發(fā)動機油失效分析的一個思路

馮彥輝，崔鶴

(1.中國石化潤滑油有限公司上海分公司，上海 200137；2.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116021)

0 引言

隨著發(fā)動機技術(shù)的進步，對發(fā)動機油的要求越來越高，ILSAC GF-6機油規(guī)格即將推出，對汽油機油的低溫黏度、燃油經(jīng)濟性、高溫抗氧化及清凈性、中低溫清凈分散性、低速早燃、正時鏈條磨損等方面都提出新的挑戰(zhàn)。因此，需要分析發(fā)動機油失效的原因。

技術(shù)服務(wù)包括技術(shù)上的維護和服務(wù)上的溝通，是產(chǎn)品、研發(fā)、用戶之間的橋梁，無論是與技術(shù)、銷售、市場，還是與產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量都有緊密聯(lián)系[1]。

1 FMEA的分析過程

FMEA即潛在失效模式及后果分析，是在產(chǎn)品設(shè)計階段和過程設(shè)計階段，對構(gòu)成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件，對構(gòu)成過程的各個工序逐一進行分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預(yù)先采取必要的措施，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的一種系統(tǒng)化的活動[2]。

FMEA運用于發(fā)動機油現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，售前技術(shù)服務(wù)注重于潛在的故障分析及預(yù)防故障發(fā)生，這時失效還沒有發(fā)生，它可能會發(fā)生，但未必一定發(fā)生。現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)工作核心應(yīng)集中于故障的預(yù)防。售后技術(shù)服務(wù)注重處理預(yù)計的故障和潤滑失效，分析機械設(shè)備因潤滑引起的原因及后果和影響，主要是對潤滑油使用風(fēng)險的評估，即失效模式的后果影響，采取措施應(yīng)對嚴重的機器故障。也可結(jié)合因果關(guān)系圖對發(fā)現(xiàn)的失效進行分析，找出問題原因，提出應(yīng)對措施。FMEA的分析過程見圖1。

圖1 FMEA的分析過程

2 發(fā)動機油對發(fā)動機的保護機制

2.1 潤滑油的功能

潤滑油是一種技術(shù)密集型產(chǎn)品，是復(fù)雜的碳氫化合物的混合物，其使用性能是復(fù)雜的物理或化學(xué)變化過程的綜合效應(yīng)。潤滑油一般由基礎(chǔ)油和添加劑兩部分組成。基礎(chǔ)油是潤滑油的主要成分，決定著潤滑油的基本性質(zhì)，添加劑則可彌補和改善基礎(chǔ)油性能方面的不足，賦予某些新的性能，是潤滑油的重要組成部分。充分利用現(xiàn)代的潤滑技術(shù)能顯著提高機器的使用性能和壽命，并減少能源消耗[3]。

潤滑油對發(fā)動機的保護機制，主要表現(xiàn)在潤滑、清洗、輔助冷卻降溫、密封防漏、防銹蝕、減震緩沖、抗磨等方面。以液壓油為例，應(yīng)用于液壓挺柱，起液壓作用；在運動零件表面形成油膜，吸收沖擊并減小振動，起減震緩沖作用。

添加劑，可以增強或補充潤滑油的功能，如清洗、保護及修復(fù)作用等。添加劑按功能分主要有清凈劑、分散劑、抗氧抗腐劑、極壓抗磨劑、油性劑和摩擦改進劑、金屬減活劑、防銹劑、降凝劑、抗泡劑、黏度指數(shù)改進劑等類型。耐久性和性能標準不斷提升是全球性的趨勢。在這過程中，高性能機油扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅能夠幫助汽車達到所需的耐久性和性能標準，還能保護發(fā)動機減少磨損、損害和腐蝕的影響，并在提升燃油經(jīng)濟性和降低排放方面發(fā)揮越來越重要的作用。發(fā)動機油的保護模式的分析思路，見圖2。

圖2 發(fā)動機油保護模式的分析思路

2.2 發(fā)動機油失效的危害

保證發(fā)動機油的有效性，正確存放和選擇機油是關(guān)鍵。由于某些地區(qū)燃油質(zhì)量不穩(wěn)定，駕駛員駕駛水平不高，駕駛環(huán)境差等，使發(fā)動機潤滑油的工作情況較為惡劣，要根據(jù)具體情況并結(jié)合換油指標，來認真分析，綜合判斷潤滑油的失效。在機油的平衡相中，包含很多長鏈有機添加劑或改性劑，這些成分的失效是最先開始的，例如黏度指數(shù)改進劑、黏溫改性劑、抗磨劑等，這些成分的變化會導(dǎo)致機油性能的變化甚至機油的失效。機油失效對發(fā)動機的傷害很大，由于黏度指數(shù)改進劑的失效，導(dǎo)致機油黏度的不穩(wěn)定，機器所需的回流和散熱無法保證；黏溫改性劑失效，導(dǎo)致高溫黏度的穩(wěn)定性變差；抗磨劑的失效，導(dǎo)致機油在進行邊界潤滑的時候，無法提供足夠的保護。

