基于FTA的汽車發動機潤滑故障分析

馮彥輝，任寶秦

(1.中國石化潤滑油有限公司華東分公司，上海 200137；2.上海市潤滑油品行業協會，上海 200135)

0 引言

隨著經濟的發展和進步，人們的生活水平得到了顯著提升，汽車成為人們的重要出行工具，隨著車輛數量的不斷增多，產生的問題越來越多。為了確保汽車保持良好的性能狀態，能夠正常進行使用，需要研究存在的各種問題，選擇合理的方法進行應對。現階段需要分析汽車機械故障產生的因素，采取合理的維修方法，通過處理和消除機械故障，有助于保障人們的利益，加快汽車行業的發展和進步[1]。在處理汽車發動機故障時，可借助傳統的經驗，保持正確的認知，開展全面分析，以促進維修工作順利開展。

發動機合理潤滑的基本要求是根據摩擦副的工作條件和作用性質，選用適當的潤滑材料；確定正確的潤滑方式和潤滑方法；設計合理的潤滑裝置和潤滑系統；嚴格保持潤滑劑和潤滑部位的清潔；保證供給適量的潤滑劑，防止缺油及漏油；適時清洗換油，既保證潤滑又要節省潤滑材料。

采用先進的管理方法，合理選擇和使用潤滑劑，采用正確的給油方式，可以保持發動機各部分摩擦副的良好潤滑狀態，可以防止摩擦副的異常磨損，防止潤滑油泄漏，防止雜質和異物進入摩擦副表面，從而預防發動機工作可靠性下降和潤滑故障的發生，提高設備生產率，降低設備運轉費用和維修費用[2]。潤滑監測要連續統計潤滑工況，適時反饋給發動機制造商與潤滑材料制造商，以尋求更好的潤滑設計與潤滑介質。

1 汽車發動機的潤滑

1.1 汽車發動機的潤滑管理

發動機的潤滑，是將具有潤滑性能的物質施入汽車發動機中做相對運動零件的接觸表面上，以減少接觸表面的摩擦，降低摩擦對發動機的危害，保證汽車安穩運行。施入機器零件摩擦表面上的潤滑劑(介質)，能夠牢牢地吸附在摩擦表面上，并形成一種潤滑介質膜。這種介質膜與零件的摩擦表面結合得很強，因而兩個摩擦表面能夠被潤滑劑有效地隔開[3]。零件接觸表面的摩擦就變為潤滑劑本身的分子間的摩擦，從而起到降低摩擦、磨損的作用。

發動機潤滑管理要與潤滑系統設計關聯起來，見圖1。必須考慮3種潤滑要素，即摩擦副的種類(如軸承、齒輪、導軌等支承元件)及其運轉條件(如速度、載荷、溫度以及油膜形成機理等)，潤滑劑的類型(如潤滑油、脂或固體、氣體潤滑劑)及其性能，潤滑方法的種類和供油條件等[4]。

1.2 汽車發動機的潤滑要求

發動機具有一套完整的潤滑系統，由油底殼、油泵、粗細濾清器和油道管路組成。潤滑油通過管道、油泵的強制循環或飛濺等方式，被送到各個摩擦部位，在相對運動的摩擦表面形成一層油膜，使金屬表面分開。發動機油的作用是潤滑、減摩、冷卻、降噪、減振、清洗、密封、防銹防腐等。發動機是在高熱負荷、高機械負荷的苛刻條件下工作，所以發動機油應具有良好的潤滑性、氧化安定性、抗磨減摩性、防腐防銹性、黏溫性、低溫流動性、泵送性和清凈分散性等性質[5]。

1.3 發動機零件的潤滑方式

發動機各傳動件的工作條件不盡相同，對負荷及相對運動速度不同的傳動件，采用不同的潤滑方式，主要有壓力潤滑、飛濺潤滑、潤滑脂潤滑3種。若不對這些表面進行潤滑，他們之間將發生強烈的摩擦。金屬表面之間的干摩擦不僅增加發動機的功率消耗，加速零件工作表面的磨損，而且還可能由于摩擦產生的熱將零件工作表面燒損，致使發動機無法運轉。

