汽車發動機潤滑油劣化實驗分析

施奇哲，付君偉

汽車發動機潤滑油劣化實驗分析

施奇哲，付君偉

（浙江農業商貿職業學院汽車技術系，浙江 紹興 312071）

通過汽車發動機潤滑油劣化實驗，證實了礦物機油被氧化、剪切后長鏈斷裂成短鏈，粘度下降較快；各種機油的粘溫曲線都呈現平緩下降特性。汽缸內硫、氮的氧化物經竄氣進入曲軸箱，遇到機油中的水分便會形成無機酸。機油中的機械雜質主要有鐵屑、殘碳、砂粒和有機金屬鹽等，以粒度為5 μm～15 μm的微小顆粒為主。分析研究了運動粘度、粘度指數、酸值和機械雜質等性能指標對機油品質的直接影響，應根據機油的劣化程度按質換油，并間接判斷發動機的工作狀況以便視情維修。

機油；劣化；發動機；實驗；分析

前言

當運動粘度、粘度指數、酸值和機械雜質等性能指標符合發動機設計要求時，機油便可以為發動機里的各個運動副提供良好的潤滑、清潔、防銹、密封、散熱和緩沖等作用，因此機油被譽為汽車的血液[1]。在氣缸里，機油時刻經受著高溫、高壓、燃燒和煙塵等不利因素的嚴峻考驗，工作條件十分惡劣。在曲軸箱里，曲柄連桿機構需要壓力潤滑和飛濺潤滑相結合，以便曲軸能夠在6 000 rpm下可靠運行，軸徑油膜要承受極大壓力，又可能被竄氣稀釋和酸化，加速機油變質，使潤滑性能變差。隨著行駛里程的增加，一旦機油的主要性能指標不符合發動機設計要求，它的作用就會大幅下降，甚至造成運動副嚴重磨損，縮短發動機的使用壽命，所以主機廠都要求按照一定的行駛里程或時間間隔更換機油。由于7座以下乘用車不一定總是使用主機廠指定的機油品牌，如果仍然按照主機廠建議的行駛里程或時間間隔更換機油，勢必造成機油浪費或發動機保養不良，產生更多的廢機油，增加環境污染風險。比較科學的換油制度，應該通過實驗分析機油的主要性能指標，根據機油的劣化程度按質換油，并間接判斷發動機的工作狀況。可見，機油劣化實驗分析對汽車發動機精心保養具有實用價值。

1 實驗設備材料工具

在機油劣化實驗中用到的設備、材料和工具：

選定實驗用汽車3臺，1號車型號為豐田卡羅拉2008款1.8 L手動GL-i天窗特別版、2號車型號為豐田卡羅拉2009款1.8 L手動GLX-i特別紀念版、3號車型號為豐田卡羅拉2011款1.8 L手動GL-i紀念版，它們都是學院附屬駕校的教練車。

實驗用機油選擇礦物機油、半合成機油和全合成機油3種，每種機油各準備4 L裝2桶，機油品牌分別為嘉實多嘉力APISL/10W-40、嘉實多金嘉護APISN/10W-40、嘉實多極護APISN/5W-40，對應的換油建議為5 000 km或6個月、7 500 km或6個月、10 000 km或12個月。

