潤滑機理對汽車發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 智能網聯開發院，長春 130013；2.昆山禾振瑞新復合材料有限公司，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

隨著能源短缺和環境污染形勢日漸惡化，傳統發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展，但其短期內仍無法完全取代發動機汽車，因此發動機潤滑依然會是被長期關注的研究方向[1]。

汽車發動機潤滑系統是非密封的結構，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動機內各種磨損，進而可延長發動機機壽命，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動機制造缺陷并改善性能至關重要。而潤滑油品質和潤滑結構差異對汽車發動機性能的改善影響顯著[3]。

由于當前絕大多數潤滑油仍在高溫、高壓的發動機中燃燒氧化產生油泥等有害物質，對汽車動力性、油耗、排放均造成消極影響[4]。故當前汽車發動機潤滑保養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動機的影響，說明當前汽車發動機潤滑機理，分析潤滑油在使用過程中對發動機動力、油耗和排放的影響，進而提出一種新的潤滑機理，以彌補發動機的制造缺陷，革新潤滑油保養模式，實現汽車發動機的高動力輸出、油耗降低以及排放清潔的目的。

2 與潤滑相關的影響汽車發動機性能的因素

2.1 顆粒

汽車發動機在工作過程中產生的磨損會導致發動機壽命縮短、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動機本身的制造缺陷和工作過程中產生的顆粒。顆粒是造成機械磨損的“元兇”，由于當前的機械制造工藝尚不能實現發動機摩擦副間的光滑相對運動，易發生加速磨損的“鋼對鋼干摩擦”狀態。在汽車發動機使用過程中，由于燃油中雜質的不完全燃燒以及潤滑油的氧化反應而產生的顆粒，也會在摩擦副之間對發動機部件造成磨損，加劇零部件表面的粗糙[6]。

2.2 間隙

為了降低部件間摩擦，尤其是氣缸套內壁與活塞間的摩擦，常適當的增大部件間間隙，但這會使缸壓下降導致發動機動力變弱，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動機動力性，但也會促進潤滑油氧化產生油泥和顆粒，進一步加劇發動機磨損，形成惡性循環直至徹底更換機油[7]，德系車企采用此策略導致其車型燒機油情況嚴重。

2.3 油泥的產生與危害

雖然當前發動機和潤滑油應用的新材料、新工藝可在一定程度上彌補發動機了的制造缺陷，改善了發動機性能，但由于發動機的開放式潤滑結構設計，以及長期的高溫、高壓和高磨損工作環境，導致潤滑油氧化、燃燒產生油泥，而油泥對汽車發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]。

發動機在低溫時運轉時，潤滑油中的不溶物或機件表面沉積物形成低溫油泥；當發動機高溫運轉時，潤滑油發生氧化反應，產生極性產物，形成本固態黑色沉積物，即高溫油泥[9]，如圖1。

圖1 油泥照片[9]

基礎油、添加劑、空氣、水、靜電等共同作用下，通過氧化反應產生了油泥[10]。油泥會造成潤滑油變質老化，導致油泵入口、輸油管路的堵塞，使潤滑系統供油量下降乃至阻斷，從而加劇發動機的磨損，甚至因“干磨”導致擦傷、燒瓦和抱軸等嚴重事故[11]。

3 潤滑機理

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

3.1 油膜潤滑機理

傳統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生的直接摩擦[12]。抗磨是潤滑油的首要功效，保證油膜堅韌一直為潤滑油新技術、新工藝、新思想的核心。不可否認的是當下油膜成型技術大大緩解了“鋼對鋼干摩擦”狀態，使發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，導致無法徹底解決“鋼対鋼干摩擦”問題，甚至發生燒瓦、刮缸等事故。其次，由于潤滑油本身性質，在高溫高壓環境下，其黏度會大幅降低，且會消耗增加和氧化變質，產生油泥，加劇發動機的磨損[12]。

3.2 網狀結構潤滑機理

顯然潤滑機件的油膜再堅韌也無法避免顆粒磨損。

業界熟知的“網格狀”潤滑結構，如圖2，本結構在氣缸套內壁設計網紋狀槽紋，其設計目的普遍被認為是容納潤滑物并增加油膜的結構，使發動機工作時，活塞、活塞環與氣缸套內壁的摩擦減少，提高其壽命[13]。

而基于發動機運行過程中因燃料和潤滑油化學反應而產生大量不規則顆粒物的事實出發，可知，此網紋槽結構亦可使部分顆粒落入凹槽內，然后隨廢氣排放出氣缸，從而大大降低發動機的顆粒磨損。進一步提高汽車節能減排性能，并傳承了德系車動力強的風格。

圖2 德系車“網格狀”潤滑結構[13]

當然，“網格狀”潤滑結構由于增大了活塞與氣缸套內壁的縫隙，也助長了敞開式潤滑制造缺陷，使汽車發動機燒機油工況和油泥的產生更加嚴重、換油保養周期更短。

3.3 修復潤滑機理

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

表面積大、高擴散性、易燒結性、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，而且還能對摩擦表面進行一定程度的填補和修復[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，表現出原位摩擦化學原理。因此，納米潤滑油添加劑具有突出的抗極壓性能和優異的抗磨性，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則、出現嚴重拉傷。右側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，并未出現拉傷等異常磨損。

由此可得納米機油可明顯改善發動機摩擦副間的表面磨損。然而，納米機油在實際使用中，由于發動機高溫、高壓、高轉速、高磨損潤滑環境，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 結論及啟示

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

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

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

根據當前先進潤滑油添加劑技術現狀，本文為了克服發動機制造工藝導致的摩擦表面粗糙的缺陷以及不規則顆粒對發動機的磨損，預測性的提出一種免更換、保養的潤滑油理念，作用機理如圖4。由于潤滑油在使用過程中會因氧化反應等因素逐漸損耗，可通過添加特定催化劑，實現潤滑油中的基礎油氧化產物細小顆粒化，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生的不規則大顆粒，以緩沖活塞環徑向沖擊力，規避引發“鋼對鋼干摩擦”狀態的顆粒磨損，且可填補機件表面粗糙不平，實現發動機運轉過程中自適應彌補發動機制造工藝缺陷，其燃油、潤滑油氧化產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潤滑油氧化產物的循環利用，免去保養時徹底更換潤滑油，只需補加，定期更換三濾即可實現對不利于潤滑的雜質的清除。

如果研發出此機制的新型潤滑油，其氧化產物具有微型顆粒的特性，可有效降低油泥的產生，并且可大大降低發動機內的摩擦。由于微潤顆粒有自適應填補粗糙不平和打磨機件表面的特性，且能包裹大的不規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，燃燒工況和油泥產生也可得到大幅度改善，實現節能減排。

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