1.3.1 壓力潤滑

壓力潤滑是以一定的壓力把機油供入摩擦表面的潤滑方式。主要用于主軸承、連桿軸承及凸輪軸承等負荷較大的摩擦表面的潤滑。

1.3.2 飛濺潤滑

利用發動機工作時運動件濺潑起來的油滴或油霧，來達到潤滑摩擦表面的目的。主要用來潤滑負荷較輕的氣缸壁面和配氣機構的凸輪、挺柱、氣門桿以及搖臂等零件的工作表面。

1.3.3 潤滑脂潤滑

通過潤滑脂嘴定期加注潤滑脂來潤滑零件的工作表面，如水泵及發電機軸承等。

2 汽車發動機潤滑系統的分析

2.1 發動機潤滑系的作用

發動機工作時，很多傳動零件都是在很小的間隙下做高速相對運動，如曲軸主軸頸與主軸承，曲柄銷與連桿軸承，凸輪軸頸與凸輪軸承，活塞、活塞環與氣缸壁面，配氣機構各運動副及傳動齒輪副等。盡管這些零件的工作表面都經過精細的加工，但放大來看這些表面卻是凹凸不平的。各運動零件均以一定的力作用在另一個零件上，并且發生高速的相對運動，有了相對運動，零件表面必然要產生摩擦，加速磨損[6]。因此，為了減輕磨損，減小摩擦阻力，延長使用壽命，發動機上都必須有潤滑系統。

潤滑系統的功用就是在發動機工作時，連續不斷地把數量足夠、溫度適當的潔凈機油輸送到全部傳動件的摩擦表面，并在摩擦表面之間形成油膜，實現液體摩擦，從而減小摩擦阻力、降低功率消耗、減輕機件磨損，以達到提高發動機工作可靠性和耐久性的目的。潤滑系統能夠維持發動機的正常運轉，防止事故的發生，降低維修費用，節省資源；降低摩擦阻力，改善摩擦條件，提高傳動效率，節約能源；減少機件磨損，延長設備的使用壽命；減少腐蝕，減輕振動，降低溫度，防止拉傷和咬合，提高設備的可靠性[7]。潤滑的作用就是控制摩擦、減少磨損、降溫冷卻、防止摩擦面銹蝕、沖洗作用、密封作用、減振作用(阻尼振動)等。潤滑的這些作用是互相依存、互相影響的。如不能有效地減少摩擦和磨損，就會產生大量的摩擦熱，迅速破壞摩擦表面和潤滑介質本身，即使短時缺少潤滑介質也會導致摩擦副的潤滑故障。

2.2 發動機壓力潤滑的油路

當發動機工作時，機油從油底殼經集濾器被機油泵送入機油濾清器。如果油壓太高，則機油經機油泵上的安全閥返回機油泵入口。全部機油經濾清器濾清之后進入發動機主油道。濾清器蓋上設有旁通閥，當濾清器堵塞時，機油不經過濾清器濾清，由旁通閥直接進入主油道。機油經主油道進入5條分油道，分別潤滑5個主軸承。然后，機油經曲軸上的斜油道，從主軸承流向連桿軸承潤滑連桿軸頸。主油道中的部分機油經第6條分油道供入中間軸的后軸承。中間軸的前軸承由機油濾清器出油口的一條油道供油潤滑。主油道的另一條分油道直通凸輪軸軸承潤滑油道，此油道也有5個分油道，分別向5個凸輪軸軸承供油。在凸輪軸軸承潤滑油道的后端，即整個壓力潤滑油路的終端裝有最低機油壓力報警開關[8]。發動機壓力潤滑的油路，可用圖2來簡單描述。