用300 ml大號注射器連接長塑料管自制抽油器6套，其中3套用于從機油尺插孔抽油，另外3套用于加注新油。

準備500 ml廣口瓶30個，用于盛裝機油，并用實驗車號碼、抽油日期和里程表讀數編號。

機油性能指標檢測全權委托微譜化工技術服務有限公司，并按照國家標準或權威標準出具油樣檢測報告。

學院汽車綜合檢測實訓室配備舉升機和汽車檢測保養設備，可供汽車換油、抽油作業。

2 實驗操作流程

從2018年3月開始，陸續給3臺實驗車更換新機油，1號車加注嘉實多嘉力APISL/10W-40SL機油，2號車加注嘉實多金嘉護APISN/10W-40機油，3號車加注嘉實多極護APISN/5W-40機油，同時記錄各車的里程表讀書，然后把車輛交給駕校教師正常教學使用。在后續十幾個月里，實驗用車行駛里程每增加1 000 km左右，駕校教師便通知實驗員從發動機里抽取200 ml油樣，封裝在已標記好的廣口瓶中，同時給發動機對應補充200 ml新油，這樣的操作每臺車重復進行9次。新油油樣一組3瓶命名為第〇組，第一至第九組為抽取油樣每組3瓶，按組送往微譜化工技術服務有限公司化驗檢測中心，檢測運動粘度、粘度指數、酸值和機械雜質等機油性能指標，每組油樣出具1份檢測報告單。

表1 機油油樣40 ℃和100 ℃的運動粘度

里程間隔0123456789 1號車里程表讀數/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 40 ℃運動粘度/（mm2/s）119.5104.7103.2102.699.197.494.892.688.485.3 100 ℃運動粘度/（mm2/s）14.914.113.913.713.312.812.411.911.310.6 2號車里程表讀數/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 40 ℃運動粘度/（mm2/s）102.090.287.686.485.784.183.380.976.472.5 100 ℃運動粘度/（mm2/s）13.813.112.912.712.412.011.611.210.810.2 3號車里程表讀數/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 40 ℃運動粘度/（mm2/s）70.165.664.963.461.859.557.155.753.351.1 100 ℃運動粘度/（mm2/s）12.011.711.311.010.810.610.410.19.69.1

3 實驗現象分析

3.1 機油的運動粘度變化

在一定溫度下，機油運動粘度越低，流動性越好，形成的油膜越薄，高壓下抵抗剪切的性能越弱，不利于摩擦副的潤滑。反之，運動粘度越高，流動性越差，形成的油膜越厚，高壓下抵抗剪切的性能越強，從而幫助摩擦副減少磨損。因此，運動粘度是衡量機油在工作溫度下流動性的主要性能指標。對于發動機潤滑油來說，40 ℃和100 ℃的運動粘度更有實際意義，40 ℃運動粘度表達了機油在常溫低速剪切下的潤滑性能，即常溫冷車啟動時的機油粘度；100 ℃運動粘度描述了機油在高溫低速剪切下的潤滑性能[2]，比較貼近暖機工況所需機油粘度。按照GB/T265—1988石油產品運動粘度測定法，測得機油油樣40 ℃和100 ℃的運動粘度見表1。隨著汽車行駛里程的增加，機油運動粘度的變化趨勢如圖1所示。

圖1 機油運動粘度走勢圖

由圖1可見，3種新油加入發動機后，在第1個里程間隔3臺車機油的40 ℃和100 ℃運動粘度都有所下降，但下降的梯度并不一樣，1號車機油40 ℃運動粘度下降梯度較大，這在于1號車加注的是礦物機油，其基礎油是通過石油常減壓蒸餾等系列加工過程得到的產物，是高分子烴類化合物和非烴類化合物的混合物，高分子烴類主要包括直鏈、支鏈、多支鏈烷烴，單環、雙環、多環烷烴，單環芳烴、多環芳烴、環烷基芳烴[3]，這些高分子烴被迅速氧化、剪切后長鏈斷裂成短鏈，內摩擦系數減小，照比新油運動粘度才會大幅下降。2號車所加機油屬于半合成機油，其基礎油中摻入了一定量的全合成油，礦物油所占比例減少了四分之一左右，氧化、剪切長鏈斷裂成短鏈使內摩擦系數減小的效應有所降低，2號車機油運動粘度下降梯度便小于1號車。3號車所加機油屬于全合成機油，其基礎油是通過化工合成等系列加工過程生成的聚α烯烴（PAO）及少量鏈烴的混合物，具有熱氧化安定性好和熱分解溫度高的優點，氧化、剪切和高溫只能略微改變機油的成分，內摩擦系數稍有減小，因此3號車機油運動粘度下降并不像1、2號車那樣明顯。