如果不及時更換，不僅會加快零部件的磨損，影響使用壽命，甚至發(fā)生安全隱患。如燒軸瓦、卡環(huán)、機油消耗過大、機油燈報警等。

2.3 發(fā)動機油的適用性

發(fā)動機油的減摩、輔助冷卻降溫、密封防漏、防銹防蝕、減震緩沖等作用，是因為在金屬表面形成薄薄的保護層，就是油膜。黏度高的機油形成的油膜厚，黏度小的機油形成的油膜薄。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，只有油膜不破才能保護好發(fā)動機。油膜有很多種屬性，發(fā)動機油關(guān)注油膜強度和油膜厚度[4]。

(1)油膜強度是油膜的一種很重要的屬性，具有抵抗壓力不破裂，并能保持足夠油膜厚度，從而防止摩擦面直接接觸的能力。油膜強度的參數(shù)HTHS，是油液在150 ℃時候通過毛細管黏度計測試得到的表觀黏度，即動力黏度。如果活塞氣缸之間因正壓力變大而使油膜強度減小，那么潤滑油的附著能力就跟著下降，一旦油膜被擠破，機油消耗必然過大。機油消耗過大就是因為油膜強度太低，即HTHS低，應(yīng)選擇HTHS更高的機油。在滿足HTHS要求的情況下選擇機油的時候，100 ℃運動黏度能低就別高。

(2)油膜厚度，反映了機油的運動黏度。黏度是流體的內(nèi)部阻力，機油黏度即通常所說的油的稠稀。一個關(guān)鍵的指標就是100 ℃運動黏度，間接表示潤滑油所能形成的油膜厚度。機油根據(jù)相應(yīng)的100 ℃運動黏度和40 ℃運動黏度可以計算出黏度指數(shù)。發(fā)動機油的黏度過高或過低都不好，“合適的黏度”才是最好的。因為機油黏度過高，機油較稠，機油未能短時間內(nèi)及時被傳送至零部件之間，因此會加大啟動時所受磨損，低溫啟動將變得困難、清洗作用和冷卻散熱作用變差、功率損失導(dǎo)致燃油消耗增大。黏度過低，機油較稀，未能非常有效地被吸附在零部件之間，因此潤滑抗磨和密封作用得不到很好的發(fā)揮，機油消耗量也增大。

(3)一旦機油失去黏稠度，那么油膜也將失去保護能力。如果機油中含較多的水時，就會使機油潤滑性變差，黏度下降，機油油膜抗摩擦效果就會變差，機油變質(zhì)在所難免，嚴重的可能會導(dǎo)致發(fā)動機抱軸、燒瓦。活塞環(huán)或氣缸磨損嚴重時，會導(dǎo)致燃油長期竄入曲軸箱與機油接觸，長期的高溫致使機油變質(zhì)、黏度下降、形成油膜的效果差等。油膜對活塞環(huán)與汽缸壁的潤滑和密封效果漸漸失效，活塞環(huán)與汽缸壁的摩擦不斷加大，長期如此，每當活塞做功一次，高溫火焰進入曲軸箱的次數(shù)增加，惡性循環(huán)不斷，最終導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)機油潤滑失效，導(dǎo)致燒瓦等問題出現(xiàn)。

3 分析發(fā)動機油的失效

3.1 發(fā)動機油的質(zhì)量變化原因

發(fā)動機油的特性表現(xiàn)在低溫啟動性、清凈分散性、抗氧化性、油壓保持性、潤滑性、抗泡沫性、穩(wěn)定性、密封件兼容性、后處理系統(tǒng)兼容性、低油耗等多個方面。檢測主要技術(shù)指標后要進行具體分析[5]。(1)潤滑油黏度變化的原因：混入高等級或低等級黏度的油，潤滑油受到大量水的污染，潤滑油劣化，受到輕質(zhì)油的污染，潤滑油裂解或受到強勁的剪切等。(2)潤滑油酸值增加的原因：潤滑油受到輕質(zhì)油(洗油、輕柴油)和防銹油的污染，受到強酸、強堿的污染，潤滑油氧化、水解，混入高酸值的其他油品等。(3)潤滑油閃點變化的原因：受到輕質(zhì)油的污染，潤滑油嚴重裂解等。(4)進水的原因：冷凝作用，冷卻器泄漏，管理不當(如清洗車輛)，回油管進水，特殊部位進水，儲存環(huán)境差等。(5)潤滑油新油的顏色稍有差異對性能沒有影響，潤滑油顏色變化的原因：潤滑系統(tǒng)存在局部過熱，長期使用后油品氧化產(chǎn)生酸、炭、沉積物、漆膜，其他油品混入，長期低油位運行，加熱器設(shè)計不合理等。(6)潤滑油乳化的原因：潤滑油大量進水，超過了該品種潤滑油的抗乳化能力；潤滑油在油箱的停留時間太短，水無法沉淀分離；潤滑油受到污染；潤滑油氧化變質(zhì)等。(7)抗泡性差的原因：潤滑油受到其他油品的污染；潤滑油局部過熱造成加速氧化；油位太低；漏氣進入潤滑油中。

