发动机油失效分析的一个思路

冯彦辉，崔鹤

(1.中国石化润滑油有限公司上海分公司，上海 200137；2.中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116021)

0 引言

随着发动机技术的进步，对发动机油的要求越来越高，ILSAC GF-6机油规格即将推出，对汽油机油的低温黏度、燃油经济性、高温抗氧化及清净性、中低温清净分散性、低速早燃、正时链条磨损等方面都提出新的挑战。因此，需要分析发动机油失效的原因。

技术服务包括技术上的维护和服务上的沟通，是产品、研发、用户之间的桥梁，无论是与技术、销售、市场，还是与产品开发、生产、质量都有紧密联系[1]。

1 FMEA的分析过程

FMEA即潜在失效模式及后果分析，是在产品设计阶段和过程设计阶段，对构成产品的子系统、零件，对构成过程的各个工序逐一进行分析，找出所有潜在的失效模式，并分析其可能的后果，从而预先采取必要的措施，以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动[2]。

FMEA运用于发动机油现场技术服务，售前技术服务注重于潜在的故障分析及预防故障发生，这时失效还没有发生，它可能会发生，但未必一定发生。现场技术服务工作核心应集中于故障的预防。售后技术服务注重处理预计的故障和润滑失效，分析机械设备因润滑引起的原因及后果和影响，主要是对润滑油使用风险的评估，即失效模式的后果影响，采取措施应对严重的机器故障。也可结合因果关系图对发现的失效进行分析，找出问题原因，提出应对措施。FMEA的分析过程见图1。

图1 FMEA的分析过程

2 发动机油对发动机的保护机制

2.1 润滑油的功能

润滑油是一种技术密集型产品，是复杂的碳氢化合物的混合物，其使用性能是复杂的物理或化学变化过程的综合效应。润滑油一般由基础油和添加剂两部分组成。基础油是润滑油的主要成分，决定着润滑油的基本性质，添加剂则可弥补和改善基础油性能方面的不足，赋予某些新的性能，是润滑油的重要组成部分。充分利用现代的润滑技术能显著提高机器的使用性能和寿命，并减少能源消耗[3]。

润滑油对发动机的保护机制，主要表现在润滑、清洗、辅助冷却降温、密封防漏、防锈蚀、减震缓冲、抗磨等方面。以液压油为例，应用于液压挺柱，起液压作用；在运动零件表面形成油膜，吸收冲击并减小振动，起减震缓冲作用。

添加剂，可以增强或补充润滑油的功能，如清洗、保护及修复作用等。添加剂按功能分主要有清净剂、分散剂、抗氧抗腐剂、极压抗磨剂、油性剂和摩擦改进剂、金属减活剂、防锈剂、降凝剂、抗泡剂、黏度指数改进剂等类型。耐久性和性能标准不断提升是全球性的趋势。在这过程中，高性能机油扮演着至关重要的角色。它不仅能够帮助汽车达到所需的耐久性和性能标准，还能保护发动机减少磨损、损害和腐蚀的影响，并在提升燃油经济性和降低排放方面发挥越来越重要的作用。发动机油的保护模式的分析思路，见图2。

图2 发动机油保护模式的分析思路

2.2 发动机油失效的危害

保证发动机油的有效性，正确存放和选择机油是关键。由于某些地区燃油质量不稳定，驾驶员驾驶水平不高，驾驶环境差等，使发动机润滑油的工作情况较为恶劣，要根据具体情况并结合换油指标，来认真分析，综合判断润滑油的失效。在机油的平衡相中，包含很多长链有机添加剂或改性剂，这些成分的失效是最先开始的，例如黏度指数改进剂、黏温改性剂、抗磨剂等，这些成分的变化会导致机油性能的变化甚至机油的失效。机油失效对发动机的伤害很大，由于黏度指数改进剂的失效，导致机油黏度的不稳定，机器所需的回流和散热无法保证；黏温改性剂失效，导致高温黏度的稳定性变差；抗磨剂的失效，导致机油在进行边界润滑的时候，无法提供足够的保护。