1號車機油運動粘度在第5個里程間隔以前下降緩慢，這說明機油氧化、剪切的程度處于穩定階段，可以滿足運動副低溫和高溫潤滑要求。但在第6個里程間隔以后，運動粘度快速下降，機油嚴重劣化變質，低溫啟動和高溫運行階段都將發生磨損，可見這種機油給出的5 000 km換油建議還是有道理的。然而，1號實驗車并沒有及時換油，這才導致車輛運行噪音增大、加速乏力現象。2號車機油運動粘度在第7個里程間隔以前下降緩慢，這說明機油的安全使用壽命有所延長。直到第8個里程間隔以后，運動粘度才開始快速下降，機油呈現劣化跡象，高溫階段運動副開始磨損，這恰好符合7 500 km換油要求。可是，2號實驗車也沒有及時換油，車輛并沒有明顯表現出噪音增大、加速乏力現象。3號車機油運動粘度在全部9個里程間隔溫和下降，機油沒有劣化跡象，說明嘉實多極護機油可以在低溫啟動和高溫運行階段有效潤滑運動副，按照行駛10 000 km換油沒有問題。

3.2 機油的粘度指數變化

機油粘度指數是衡量機油粘度隨溫度變化程度的指標，粘度指數越高，表示機油粘度受溫度變化的影響越小，機油粘度對溫度越不敏感[4]。按照GB/T1995—1998石油產品粘度指數計算法，

VI = [(antilogN)-1] / 0.007 15+100 （1）

N=(logH-logU) / logY （2）

其中，VI為粘度指數；H為由GB/T1995—1998中表1查得油樣100 ℃時運動粘度的對應值；U為油樣40 ℃時運動粘度，mm2/s；Y為油樣100 ℃時運動粘度，mm2/s。

由此得出1號車機油的粘度指數在108～128范圍內，2號車機油的粘度指數在124～136范圍內，3號車機油的粘度指數在161～169范圍內，并且機油粘溫曲線都呈現平緩下降特性，見圖2。雖然1號車加注了礦物機油，本來它的粘度指數應該比較低，但是為了改善這種性能指標，機油中添加一定比例的粘度指數改進劑乙烯丙烯共聚物（OCP）。這樣，在溫度較低時，改進劑中的高分子鏈狀有機物在基礎油中的溶解度減小，大量高分子蜷曲成緊密小團彌漫于基礎油中，抑制了基礎油因為溫度降低而粘度升高的效果；當溫度較高時，高分子鏈狀有機物在基礎油中的溶解度增大，那些蜷曲狀高分子伸展膨脹游離于基礎油中，弱化了基礎油由于溫度升高而粘度下降的走勢[5]。2號車機油粘溫曲線能夠呈現平緩下降特性道理也是一樣。而3號車加注的是全合成機油，機油中PAO的成分本身受溫度變化的影響就很小，粘溫曲線自然呈現平緩下降特性，這一點并不像礦物機油或半合成機油那樣需要添加粘度指數改善劑才能獲得平緩下降特性。

圖2 機油粘溫曲線狀態圖

3.3 機油的酸值變化

潤滑油基礎油是高分子烴類化合物和非烴類化合物的混合物，那些化合物都是通過共價鍵形成的，不會顯現出酸堿性。但是，非烴類化合物中含有硫和氮，燃料油精制提純后也有殘存的硫，它們在汽缸內形成硫和氮的氧化物經竄氣進入曲軸箱，遇到機油中的水分就會形成無機酸。機油中的堿性添加劑可以及時中和那些無機酸，機油仍然不會顯現酸性。當堿性添加劑耗盡以后，機油的酸性才顯現出來，開始腐蝕活塞環、氣缸壁、氣門座、軸瓦等金屬零件。酸值是表示機油中含有酸性物質的指標，單位是mgKOH/g。按照GB/T 7304—2014石油產品酸值的測定電位滴定法，測得機油油樣的酸值見表2。