當發動機起動之后，機油壓力較低，最低油壓報警開關觸點閉合，油壓指示燈亮。當機油壓力超過31 kPa時，最低油壓報警開關觸點斷開，指示燈熄滅。另外，在機油濾清器上也裝有機油壓力開關，當發動機轉速超過2150 r/min時，機油壓力若低于180 kPa，這時開關觸點閉合，報警燈閃亮，同時蜂鳴器鳴響報警。

2.3 發動機油的作用

循環在潤滑系統中的機油有如下功用：(1)潤滑，機油在運動零件的所有摩擦表面之間形成連續的油膜，以減小零件之間的摩擦。(2)冷卻，機油在循環過程中流過零件工作表面，可以降低零件的溫度。(3)清洗，機油可以帶走摩擦表面產生的金屬碎末及沖洗掉沉積在氣缸、活塞、活塞環及其他零件上的積炭。(4)密封，附著在氣缸壁、活塞及活塞環上的油膜，可起到密封防漏的作用。(5)防銹，機油有防止零件發生銹蝕的作用。

2.4 發動機機油的要求

汽車發動機機油在潤滑系統內循環流動，循環次數每小時可達100次。機油的工作條件十分惡劣，在循環過程中，機油與高溫的金屬壁面及空氣頻頻接觸，不斷氧化變質。竄入曲軸箱內的燃油蒸氣、廢氣以及金屬磨屑和積炭等，使機油受到嚴重污染。機油的工作溫度變化范圍很大：在發動機啟動時為環境溫度。在發動機正常運轉時，曲軸箱中機油的平均溫度可達95 ℃或更高。同時，機油還與180～300 ℃的高溫零件接觸，受到強烈的加熱。

為了保證發動機的潤滑效果，發動機油要有適當的黏度，又要有良好的黏溫特性，使黏度受溫度變化的影響小。潤滑油的黏度過大，會增加摩擦副之間的運動阻力，低溫啟動困難，機械效率降低，燃油消耗增加。黏度過小，在摩擦副之間不能形成強韌的油膜，減摩效果不好，增加發動機的磨損。一般情況下，經常在高負荷條件下工作、使用已久、磨損嚴重、各部位間隙比較大的及在高溫下工作的發動機，要用黏度較大的發動機油，反之要用黏度較小的發動機油。發動機油的選用，主要是根據發動機的技術參數、發動機所處環境溫度、發動機運轉條件、發動機的排放水平及工作條件苛刻度等因素來選擇不同質量級別和黏度級別的發動機油。

3 汽車發動機潤滑故障的分析

3.1 發動機的故障分析方法

3.1.1 發動機零件的失效

發動機潤滑管理不良可能造成故障，使發動機失去工作能力，或喪失規定的工作能力。發動機潤滑故障會造成零件的失效，零件異常磨損或物理化學變化引起的零件變形、斷裂、蝕損等，會使發動機的某些零件失效[9]。

零件的磨損是零件失效的最主要和普遍的形式。發動機在工作過程中，由于受力的作用，使零件的尺寸和形狀發生變形。金屬的變形包括彈性變形、塑性變形。零件在外力載荷作用下，首先發生彈性形變，當載荷所引起的應力超出彈性極限而繼續增加時，材料可能產生塑性形變，最后應力超過強度極限時發生斷裂。

發動機零件在循環接觸應力作用下，表面發生的點狀剝落稱為疲勞點蝕；零件受周圍介質的化學及電化學作用使表層金屬發生的破壞稱為腐蝕；零件在溫度變化和介質作用下表面產生針狀孔洞，并不斷擴大稱為穴蝕。疲勞點蝕、腐蝕和穴蝕統稱為蝕損[10]。

3.1.2 發動機故障的FTA分析

故障樹分析(FTA)是由上往下的演繹式故障分析法，利用布林邏輯組合低階事件，分析系統中不希望出現的狀態。故障樹分析用在發動機潤滑以及可靠性維修方面，可以了解系統失效的原因，并且找到最好的方式降低風險，或是確認潤滑故障事件或是潤滑系統失效的發生率。

