汽车发动机润滑性能受保养用机油添加剂影响研究

梁 乾，宁 磊

（汉中职业技术学院，陕西汉中723002）

冷却水和润滑油是汽车发动机运行最重要的依托，汽车发动机在运行过程中一旦出现冷却水或润滑油匮乏，则往往极容易产生拉缸或抱轴现象，形成巨大的安全隐患[1]。针对这一问题，某些汽车生产厂家或汽车使用人员开始尝试将一定量的机油添加剂作为抗磨剂、润滑剂等加入汽车发动机内，由于该类型添加剂具备优良的抗磨、减磨功能，在汽车发动机出现冷却水和润滑油缺失以后，能够一定程度代替二者发挥润滑作用，汽车仍然可以正常行驶一段距离，方便用户进行维修。因此，对于汽车发动机而言，研发并优化该种机油添加剂，是一项极具实用意义的尝试。本文针对机油添加剂种类、作用及其对汽车发动机润滑性能的影响进行综述，旨在为相关领域产品开发提供理论借鉴。

1 汽车发动机润滑系统

1.1 汽车发动机内部工作环境

汽车发动机工作过程中，存在大量相互摩擦做功的金属零部件。尽管这些零件均使用现代机床或其他技术进行了表面光滑度处理，但通过放大来看，零件表面均存在一定粗糙度[2]。在不采用任何润滑措施条件下，汽车发动机中的精密零件会因表面粗糙而形成高速、剧烈摩擦。由于汽车发动机中存在大量进行类似作业的精密零件，零件与零件之间的剧烈摩擦，一方面会加剧发动机功率消耗，降低发动机性能；另一方面也会因摩擦而消耗零件表面材料，使零件迅速损耗，最终影响发动机寿命导致发动机无法正常工作。

1.2 润滑系统作用

汽车发动机的润滑系统，是通过压力润滑、飞溅润滑、润滑脂润滑等多种形式，在发动机工作时不断地将清洁、温度适当且用量充足的机油，输送到高速、剧烈摩擦的全部传动件表面，降低发动机功率损失、减小精密零件损坏，最终达到汽车发动机健康、长期、高效工作等目的。

2 机油添加剂作用与分类

2.1 机油添加剂基本作用

机油添加剂又成为发动机保护剂，是一种通过在基础油中加入一定量的添加剂，从而有效润滑发动机的汽车保养用添加物质。由于基础机油存在易损耗、抗磨成分少等某些特性不足，因此往往需要通过机油添加剂弥补传统机油的固有缺陷，尤其某些总行程达到5万公里以上的汽车，由于汽车发动机各精密零件已产生了较为严重的磨损，单纯使用机油进行润滑，已经无法满足发动机正常工作需求[3-5]。机油添加剂开发之初，多应用在越野拉力赛或F1方程式等职业赛车中，随着科技水平的发展，机油添加剂的种类越来越多，被添加到基础油中可以满足各种环境下对机油的要求，同时可以满足多种发动机的需求，除某些含有石墨烯、有机钼成分的添加剂仍主要用于职业赛车之外，机油添加剂已经被广泛应用于民用汽车。

2.2 基本分类

图1所示为当前汽车领域常用机油添加剂分类。目前常用的机油添加剂按最基本的性能大体分为四类（清洁剂、分散剂、抗磨剂、抗氧化剂），除了以上最基本的四大类，还有很多重要的机油添加剂。如防腐蚀剂、防锈剂、降凝剂等[4，6-7]

图1 机油添加剂的分类Fig. 1 Classification of engine oil additives

2.2.1 清洁剂

汽车添加剂中的清洁剂主要指的是一类由镁盐、钙盐、油溶性金属碱等成分构成的高氯化物清洁剂，具有较强的物理吸附作用。通常情况下，清洁剂在汽车发动机中以胶态分子团形式存在，在发动机润滑系统工作过程中能够有效组织发动机中空间障碍物的形成，有效防止发动机工作中因燃烧不完全而形成的堆积物，保证发动机中各传动件表面清洁，最终起到有利于发动机润滑的作用。