如果不及时更换，不仅会加快零部件的磨损，影响使用寿命，甚至发生安全隐患。如烧轴瓦、卡环、机油消耗过大、机油灯报警等。

2.3 发动机油的适用性

发动机油的减摩、辅助冷却降温、密封防漏、防锈防蚀、减震缓冲等作用，是因为在金属表面形成薄薄的保护层，就是油膜。黏度高的机油形成的油膜厚，黏度小的机油形成的油膜薄。发动机运转时，只有油膜不破才能保护好发动机。油膜有很多种属性，发动机油关注油膜强度和油膜厚度[4]。

(1)油膜强度是油膜的一种很重要的属性，具有抵抗压力不破裂，并能保持足够油膜厚度，从而防止摩擦面直接接触的能力。油膜强度的参数HTHS，是油液在150 ℃时候通过毛细管黏度计测试得到的表观黏度，即动力黏度。如果活塞气缸之间因正压力变大而使油膜强度减小，那么润滑油的附着能力就跟着下降，一旦油膜被挤破，机油消耗必然过大。机油消耗过大就是因为油膜强度太低，即HTHS低，应选择HTHS更高的机油。在满足HTHS要求的情况下选择机油的时候，100 ℃运动黏度能低就别高。

(2)油膜厚度，反映了机油的运动黏度。黏度是流体的内部阻力，机油黏度即通常所说的油的稠稀。一个关键的指标就是100 ℃运动黏度，间接表示润滑油所能形成的油膜厚度。机油根据相应的100 ℃运动黏度和40 ℃运动黏度可以计算出黏度指数。发动机油的黏度过高或过低都不好，“合适的黏度”才是最好的。因为机油黏度过高，机油较稠，机油未能短时间内及时被传送至零部件之间，因此会加大启动时所受磨损，低温启动将变得困难、清洗作用和冷却散热作用变差、功率损失导致燃油消耗增大。黏度过低，机油较稀，未能非常有效地被吸附在零部件之间，因此润滑抗磨和密封作用得不到很好的发挥，机油消耗量也增大。

(3)一旦机油失去黏稠度，那么油膜也将失去保护能力。如果机油中含较多的水时，就会使机油润滑性变差，黏度下降，机油油膜抗摩擦效果就会变差，机油变质在所难免，严重的可能会导致发动机抱轴、烧瓦。活塞环或气缸磨损严重时，会导致燃油长期窜入曲轴箱与机油接触，长期的高温致使机油变质、黏度下降、形成油膜的效果差等。油膜对活塞环与汽缸壁的润滑和密封效果渐渐失效，活塞环与汽缸壁的摩擦不断加大，长期如此，每当活塞做功一次，高温火焰进入曲轴箱的次数增加，恶性循环不断，最终导致曲轴箱内机油润滑失效，导致烧瓦等问题出现。

3 分析发动机油的失效

3.1 发动机油的质量变化原因

发动机油的特性表现在低温启动性、清净分散性、抗氧化性、油压保持性、润滑性、抗泡沫性、稳定性、密封件兼容性、后处理系统兼容性、低油耗等多个方面。检测主要技术指标后要进行具体分析[5]。(1)润滑油黏度变化的原因：混入高等级或低等级黏度的油，润滑油受到大量水的污染，润滑油劣化，受到轻质油的污染，润滑油裂解或受到强劲的剪切等。(2)润滑油酸值增加的原因：润滑油受到轻质油(洗油、轻柴油)和防锈油的污染，受到强酸、强碱的污染，润滑油氧化、水解，混入高酸值的其他油品等。(3)润滑油闪点变化的原因：受到轻质油的污染，润滑油严重裂解等。(4)进水的原因：冷凝作用，冷却器泄漏，管理不当(如清洗车辆)，回油管进水，特殊部位进水，储存环境差等。(5)润滑油新油的颜色稍有差异对性能没有影响，润滑油颜色变化的原因：润滑系统存在局部过热，长期使用后油品氧化产生酸、炭、沉积物、漆膜，其他油品混入，长期低油位运行，加热器设计不合理等。(6)润滑油乳化的原因：润滑油大量进水，超过了该品种润滑油的抗乳化能力；润滑油在油箱的停留时间太短，水无法沉淀分离；润滑油受到污染；润滑油氧化变质等。(7)抗泡性差的原因：润滑油受到其他油品的污染；润滑油局部过热造成加速氧化；油位太低；漏气进入润滑油中。