表2 機油油樣酸值

里程間隔0123456789 1號車里程表讀數/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 機油酸值/（mgKOH/g）0.0000.0000.0000.0000.0000.0500.3500.4700.6100.800 2號車里程表讀數/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 機油酸值/（mgKOH/g）0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.1500.3700.480 3號車里程表讀數/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 機油酸值/（mgKOH/g）0.0100.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.040

由上表可知，1號車直到第5個里程間隔時機油才顯示出酸性，開始腐蝕運動副表面，這意味著機油中的堿性添加劑逐步耗盡，機油已經劣化，必須及時換油。2號車直到第7個里程間隔時機油才顯示出酸性，這時已經沒有堿性添加劑來中和酸性物質了，行駛了7 500 km機油也該更換。3號車直到第9個里程間隔時機油才顯示出弱酸性，可見全合成機油中含有長效堿性添加劑，10 000 km換油沒有任何問題。

3.4 機油中機械雜質的變化

機油中的機械雜質主要有鐵屑、殘碳、砂粒和有機金屬鹽等，它們不溶于潤滑油、燃料油、乙醇和苯等有機溶劑。鐵屑是運動副發生機械摩擦的產物；殘碳是潤滑油和燃料油中不飽和烯烴和膠質在高溫狀態下產生的焦黑狀物質；砂粒是由過濾不精細的空氣帶入，或者由凈化不徹底的潤滑油和燃料油帶入；有機金屬鹽是由添加劑帶入，或者由添加劑的某些成分在高溫下生成。盡管機油中添加了一定量的清凈分散劑，機油濾清器也在正常工作，但是隨著汽車行駛里程的增加，那些微小的機械雜質還是會不斷累積。按照GB/T511—1988石油產品和添加劑機械雜質測定法，檢測機油油樣中機械雜質的含量，然后用激光顆粒度計測得機械雜質中不同粒度的顆粒數見表3、表4和表5。

表3 1號車機油油樣中機械雜質顆粒數

里程間隔0123456789 1號車里程表讀數/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 5～15 μm顆粒數/ml1 23534 51234 96435 12735 97036 27236 57536 87737 18237 486 15～25 μm顆粒數/ml238395416431437445497550623703 25～50 μm顆粒數/ml84119125129130137155179209257 50～100 μm顆粒數/ml16202127303439465772 ＞100 μm顆粒數/ml456667891112

表4 2號車機油油樣中機械雜質顆粒數

里程間隔0123456789 2號車里程表讀數/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 5～15 μm顆粒數/ml1 15331 86732 15732 29432 37532 68733 00133 31233 62733 938 15～25 μm顆粒數/ml209377398413418420433451489537 25～50 μm顆粒數/ml72107113121125129132137152187 50～100 μm顆粒數/ml12151521212425283748 ＞100 μm顆粒數/ml2445556667

表5 3號車機油油樣中機械雜質顆粒數

里程間隔0123456789 3號車里程表讀數/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 5～15 μm顆粒數/ml1 02728 46928 64328 77628 87529 23829 60329 96430 33130 693 15～25 μm顆粒數/ml153258109118121123128131133134 25～50 μm顆粒數/ml579294103104107110115117120 50～100 μm顆粒數/ml9111114151718202124 ＞100 μm顆粒數/ml0000000111

