබෙනවා යයි සැලකෙන, වාහනයේ වඩා හොඳ හැසිරවීමක් ලැබීම, වැඩි සුවපහසුවක් ලැබීම, ටයර් රත් වීම අඩු වීම වැනි වැනි තත්ත්වයන්, ප්රායෝගිකව දැනෙන මට්ටමකින් මෙහිදී ලැබෙන්නේ නැත.
මීළඟට ඉහත විස්තර කළ රෝද වල සහ ටයර් වල ලෝහ සහ රබර් සංයෝග කොටස්, ටයර් වලට යොදාගන්නා සාමාන්ය වාතයේ අඩංගු ඔක්සිජන් සහ ජල වාෂ්ප නිසා වඩා ඉක්මණින් ඔක්සිකරණය වී විඛාදනය වීම යන කරුණ විද්යාත්මකව නිවැරදි උණත් එමගින්ද ප්රායෝගිකව දැනෙන මට්ටමේ බලපෑමක් නම් ඇති නොවන බව කිව යුතුය.
සාමාන්යයෙන් වාහන වල භාවිත වන Steel Rims වල ඇතුල් පැත්තේ ලෝහ කොටස් වාතයට නිරාවරණය නොවන සේ තීන්ත ස්ථර වලින් හොඳින් ආවරණය වී තිබෙනවා. එසේම Alloy Wheels වලද කාලයත් සමග සිදුවන විඛාදනය ඉතා අවම මට්ටමකයි පවතින්නේ. ඒ අනුව ටයර් වලට සාමාන්ය වාතය යෙදීමෙන් මේ කොටස් විඛාදනය වීමට ඇතිවන බලපෑම නොසැලකිය හැකි තරම් කුඩා බව පැහැදිලිය.
ටයර් වල රබර් සංයෝග වලට අදාලව සැලකුවත් සාමාන්ය වාතයේ අඩංගු ඔක්සිජන් සහ ජල වාෂ්ප නිසා රබර් කොටස් විඛාදනය වීම කියන කරුණත් විද්යාත්මකව නිවැරදි වුවත් ප්රායෝගිකව එහි අදාලත්වය නම් නොගිනිය හැකි තරම් කුඩාය. සාමාන්යයෙන් වාහනයක ටයර් මාරු කිරීම සිදුවන්නේ එක්කෝ එහි නිෂ්පාදන දෝෂයක් නිසාය. නැතිනම් ටයර් වල කට්ට ගෙවීම හෝ කල් ඉකුත් වීම නිසාය. එසේ නැතිව මේ ආකාරයට ටයරයේ රබර් සංයෝග වල සිදුවන රසායනික වෙනස්කම් සලකා බලා ටයර් මාරු කිරීම සාමාන්යයෙන් ප්රායෝගිකව සිදුවන්නක් නොවේ.
මේ අනුව ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව පිරවීමෙන් ලැබෙනවා යයි සැලකෙන වාසි කිසිවක් ප්රායෝගිකව එතරම් වැදගත් කමක් ඇති ඒවා නොවන බව ඔබට පැහැදිලි වනවා ඇති.
එසේම ඔබ වැඩිදුරටත් සොයාබැලුව හොත් පැහැදිලි වන කරුණක් වන්නේ වාහන නිෂ්පාදකයන් වත් ටයර් නිෂ්පාදකයන් වත්, ටයර් වලට සාමාන්ය වාතයට වඩා නයිට්රජන් යොදා ගැනීම සුදුසු බව නිර්දේශ කරන්නේ නැති බවයි. ඒ වෙනුවට ඔවුන් අවධාරණය කරන්නේ ටයර් වල පීඩනය නියමිත අගයයන් වල පවත්වා ගැනීමේ වැදගත් කමයි.
එසේම සාමාන්ය සම්පීඩිත වාතය වුවත් නයිට්රජන් වායුව වුවත් සාමාන්යයෙන් ඔබට ඕනෑම ටයරයකට හෝ ඕනෑම ආකාරයක Tyre pressure monitoring පද්ධතියක් ඇති වාහනයකට හෝ යොදාගැනීමේ හැකියාව තිබෙනවා. නයිට්රජන් වායුව පිරවූ ටයරයකට වුවත්, එහි පීඩනය අඩුවී නැවත පිරවීමකදී සාමාන්ය වාතය යොදාගැනීමේ හැකියාවත් තිබෙනවා.
දැන් කෙනෙක්ට මතුවිය හැකි ගැටලුවක් වන්නේ එසේ නම් මේ ටයර් වලට නයිට්රජන් පිරවීම අවශ්ය වන්නේ කුමකටද යන්නයි. විශේෂිත තත්ත්ව යටතේ ධාවනය වන මෝටර් රථ, විශේෂයෙන්ම ෆොර්මියුලා වැනි මෝටර් රථ ධාවන තරඟ වලට යොදාගන්නා වාහන වල ටයර් වලට නයිට්රජන් වායුව පිරවීමෙන් සැලකිය යුතු තරමේ වාසි ලැබෙන බව කිව යුතුයි. නමුත් අප එදිනෙදා භාවිත කරන කාර් වෑන් ආදී සාමාන්ය මගී වාහන වල ටයර් වලට නම් සාමාන්ය වාතය යොදාගත්තත් නයිට්රජන් වායුව යොදාගත්තත් එයින් සැලකිය යුතු තරම් වෙනසක් නොවන බව දැන් ඔබට පැහැදිලි ඇති. එහිදී වඩාත් වැදගත් වන්නේ ඔබේ වාහනයේ වල ටයර් වල පීඩනය නියමිත අගයයන් වල පවත්වා ගැනීමත්, නියමිත කාල සීමා වලදී එය නිසි පරිදි පරීක්ෂා කර බලා ධාවනය කිරීමත් යන කරුණු පමණි.
Eng. Anjana Hewawasam
BSc. Eng. (Hons) University of Moratuwa, AMIE (SL)
He is an enthusiast of automobiles and the automotive industry and started his engineering career in 2017 having exposure to the state of the art automotive technology and involvement in electro-mechanical projects in a leading company in Sri Lanka. Currently, he is serving as an engineer for industrial engineering projects and as a consultant in automotive engineering services in the private sector.