3.2 發(fā)動機油失效模式

發(fā)動機作為一種機械設(shè)備，要求使用的潤滑油有適當?shù)酿ざ群宛匦阅埽欢ǖ目寡酢⒖鼓ァ⒎栏g等性能。作為一種特定的機械設(shè)備，發(fā)動機工作的特殊性，比較容易造成潤滑失效。

(1)油膜強度失效：發(fā)動機總的特點是體積小，重量輕，機構(gòu)緊湊，且輸出功率大，因此它的單位摩擦面上承受的負荷很大。除了摩擦熱，還受到燃燒熱的影響，所以摩擦面的溫度很高，使?jié)櫥宛ざ认陆担湍ば纬奢^困難。燃燒室內(nèi)高溫高壓的燃燒氣體會通過活塞、活塞環(huán)和缸套之間的間隙，泄漏到曲軸箱，這些燃燒氣體是燃油和少量潤滑油的完全燃燒和未完全燃燒產(chǎn)生的氣體和某些顆粒物(煙炱)，通常成為曲軸箱竄氣的主要成分，它會污染潤滑油，并在一定條件下更促使?jié)櫥脱趸?/p>

(2)油膜形成失效：燃燒室周圍需要的潤滑油是通過活塞和缸套間的間隙，氣門桿和氣門導(dǎo)管間的間隙進入的，因此供油較為困難。活塞和氣門等零件在工作時作往復(fù)運動，故在上、下止點處相對速度為零，使油膜難以形成。活塞銷和襯套呈擺動運動，油膜難以形成。發(fā)動機在停車時和長時間運轉(zhuǎn)時，溫度相差很大，又因零件的熱膨脹和熱變形，使一些摩擦副不變的間隙很難控制，可能因間隙過小產(chǎn)生粘著燒結(jié)，也可能因間隙過大而產(chǎn)生沖擊和震動造成損壞。這些情況下，油膜難以附著。

(3)不同潤滑狀態(tài)對潤滑油的矛盾要求，會造成潤滑失效：在發(fā)動機工作的不同部位和工作時段，流體潤滑和邊界潤滑、以及介于流體潤滑和邊界潤滑之間的混合潤滑，同時存在或交替存在。發(fā)動機中有多種摩擦副，如活塞和缸套、曲軸軸頸和軸承、凸輪和隨動件、齒輪等，盡管它們對潤滑油的潤滑性能要求是不同的，但在一臺發(fā)動機中只能用一種潤滑油(大型船用柴油機除外)，因此選用潤滑油時要照顧到多種潤滑狀態(tài)。

(4)環(huán)境因素破壞潤滑油結(jié)構(gòu)，造成潤滑失效：車用發(fā)動機的使用環(huán)境復(fù)雜，如氣溫、濕度、大氣壓力、塵土等變化較大，會造成一段時間或不同部位的潤滑失效。由于機油中往往含有硫、鉛等元素，會促使某種零件的腐蝕磨損。一些潤滑油因為其中的添加劑失效或用完而性能下降，例如潤滑油中的抗磨劑損耗，會使抗磨性下降；黏度指數(shù)改進劑的有機物分子長鏈斷裂，不再具有增粘作用。基礎(chǔ)油是添加劑的載體，基礎(chǔ)油失效則添加劑不會發(fā)揮作用。

發(fā)動機工作造成潤滑油失效模式的因果關(guān)系見圖3。

圖3 發(fā)動機油失效模式的因果關(guān)系

3.3 發(fā)動機油失效的原因

潤滑油失效的原因一般從幾個方面分析。(1)高溫影響：潤滑油長期處在高溫環(huán)境中，會氧化失效，出現(xiàn)變黑、變稠的現(xiàn)象；潤滑油內(nèi)部的腐蝕物增加，如發(fā)動機工作中形成的酸性物質(zhì)等；積炭、油泥、漆膜等物質(zhì)的增加。(2)工作環(huán)境的雜質(zhì)影響：主要來源于空氣中的塵埃、金屬磨粒、滲漏物(燃油、水等)、潤滑油氧化物以及燃料燃燒產(chǎn)生的物質(zhì)等。(3)添加劑失效：一些潤滑油因為其中的添加劑失效或用完而性能下降，例如潤滑油中的抗磨劑損耗，會使抗磨性下降。(4)黏度指數(shù)改進劑失效：因為其有機物分子長鏈斷裂，不再具有增粘作用。(5)基

礎(chǔ)油失效：基礎(chǔ)油是添加劑的載體，基礎(chǔ)油失效則添加劑不會發(fā)揮作用。

潤滑油中的添加劑一般都是復(fù)合型添加劑，所不同的是單一添加劑的成分以及復(fù)合添加劑內(nèi)部幾種單一添加劑的配伍比例。不同添加劑造成潤滑失效的原因也可能不同。