汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能受保養(yǎng)用機(jī)油添加劑影響研究

梁 乾，寧 磊

（漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西漢中723002）

冷卻水和潤(rùn)滑油是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行最重要的依托，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)冷卻水或潤(rùn)滑油匱乏，則往往極容易產(chǎn)生拉缸或抱軸現(xiàn)象，形成巨大的安全隱患[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，某些汽車生產(chǎn)廠家或汽車使用人員開始嘗試將一定量的機(jī)油添加劑作為抗磨劑、潤(rùn)滑劑等加入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，由于該類型添加劑具備優(yōu)良的抗磨、減磨功能，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)冷卻水和潤(rùn)滑油缺失以后，能夠一定程度代替二者發(fā)揮潤(rùn)滑作用，汽車仍然可以正常行駛一段距離，方便用戶進(jìn)行維修。因此，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，研發(fā)并優(yōu)化該種機(jī)油添加劑，是一項(xiàng)極具實(shí)用意義的嘗試。本文針對(duì)機(jī)油添加劑種類、作用及其對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能的影響進(jìn)行綜述，旨在為相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)提供理論借鑒。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)

1.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作環(huán)境

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，存在大量相互摩擦做功的金屬零部件。盡管這些零件均使用現(xiàn)代機(jī)床或其他技術(shù)進(jìn)行了表面光滑度處理，但通過(guò)放大來(lái)看，零件表面均存在一定粗糙度[2]。在不采用任何潤(rùn)滑措施條件下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的精密零件會(huì)因表面粗糙而形成高速、劇烈摩擦。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中存在大量進(jìn)行類似作業(yè)的精密零件，零件與零件之間的劇烈摩擦，一方面會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗，降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能；另一方面也會(huì)因摩擦而消耗零件表面材料，使零件迅速損耗，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。

1.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)作用

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，是通過(guò)壓力潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑、潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑等多種形式，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)不斷地將清潔、溫度適當(dāng)且用量充足的機(jī)油，輸送到高速、劇烈摩擦的全部傳動(dòng)件表面，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失、減小精密零件損壞，最終達(dá)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)健康、長(zhǎng)期、高效工作等目的。

2 機(jī)油添加劑作用與分類

2.1 機(jī)油添加劑基本作用

機(jī)油添加劑又成為發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)劑，是一種通過(guò)在基礎(chǔ)油中加入一定量的添加劑，從而有效潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車保養(yǎng)用添加物質(zhì)。由于基礎(chǔ)機(jī)油存在易損耗、抗磨成分少等某些特性不足，因此往往需要通過(guò)機(jī)油添加劑彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)油的固有缺陷，尤其某些總行程達(dá)到5萬(wàn)公里以上的汽車，由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)各精密零件已產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的磨損，單純使用機(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑，已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作需求[3-5]。機(jī)油添加劑開發(fā)之初，多應(yīng)用在越野拉力賽或F1方程式等職業(yè)賽車中，隨著科技水平的發(fā)展，機(jī)油添加劑的種類越來(lái)越多，被添加到基礎(chǔ)油中可以滿足各種環(huán)境下對(duì)機(jī)油的要求，同時(shí)可以滿足多種發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，除某些含有石墨烯、有機(jī)鉬成分的添加劑仍主要用于職業(yè)賽車之外，機(jī)油添加劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于民用汽車。

2.2 基本分類

圖1所示為當(dāng)前汽車領(lǐng)域常用機(jī)油添加劑分類。目前常用的機(jī)油添加劑按最基本的性能大體分為四類（清潔劑、分散劑、抗磨劑、抗氧化劑），除了以上最基本的四大類，還有很多重要的機(jī)油添加劑。如防腐蝕劑、防銹劑、降凝劑等[4，6-7]

圖1 機(jī)油添加劑的分類Fig. 1 Classification of engine oil additives

2.2.1 清潔劑

汽車添加劑中的清潔劑主要指的是一類由鎂鹽、鈣鹽、油溶性金屬堿等成分構(gòu)成的高氯化物清潔劑，具有較強(qiáng)的物理吸附作用。通常情況下，清潔劑在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中以膠態(tài)分子團(tuán)形式存在，在發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作過(guò)程中能夠有效組織發(fā)動(dòng)機(jī)中空間障礙物的形成，有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)工作中因燃燒不完全而形成的堆積物，保證發(fā)動(dòng)機(jī)中各傳動(dòng)件表面清潔，最終起到有利于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑的作用。