3.2 发动机油失效模式

发动机作为一种机械设备，要求使用的润滑油有适当的黏度和黏温性能，一定的抗氧、抗磨、防腐蚀等性能。作为一种特定的机械设备，发动机工作的特殊性，比较容易造成润滑失效。

(1)油膜强度失效：发动机总的特点是体积小，重量轻，机构紧凑，且输出功率大，因此它的单位摩擦面上承受的负荷很大。除了摩擦热，还受到燃烧热的影响，所以摩擦面的温度很高，使润滑油黏度下降，油膜形成较困难。燃烧室内高温高压的燃烧气体会通过活塞、活塞环和缸套之间的间隙，泄漏到曲轴箱，这些燃烧气体是燃油和少量润滑油的完全燃烧和未完全燃烧产生的气体和某些颗粒物(烟炱)，通常成为曲轴箱窜气的主要成分，它会污染润滑油，并在一定条件下更促使润滑油氧化。

(2)油膜形成失效：燃烧室周围需要的润滑油是通过活塞和缸套间的间隙，气门杆和气门导管间的间隙进入的，因此供油较为困难。活塞和气门等零件在工作时作往复运动，故在上、下止点处相对速度为零，使油膜难以形成。活塞销和衬套呈摆动运动，油膜难以形成。发动机在停车时和长时间运转时，温度相差很大，又因零件的热膨胀和热变形，使一些摩擦副不变的间隙很难控制，可能因间隙过小产生粘着烧结，也可能因间隙过大而产生冲击和震动造成损坏。这些情况下，油膜难以附着。

(3)不同润滑状态对润滑油的矛盾要求，会造成润滑失效：在发动机工作的不同部位和工作时段，流体润滑和边界润滑、以及介于流体润滑和边界润滑之间的混合润滑，同时存在或交替存在。发动机中有多种摩擦副，如活塞和缸套、曲轴轴颈和轴承、凸轮和随动件、齿轮等，尽管它们对润滑油的润滑性能要求是不同的，但在一台发动机中只能用一种润滑油(大型船用柴油机除外)，因此选用润滑油时要照顾到多种润滑状态。

(4)环境因素破坏润滑油结构，造成润滑失效：车用发动机的使用环境复杂，如气温、湿度、大气压力、尘土等变化较大，会造成一段时间或不同部位的润滑失效。由于机油中往往含有硫、铅等元素，会促使某种零件的腐蚀磨损。一些润滑油因为其中的添加剂失效或用完而性能下降，例如润滑油中的抗磨剂损耗，会使抗磨性下降；黏度指数改进剂的有机物分子长链断裂，不再具有增粘作用。基础油是添加剂的载体，基础油失效则添加剂不会发挥作用。

发动机工作造成润滑油失效模式的因果关系见图3。

图3 发动机油失效模式的因果关系

3.3 发动机油失效的原因

润滑油失效的原因一般从几个方面分析。(1)高温影响：润滑油长期处在高温环境中，会氧化失效，出现变黑、变稠的现象；润滑油内部的腐蚀物增加，如发动机工作中形成的酸性物质等；积炭、油泥、漆膜等物质的增加。(2)工作环境的杂质影响：主要来源于空气中的尘埃、金属磨粒、渗漏物(燃油、水等)、润滑油氧化物以及燃料燃烧产生的物质等。(3)添加剂失效：一些润滑油因为其中的添加剂失效或用完而性能下降，例如润滑油中的抗磨剂损耗，会使抗磨性下降。(4)黏度指数改进剂失效：因为其有机物分子长链断裂，不再具有增粘作用。(5)基

础油失效：基础油是添加剂的载体，基础油失效则添加剂不会发挥作用。

润滑油中的添加剂一般都是复合型添加剂，所不同的是单一添加剂的成分以及复合添加剂内部几种单一添加剂的配伍比例。不同添加剂造成润滑失效的原因也可能不同。