從數據反映的結果看，機油中的機械雜質以粒度為5～15 μm的微小顆粒為主，隨著粒度增大其顆粒數迅速減少，表明發動機運動副輕微磨損不可避免，嚴重磨損很少出現；隨著車輛行駛里程的增加，各種粒度的顆粒數都呈現增長態勢，表明發動機內殘碳、砂粒和有機金屬鹽是機械雜質的主要成分；1號車在第5個里程間隔以后，各種粒度的顆粒數快速增長，尤其是大粒度的顆粒數增長較快，表明1號車發動機出現嚴重磨損現象，機油已經裂化；2號車在第7個里程間隔以后，各種粒度的顆粒數快速增長，但大粒度的顆粒數只是略微增長，表明2號車發動機有磨損加劇趨勢，機油已經呈現裂化跡象；3號車在全部9個里程間隔里，各種粒度的顆粒數緩慢增長，表明3號車發動機沒有嚴重磨損跡象，機油狀態良好。

4 結論

實驗分析表明，礦物機油被氧化、剪切后長鏈斷裂成短鏈，粘度下降較快；全合成機油具有熱氧化安定性好和熱分解溫度高的優點，粘度變化幅度較小；各種機油的粘溫曲線都呈現平緩下降特性；汽缸內硫、氮的氧化物經竄氣進入曲軸箱，遇到機油中的水分便會形成無機酸，腐蝕運動副金屬表面；機油中的機械雜質主要有鐵屑、殘碳、砂粒和有機金屬鹽等，以粒度為5～15 μm的微小顆粒為主，發動機運動副輕微磨損不可避免，嚴重磨損很少出現。由此可見，雖然機油的理化指標有幾十項，但是只有運動粘度、粘度指數、酸值和機械雜質等性能指標集中反映機油的質量狀態。隨著行駛里程的增加，只要上述指標的某一項出現劣化跡象，就應該及時更換機油。否則，機油的潤滑減磨、分散清潔、密封防漏、輔助冷卻、防銹防蝕和減震緩沖等作用就會大打折扣[6]，發動機的工作狀態就會每況愈下，繼續拖延下去必然縮短發動機的使用壽命。

[1] 陳閩杰,冼建波,何佳樂,等.基于光吸收的潤滑油劣化傳感技術研究[J].潤滑與密封,2017,42(04):115-118+136.

[2] 王志寬.汽車機油品質劣化規律研究[J].內燃機與配件,2018(02): 53-54.

[3] 曲直.潤滑油劣化變質的主要原因[J].汽車維修技師,2010(06):84.

[4] 徐展.發動機油的劣化及其規律[J].中國新技術新產品,2009(11): 127-128.

[5] 張賢明,董玉,吳云,等.廢潤滑油脫色技術研究及應用進展[J].應用化工,2014,43(06):1128-1132.

[6] 梁興雨,梅一帆,粟斌,等.使用因素對發動機潤滑油劣化影響的層次分析[J].農業工程學報,2010,26(S2):248-252.

Experimental Analysis of Automotive Engine Oil Deterioration

SHI Qizhe, FU Junwei

( Department of Automotive Technology, Zhejiang Agriculture Business College, Zhejiang Shaoxing 312071 )

By the experiment of automotive engine oil degradation, it was confirmed that the mineral oil viscosity decreased rapidly when it was oxidized with the long chain broke into a short chain after shearing. The viscosity-temperature curves of all kinds’ oil showed a gentle decline. The oxide of sulfur and nitrogen in the cylinder squeezed into the crankcase, the water in the oil would form an inorganic acid with it. The mechanical impurities in the oil mainly included iron filings, residual carbon, sand grains and organic metal salts, etc., with the particle size of 5μm～15μm. The performance indexes on the quality of engine oil such as kinematic viscosity, viscosity index, acid value and mechanical impurities were analyzed and studied, for indirectly determining the working condition of the engine for maintenance.

Motor oil; Deterioration; Engine; Experiment; Analysis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.035

U473.6

A

1671-7988(2021)21-134-05

U473.6

A

1671-7988(2021)21-134-05

施奇哲（2001—），男，就讀于浙江農業商貿職業學院汽車技術系。

本文系浙江省大學生科技創新活動計劃項目（編號：2021R449002）部分成果。