2.2.2 分散劑

分散劑是一種能夠有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部因怠速狀態(tài)產(chǎn)生油泥沉淀效應(yīng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油添加劑。分散劑的主要成為包含C4H5NO2、卡胺、C6H9NO等。其中C4H5NO2在汽車潤(rùn)滑系統(tǒng)中并不形成膠態(tài)分子團(tuán)，但可以在潤(rùn)滑系統(tǒng)中進(jìn)行單分子溶解，一旦汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中由于某些原因形成了極性化合物及其沉淀物，C4H5NO2可形成一定的熔化作用，消除發(fā)動(dòng)機(jī)中的沉淀物、空間障礙物等，保證潤(rùn)滑系統(tǒng)通暢。

2.2.3 抗磨劑

抗磨劑主要由含有Na2SO3、C69H135O15P的硫磺化合物及含有C28H60O4P2S4Zn、胺鹽的酸性磷酸脂構(gòu)成?？鼓┑闹饕δ?，是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)精密傳動(dòng)部零件因摩擦而產(chǎn)生熱量的環(huán)境下，作用于金屬零件表面并形成一層能夠較為有效降低零件間摩擦的覆蓋膜，從而在零件產(chǎn)生摩擦以后充分利用膜與膜之間的摩擦代替原有的金屬摩擦，從而有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)能和零件損耗。

2.2.4 抗氧化劑

添加劑中抗氧劑的主要成分主要包含以下四種：①胺誘導(dǎo)體；②苯酚誘導(dǎo)體；③鋅類金屬鹽，如二烴基硫代酸（如硫羥酸硫羰酸二硫代酸、O-二烴基二硫代酸酸酯等）與二烴基硫代磷酸（黑藥）；④有機(jī)硫化物。一般經(jīng)過(guò)氧化的機(jī)油會(huì)生產(chǎn)過(guò)氧化物（peroxide）或游離基（free radical reaction），在此過(guò)程中，free radical reaction與peroxide會(huì)與機(jī)油中的氫（H）發(fā)生反應(yīng)生成酸?？寡鮿┑闹饕饔檬欠乐蛊桶l(fā)生過(guò)氧化物分解和游離基反應(yīng)，可減緩和抑制機(jī)油的自身氧化過(guò)程，并防止金屬對(duì)滑油氧化的催化作用，從而減少滑油因氧化而產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和油泥。

2.3 其他種類

2.3.1 防腐蝕劑

防腐劑主要是由聚硫化物、C28H60O4P2S4Zn、C7H5NS等構(gòu)成。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)精密傳動(dòng)零部件均為為金屬材料（含大量銅、鉛合金），而汽車發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中的部分酸性物質(zhì)及過(guò)氧化物成分會(huì)與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的精密零件產(chǎn)生反應(yīng)，最終導(dǎo)致金屬零部件被腐蝕。而防腐蝕劑的存在主要作用在于使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的酸性物質(zhì)惰性化，有效降低酸性物質(zhì)及過(guò)氧化物與金屬零部件之間的反應(yīng)，起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部精密金屬零部件的目的。

2.3.2 油性劑

油性劑通又稱調(diào)整摩擦劑，主要用于在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)邊界潤(rùn)滑條件下實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部金屬精密零部件潤(rùn)滑的機(jī)油添加劑。油性劑能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各傳動(dòng)部零件表面形成穩(wěn)定的分子定向吸附膜，進(jìn)而在吸附膜與吸附膜的作用下，代替金屬表面摩擦，有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部金屬零部件磨損。

2.3.3 降凝劑

降凝劑主要由高分子可燃聚合物原料調(diào)配而成，能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)中的汽油迅速融合，可以有效降低汽油的冷濾點(diǎn)和凝點(diǎn)，改善汽油的低溫流動(dòng)性能，有效解決氣溫驟條件下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部汽油網(wǎng)狀化阻礙機(jī)油流動(dòng)等問(wèn)題。降凝劑中含有的高分子材料能夠有效形成吸附和共晶兩種效應(yīng)，在無(wú)法析出發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部蠟晶形成的條件下，通過(guò)改變汽油中蠟的結(jié)構(gòu)改善低溫狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)油流動(dòng)狀況，降低因機(jī)油蠟化帶來(lái)的對(duì)內(nèi)部零件的磨損。

