潤滑機理對汽車發(fā)動機性能的影響綜述

王迪 鄭建明 王春 李宇寂 劉洋 許朝文 尚秉旭

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013；2.昆山禾振瑞新復(fù)合材料有限公司，昆山 215323）

主題詞： 制造缺陷 潤滑機理 潤滑油 間隙 磨損 油泥 顆粒

1 前言

隨著能源短缺和環(huán)境污染形勢日漸惡化，傳統(tǒng)發(fā)動機汽車的高能耗高排放問題一直就是亟待攻克的焦點，雖然新能源汽車快速發(fā)展，但其短期內(nèi)仍無法完全取代發(fā)動機汽車，因此發(fā)動機潤滑依然會是被長期關(guān)注的研究方向[1]。

汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)是非密封的結(jié)構(gòu)，且摩擦副間隙、表面粗糙為其先天制造缺陷，由于潤滑機理可以緩解發(fā)動機內(nèi)各種磨損，進而可延長發(fā)動機機壽命，并達到降低油耗改善排放的效果[2]。故潤滑機理對彌補汽車發(fā)動機制造缺陷并改善性能至關(guān)重要。而潤滑油品質(zhì)和潤滑結(jié)構(gòu)差異對汽車發(fā)動機性能的改善影響顯著[3]。

由于當(dāng)前絕大多數(shù)潤滑油仍在高溫、高壓的發(fā)動機中燃燒氧化產(chǎn)生油泥等有害物質(zhì)，對汽車動力性、油耗、排放均造成消極影響[4]。故當(dāng)前汽車發(fā)動機潤滑保養(yǎng)方式仍為一定行駛里程后全部更換潤滑油，而潤滑油燃燒產(chǎn)生的不良影響仍無法徹底根治。

本文圍繞潤滑機理對汽車發(fā)動機的影響，說明當(dāng)前汽車發(fā)動機潤滑機理，分析潤滑油在使用過程中對發(fā)動機動力、油耗和排放的影響，進而提出一種新的潤滑機理，以彌補發(fā)動機的制造缺陷，革新潤滑油保養(yǎng)模式，實現(xiàn)汽車發(fā)動機的高動力輸出、油耗降低以及排放清潔的目的。

2 與潤滑相關(guān)的影響汽車發(fā)動機性能的因素

2.1 顆粒

汽車發(fā)動機在工作過程中產(chǎn)生的磨損會導(dǎo)致發(fā)動機壽命縮短、油耗增高、排放惡化等一系列問題。

造成磨損的根源是汽車發(fā)動機本身的制造缺陷和工作過程中產(chǎn)生的顆粒。顆粒是造成機械磨損的“元兇”，由于當(dāng)前的機械制造工藝尚不能實現(xiàn)發(fā)動機摩擦副間的光滑相對運動，易發(fā)生加速磨損的“鋼對鋼干摩擦”狀態(tài)。在汽車發(fā)動機使用過程中，由于燃油中雜質(zhì)的不完全燃燒以及潤滑油的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的顆粒，也會在摩擦副之間對發(fā)動機部件造成磨損，加劇零部件表面的粗糙[6]。

2.2 間隙

為了降低部件間摩擦，尤其是氣缸套內(nèi)壁與活塞間的摩擦，常適當(dāng)?shù)脑龃蟛考g間隙，但這會使缸壓下降導(dǎo)致發(fā)動機動力變?nèi)?，日系車企普遍采取此策略。雖然較小的摩擦副間隙有利于提高發(fā)動機動力性，但也會促進潤滑油氧化產(chǎn)生油泥和顆粒，進一步加劇發(fā)動機磨損，形成惡性循環(huán)直至徹底更換機油[7]，德系車企采用此策略導(dǎo)致其車型燒機油情況嚴(yán)重。

2.3 油泥的產(chǎn)生與危害

雖然當(dāng)前發(fā)動機和潤滑油應(yīng)用的新材料、新工藝可在一定程度上彌補發(fā)動機了的制造缺陷，改善了發(fā)動機性能，但由于發(fā)動機的開放式潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及長期的高溫、高壓和高磨損工作環(huán)境，導(dǎo)致潤滑油氧化、燃燒產(chǎn)生油泥，而油泥對汽車發(fā)動機有顯著磨損危害等，所以目前幾乎所有的潤滑油都要求定期全部更換[8]。

發(fā)動機在低溫時運轉(zhuǎn)時，潤滑油中的不溶物或機件表面沉積物形成低溫油泥；當(dāng)發(fā)動機高溫運轉(zhuǎn)時，潤滑油發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生極性產(chǎn)物，形成本固態(tài)黑色沉積物，即高溫油泥[9]，如圖1。

圖1 油泥照片[9]