根據GB 7829-87，發動機潤滑故障樹分析分為5個步驟。(1)定義及列舉要探討的不想要事件。(2)獲得系統的相關信息，將所有事件及機率列出，以便繪制故障樹。(3)用或門(OR)、與門(AND)繪制故障樹，并定義其主要特性。(4)評估及分析所有可能的改善方式，進行風險管理以改善潤滑系統。(5)控制所識別的風險，運用所有可行的方法來降低故障的發生率。

發動機潤滑故障的FTA分析見圖3。潤滑故障的主要原因是機油壓力過低、機油壓力過高、機油消耗異常和機油變質。

圖3 發動機潤滑故障的FTA分析

3.2 發動機油壓力過低

3.2.1 機油壓力過低的表現

發動機潤滑系出現機油量少、機油泵工作不正常、油道堵塞等，均會造成機油壓力過低。機油壓力過低，會加速曲軸、凸輪軸磨損，甚至因為潤滑不良而使發動機抱軸，嚴重的會造成發動機的報廢[11]。所以，在汽車組合儀表上，都設有壓力指示系統，顯示發動機潤滑系的壓力。發動機潤滑系異常，在排除電子線路故障之后，首先應判斷是否為機油壓力過低。

3.2.2 機油壓力過低的原因

機油壓力過低的原因可能是機油量不足、機油黏度降低、機油泵性能不良、機油濾清器堵塞、泄漏量大等。具體分析見表1。

表1 機油壓力過低的原因分析

機油黏度實際是機油流動時的內摩擦阻力的大小。機油流動時的內摩擦阻力小時，其流動性好；反之，機油流動時的內摩擦阻力大時，其流動性差。因此黏度是機油品質最重要的衡量指標之一[12]。機油濾清器的作用是進一步過濾很小的機械雜質，使用過久后，被過濾出的機械雜質集存在濾芯上。油量能夠產生壓力的原因是機油在油道內流動有阻力。如潤滑系的油道泄漏，限壓閥調定壓力過低或關閉不嚴、曲軸或凸輪軸頸等處因磨損配合間隙過大，都會造成潤滑系的泄漏量增大[13]。

3.2.3 機油壓力低的判斷方法

通過觀察組合儀表機油壓力警告燈，機油壓力表測試機油壓力和觀察氣門室是否有機油，可以及時發現機油壓力過低這個發動機潤滑系最常見的故障。

(1)組合儀表機油壓力警告燈報警。汽車組合儀表上的機油壓力警告(表)報警(點亮)，在排除了機油壓力警告燈電路故障后，才能判斷發動機機油壓力低的故障。

(2)機油壓力表測試。機油警告燈報警，警告發動機機油壓力異常，為確定發動機機油壓力的具體情況，需要連接機油壓力表，檢測發動機機油壓力值是否正常[14]。機油壓力表連接口為機油壓力傳感器的安裝口。

(3)氣門室觀察法。機油壓力表測量的是缸體的主油壓，并不能代表氣缸蓋上的機油壓力。如由于油道堵塞等原因，氣缸蓋上潤滑不充分，會導致氣門異響、凸輪軸磨損、抱死等故障。故有必要確定氣門室是否上機油。氣門室觀察是否上機油，需要啟動發動機，運轉到發動機溫度正常，打開機油加注口蓋，觀察氣門室是否有機油飛濺，并且凸輪軸組件上有機油潤滑。

3.3 發動機油壓力過高

3.3.1 機油壓力過高的表現

潤滑系內的機油壓力過高，主要是機油在系統內流動阻力過大所引起。其表現為：發動機在怠速以上運轉時，發動機溫度正常而機油壓力高于規定值；或在低速運轉時，機油壓力指示器的浮標已升到最上方[15]。