2.3.4 粘度升高劑

粘度升高劑主要由異丁烯-異戊二烯的聚合物、聚α-甲基苯乙烯樹脂等組成。機(jī)油的黏度指數(shù)是衡量機(jī)油潤(rùn)滑性能的重要指標(biāo)之，用以衡量機(jī)油的黏度性能，黏度指數(shù)越高則機(jī)油的潤(rùn)滑性能往往越好。利用溶劑精制法、加水分解法等能夠獲得略高于一般機(jī)油的黏度指數(shù)，但存在一定的極限。粘度升高劑則能夠利用內(nèi)部高分子成分，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件因工作而升溫時(shí)，充分提升自身溶解性，內(nèi)部高分子聚合物則由絲網(wǎng)狀產(chǎn)生伸展、膨脹，最終提升機(jī)油的黏度，起到充分的提升潤(rùn)滑作用。

2.3.5 消泡劑

消泡劑的作用，主要通過(guò)二甲硅氧烷（PDMS）和二乙基硅酸酯作用抑制發(fā)動(dòng)機(jī)精密零件表面泡沫的形成，通過(guò)吸附于泡沫表面與泡沫成分進(jìn)行反應(yīng)形成不安定、易破壞泡沫的作用。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性受保養(yǎng)用機(jī)油添加 劑的影響分析

3.1 機(jī)油添加劑對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性的分析

母晶秋等[9]針對(duì)添加劑添加方式、添加量等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，采用Ⅰ、Ⅱ兩種汽車進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油添加劑對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能的影響，分別在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中加入不同種類的添加劑，然后將加入添加劑與沒(méi)加添加劑的發(fā)動(dòng)機(jī)放置于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，記錄和分析其轉(zhuǎn)速工況下的外特殊性和負(fù)荷特性。其研究結(jié)果表明，添加劑添加量的增加，對(duì)成品潤(rùn)滑油傾點(diǎn)的影響呈先抑制后促進(jìn)的作用；閃點(diǎn)和黏度指數(shù)則均為先促進(jìn)后抑制作用，認(rèn)為最為合理的添加劑添加量應(yīng)為10%（質(zhì)量占比）。

3.2 機(jī)油添加劑減摩節(jié)能效果分析

國(guó)內(nèi)某研究機(jī)構(gòu)利用潤(rùn)滑油抗磨極壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)機(jī)油添加劑減摩節(jié)能效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[9]。這種試驗(yàn)機(jī)根據(jù)梯姆肯試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)原理，采用標(biāo)準(zhǔn)的砝碼負(fù)重，利用杠桿的原理，使磨擦點(diǎn)的高硬度鋼圈軸承與鋼珠摩擦，使用機(jī)器隨機(jī)配備的油盒分別加滿幾種不同的潤(rùn)滑油進(jìn)行摩擦對(duì)比試驗(yàn)，可以根據(jù)砝碼負(fù)荷，電流表顯示電流大小，鋼圈與鋼珠磨痕的大小來(lái)明顯判定潤(rùn)滑油的抗磨損性能。最終得到表1所示加機(jī)油添加劑砝碼負(fù)重前后對(duì)比。

表1 加機(jī)油添加劑砝碼負(fù)重前后對(duì)比Table 1 Comparison of weight before and after loading with oil additive

試驗(yàn)前，先檢查汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保其處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)下再進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)未加入添加劑的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行外特殊性和負(fù)荷特性測(cè)試；然后相同環(huán)境下，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中加入不同種類的添加劑再進(jìn)行外特殊性和負(fù)荷特性測(cè)試。不同工況下的測(cè)試均保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、熱狀態(tài)和負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)開始之后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)要進(jìn)行多次記錄，取測(cè)量結(jié)果的平均值，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。最終結(jié)果顯示，機(jī)油添加劑能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，且無(wú)論機(jī)油為全合成或半合成機(jī)油，添加劑的減摩節(jié)能效果均較為理想。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，高品質(zhì)的機(jī)油添加劑因其內(nèi)部富含清潔活化成分，能夠有效降低燃油中沉積物、膠質(zhì)物的形成，通過(guò)抑制、溶解等多種形式降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部精密金屬零部件之間的摩擦，從而全面降低零件磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)能損耗，在有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)使用狀態(tài)的同時(shí)，極大延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。