基礎(chǔ)油、添加劑、空氣、水、靜電等共同作用下，通過氧化反應(yīng)產(chǎn)生了油泥[10]。油泥會造成潤滑油變質(zhì)老化，導(dǎo)致油泵入口、輸油管路的堵塞，使?jié)櫥到y(tǒng)供油量下降乃至阻斷，從而加劇發(fā)動機的磨損，甚至因“干磨”導(dǎo)致擦傷、燒瓦和抱軸等嚴(yán)重事故[11]。

3 潤滑機理

為了緩解汽車發(fā)動機工作過程中的磨損，提高機械效率，改善發(fā)動機性能，必須采用潤滑的方式，本節(jié)對當(dāng)前主流的潤滑機理進行概述。

3.1 油膜潤滑機理

傳統(tǒng)潤滑機理即在摩擦表面覆蓋一層均勻薄膜，盡量減輕相對運動產(chǎn)生的直接摩擦[12]?？鼓ナ菨櫥偷氖滓π?，保證油膜堅韌一直為潤滑油新技術(shù)、新工藝、新思想的核心。不可否認(rèn)的是當(dāng)下油膜成型技術(shù)大大緩解了“鋼對鋼干摩擦”狀態(tài)，使發(fā)動機在油耗和排放上改善明顯。

但是純依靠油膜潤滑也存在諸多弊端。首先由于摩擦件和顆粒硬度遠高于油膜，導(dǎo)致無法徹底解決“鋼対鋼干摩擦”問題，甚至發(fā)生燒瓦、刮缸等事故。其次，由于潤滑油本身性質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境下，其黏度會大幅降低，且會消耗增加和氧化變質(zhì)，產(chǎn)生油泥，加劇發(fā)動機的磨損[12]。

3.2 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)潤滑機理

顯然潤滑機件的油膜再堅韌也無法避免顆粒磨損。

業(yè)界熟知的“網(wǎng)格狀”潤滑結(jié)構(gòu)，如圖2，本結(jié)構(gòu)在氣缸套內(nèi)壁設(shè)計網(wǎng)紋狀槽紋，其設(shè)計目的普遍被認(rèn)為是容納潤滑物并增加油膜的結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機工作時，活塞、活塞環(huán)與氣缸套內(nèi)壁的摩擦減少，提高其壽命[13]。

而基于發(fā)動機運行過程中因燃料和潤滑油化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生大量不規(guī)則顆粒物的事實出發(fā)，可知，此網(wǎng)紋槽結(jié)構(gòu)亦可使部分顆粒落入凹槽內(nèi)，然后隨廢氣排放出氣缸，從而大大降低發(fā)動機的顆粒磨損。進一步提高汽車節(jié)能減排性能，并傳承了德系車動力強的風(fēng)格。

圖2 德系車“網(wǎng)格狀”潤滑結(jié)構(gòu)[13]

當(dāng)然，“網(wǎng)格狀”潤滑結(jié)構(gòu)由于增大了活塞與氣缸套內(nèi)壁的縫隙，也助長了敞開式潤滑制造缺陷，使汽車發(fā)動機燒機油工況和油泥的產(chǎn)生更加嚴(yán)重、換油保養(yǎng)周期更短。

3.3 修復(fù)潤滑機理

針對一直以來難以解決的發(fā)動機制造缺陷，又產(chǎn)生了以吸附膜、滲透層、滾動摩擦等修補為潤滑機理的“納米機油”[14]。納米技術(shù)目前已經(jīng)開始應(yīng)用于潤滑油研發(fā)、實驗中[15-16]。

表面積大、高擴散性、易燒結(jié)性、熔點降低、硬度增大是納米材料的特性，不但可以在摩擦表面形成一層易剪切的薄膜，降低摩擦系數(shù)，而且還能對摩擦表面進行一定程度的填補和修復(fù)[17]。

納米粒子尺寸小，近似球形，在摩擦副間可自由滾動，起到滾珠軸承作用，對摩擦表面進行拋光和強化作用，并支撐負荷，使承載能力提高，摩擦系數(shù)降低。另外，納米微粒具有較高的擴散能力和自擴散能力，容易在金屬表面形成具有極佳抗磨性能的滲透層或擴散層，表現(xiàn)出原位摩擦化學(xué)原理。因此，納米潤滑油添加劑具有突出的抗極壓性能和優(yōu)異的抗磨性，較好的潤滑性能，適合在重載、低速、高溫下工作。同時，它又不同于一般的固體潤滑材料，它綜合了流體潤滑和固體潤滑的優(yōu)點[18]。

圖3為在常溫下和同等磨損條件，試驗檢測普通機油和納米機油抗磨性能的試樣磨斑的SEM照片[19]。

圖3 試樣磨斑的SEM照片[19]

圖3 中左側(cè)為使用普通機油的試樣，可見使用普通機油所形成的磨斑表面不規(guī)則、出現(xiàn)嚴(yán)重拉傷。右側(cè)為使用納米機油的試樣，可見使用納米機油所形成的磨斑表面較為平整，磨痕細小，并未出現(xiàn)拉傷等異常磨損。