3.3.2 機油壓力過高的原因

機油壓力過高的原因可能是機油黏度過大、潤滑部位配合間隙過小、機油濾清器堵塞、限壓閥調整不當等，具體分析見圖4。機油黏度的大小表明了機油流動時的內摩擦阻力大小。其大小與發動機溫度有關，發動機溫度低時，機油黏度大；反之，發動機溫度高時，機油黏度小。機油黏度大時流動性差但密封性好，泄漏量少。潤滑部位的凸輪軸軸頸、連桿軸頸、曲軸軸頸、搖臂軸等，如果配合間隙過小，會使潤滑系油路的流動阻力增大[16]。

圖4 機油壓力過高的原因分析

3.4 發動機油消耗過多

正常發動機，機油消耗量有限。機油消耗量超過規定值，則說明機油消耗過多，主要原因分析見表2。

表2 機油消耗過多的原因分析

3.5 發動機油變質

3.5.1 機油變質的表現

發動機在運行過程中，受各種因素的影響，會造成機油的氧化和變質。機油變質破壞了油膜的特性，使潤滑性變差甚至潤滑功能喪失，造成尾氣冒藍煙、燒機油、油耗增加、縮短發動機使用壽命等后果，最終導致發動機零件失效或故障，需要提前大修。

3.5.2 機油變質的判斷

機油是否變質的準確判斷方法要通過專門的儀器來測定，但明顯的變質可以通過檢查和觀察確定[17]。

(1)觀察機油的顏色。優質的機油呈半透明的黃棕色或淺藍色，當機油中有水時則呈褐色，發動機運轉一段時間后，會呈乳白色，并伴有泡沫。機油呈黑色通常是油泥和鐵屑過多，或機油中炭粒過多。抽出機油標尺對著光亮處觀察刻度線是否清晰，當透過機油尺上的機油看不清刻線時，則說明機油過臟，需要更換機油。

(2)觀察油流。將裝有機油的量杯慢慢倒向另一空杯，觀察其流動情況。質量好的機油的油流應該是細長、均勻、連綿不斷，變質的機油會呈油滴狀態。

(3)嗅覺法。凡是對嗅覺刺激大且有異味的機油均為變質或劣質機油，好的機油應無特別的氣味，只略帶有芳香。

3.5.3 機油變質的原因

機油變質的原因可能是機油中滲進了水分、活塞環漏氣、曲軸箱通風裝置失效、空濾過臟、燃油進入潤滑系等原因，具體分析見圖5。由于氣缸穿孔漏水、氣缸墊損壞或其他原因導致缸體或曲軸箱進水，當含水量超過0.1%時，機油添加的抗氧化劑、清凈分散劑等就會失效，因而加速機油的氧化過程。

圖5 機油變質的原因分析

由于活塞環或氣缸磨損，經活塞周圍間隙竄到曲軸箱內的可燃混合氣和廢氣，含有水蒸氣和二氧化碳，水蒸氣凝結后在機油中形成泡沫，二氧化碳溶于水中形成酸，這些酸性物質帶進潤滑系內，使機油變質。若壓力高于外界大氣壓力，則會給活塞運行帶來一定阻力，導致機油由油底殼與氣缸體結合處向外滲漏。泄漏到曲軸箱內的氣體中含有二氧化硫，也會促進機油很快變質[18]。

4 結論

(1)從汽車發動機的潤滑要求入手，仔細分析發動機零件的潤滑方式的特點，充分發揮發動機潤滑系統的作用，維持設備的正常運轉，防止事故的發生，降低維修費用，節省資源。

(2)從發動機潤滑的方式及其特點入手，觀察分析壓力潤滑的油路，通過檢測潤滑油的技術指標，判斷發動機的故障，提出預防措施和方法。

(3)以FTA為基礎，分析汽車發動機潤滑系機油壓力過低、機油壓力過高、機油消耗異常和機油變質等故障的表現和原因，為日常保養和維修提供可靠依據。