由此可得納米機油可明顯改善發(fā)動機摩擦副間的表面磨損。然而，納米機油在實際使用中，由于發(fā)動機高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高磨損潤滑環(huán)境，致使納米機油并沒有達到常溫試驗下理想的抗磨性能和效能。

4 結(jié)論及啟示

由于內(nèi)燃機汽車很難被新能源汽車完全取代，設(shè)計、執(zhí)行治理霧霾的限售燃油車計劃仍需時日，汽車發(fā)動機造成的能源和環(huán)境問題仍需解決[2-4]。由于潤滑對汽車發(fā)動機性能的大幅改善和當(dāng)前潤滑機理存在的種種缺陷，需要革新潤滑機理，引入高新技術(shù)研發(fā)新型潤滑油，突破傳統(tǒng)潤滑油技術(shù)體系。

無論是當(dāng)前新型的長效機油還是納米添加劑機油等新型產(chǎn)品，由于發(fā)動機惡劣工況下的潤滑油容易變質(zhì)老化，仍需按照規(guī)定到達一定里程后徹底更換發(fā)動機潤滑油。

針對一直以來難以解決的發(fā)動機燒機油、制造缺陷和機油產(chǎn)生油泥，以及“三濾”無法解決大顆粒磨損問題，區(qū)別于當(dāng)前現(xiàn)存潤滑油，需要提出一種新型的潤滑機理，以最大程度彌補發(fā)動機制造缺陷，大幅減少燒機油和油泥的產(chǎn)生。

根據(jù)當(dāng)前先進潤滑油添加劑技術(shù)現(xiàn)狀，本文為了克服發(fā)動機制造工藝導(dǎo)致的摩擦表面粗糙的缺陷以及不規(guī)則顆粒對發(fā)動機的磨損，預(yù)測性的提出一種免更換、保養(yǎng)的潤滑油理念，作用機理如圖4。由于潤滑油在使用過程中會因氧化反應(yīng)等因素逐漸損耗，可通過添加特定催化劑，實現(xiàn)潤滑油中的基礎(chǔ)油氧化產(chǎn)物細小顆?；?，同添加的功能顆粒一起作為微潤滑顆粒，包裹住因燃油燃燒產(chǎn)生的不規(guī)則大顆粒，以緩沖活塞環(huán)徑向沖擊力，規(guī)避引發(fā)“鋼對鋼干摩擦”狀態(tài)的顆粒磨損，且可填補機件表面粗糙不平，實現(xiàn)發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中自適應(yīng)彌補發(fā)動機制造工藝缺陷，其燃油、潤滑油氧化產(chǎn)物通過機油濾清器凈化。

圖4 新型潤滑機理作用效果

綜上，所提出的潤滑機理即可實現(xiàn)潤滑油氧化產(chǎn)物的循環(huán)利用，免去保養(yǎng)時徹底更換潤滑油，只需補加，定期更換三濾即可實現(xiàn)對不利于潤滑的雜質(zhì)的清除。

如果研發(fā)出此機制的新型潤滑油，其氧化產(chǎn)物具有微型顆粒的特性，可有效降低油泥的產(chǎn)生，并且可大大降低發(fā)動機內(nèi)的摩擦。由于微潤顆粒有自適應(yīng)填補粗糙不平和打磨機件表面的特性，且能包裹大的不規(guī)則顆粒防止其損傷機件表面。所以可進一步保持或縮小摩擦副的間隙，增強發(fā)動機動力性。且由于顆粒磨損的大幅降低，燃燒工況和油泥產(chǎn)生也可得到大幅度改善，實現(xiàn)節(jié)能減排。

綜上，本文總結(jié)了當(dāng)前汽車發(fā)動機、潤滑機理、潤滑油存在的一系列的缺陷不足并說明其成因，然后創(chuàng)新性的提出一種“柔性結(jié)構(gòu)”潤滑機理的概念，利用潤滑油中微結(jié)構(gòu)體等功能體系構(gòu)筑了柔性結(jié)構(gòu)潤滑。希望未來能結(jié)合相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)潤滑油終身不換油（FFL，F(xiàn)ill For Life）的“以補代換”的汽車發(fā)動機保養(yǎng)模式[20]，解決發(fā)動機內(nèi)因顆粒導(dǎo)致的磨損，大幅降低油泥的產(chǎn)生，掌控并自適應(yīng)摩擦副間隙為最佳，修復(fù)發(fā)動機制造缺陷，根治發(fā)動機內(nèi)因顆粒導(dǎo)致的磨損，大幅降低油泥的產(chǎn)生，從而達到大幅改善汽車發(fā)動機動力性、油耗和排放的效果，最終為實現(xiàn)中國汽車強國做貢獻。