2.2.2 分散剂

分散剂是一种能够有效防止发动机内部因怠速状态产生油泥沉淀效应的汽车发动机机油添加剂。分散剂的主要成为包含C4H5NO2、卡胺、C6H9NO等。其中C4H5NO2在汽车润滑系统中并不形成胶态分子团，但可以在润滑系统中进行单分子溶解，一旦汽车发动机中由于某些原因形成了极性化合物及其沉淀物，C4H5NO2可形成一定的熔化作用，消除发动机中的沉淀物、空间障碍物等，保证润滑系统通畅。

2.2.3 抗磨剂

抗磨剂主要由含有Na2SO3、C69H135O15P的硫磺化合物及含有C28H60O4P2S4Zn、胺盐的酸性磷酸脂构成。抗磨剂的主要功能，是在汽车发动机精密传动部零件因摩擦而产生热量的环境下，作用于金属零件表面并形成一层能够较为有效降低零件间摩擦的覆盖膜，从而在零件产生摩擦以后充分利用膜与膜之间的摩擦代替原有的金属摩擦，从而有效降低发动机动能和零件损耗。

2.2.4 抗氧化剂

添加剂中抗氧剂的主要成分主要包含以下四种：①胺诱导体；②苯酚诱导体；③锌类金属盐，如二烃基硫代酸（如硫羟酸硫羰酸二硫代酸、O-二烃基二硫代酸酸酯等）与二烃基硫代磷酸（黑药）；④有机硫化物。一般经过氧化的机油会生产过氧化物（peroxide）或游离基（free radical reaction），在此过程中，free radical reaction与peroxide会与机油中的氢（H）发生反应生成酸。抗氧剂的主要作用是防止汽油发生过氧化物分解和游离基反应，可减缓和抑制机油的自身氧化过程，并防止金属对滑油氧化的催化作用，从而减少滑油因氧化而产生的酸性物质和油泥。

2.3 其他种类

2.3.1 防腐蚀剂

防腐剂主要是由聚硫化物、C28H60O4P2S4Zn、C7H5NS等构成。由于汽车发动机多数精密传动零部件均为为金属材料（含大量铜、铅合金），而汽车发动机环境中的部分酸性物质及过氧化物成分会与汽车发动机中的精密零件产生反应，最终导致金属零部件被腐蚀。而防腐蚀剂的存在主要作用在于使汽车发动机中的酸性物质惰性化，有效降低酸性物质及过氧化物与金属零部件之间的反应，起到保护发动机内部精密金属零部件的目的。

2.3.2 油性剂

油性剂通又称调整摩擦剂，主要用于在汽车发动机边界润滑条件下实现汽车发动机内部金属精密零部件润滑的机油添加剂。油性剂能够在发动机内部各传动部零件表面形成稳定的分子定向吸附膜，进而在吸附膜与吸附膜的作用下，代替金属表面摩擦，有效降低发动机内部金属零部件磨损。

2.3.3 降凝剂

降凝剂主要由高分子可燃聚合物原料调配而成，能够与发动机中的汽油迅速融合，可以有效降低汽油的冷滤点和凝点，改善汽油的低温流动性能，有效解决气温骤条件下发动机内部汽油网状化阻碍机油流动等问题。降凝剂中含有的高分子材料能够有效形成吸附和共晶两种效应，在无法析出发动机内部蜡晶形成的条件下，通过改变汽油中蜡的结构改善低温状态下发动机内部机油流动状况，降低因机油蜡化带来的对内部零件的磨损。

2.3.4 粘度升高剂

粘度升高剂主要由异丁烯-异戊二烯的聚合物、聚α-甲基苯乙烯树脂等组成。机油的黏度指数是衡量机油润滑性能的重要指标之，用以衡量机油的黏度性能，黏度指数越高则机油的润滑性能往往越好。利用溶剂精制法、加水分解法等能够获得略高于一般机油的黏度指数，但存在一定的极限。粘度升高剂则能够利用内部高分子成分，在发动机内部零件因工作而升温时，充分提升自身溶解性，内部高分子聚合物则由丝网状产生伸展、膨胀，最终提升机油的黏度，起到充分的提升润滑作用。

2.3.5 消泡剂

消泡剂的作用，主要通过二甲硅氧烷（PDMS）和二乙基硅酸酯作用抑制发动机精密零件表面泡沫的形成，通过吸附于泡沫表面与泡沫成分进行反应形成不安定、易破坏泡沫的作用。

3 汽车发动机润滑性受保养用机油添加 剂的影响分析

3.1 机油添加剂对汽车发动机润滑性的分析

母晶秋等[9]针对添加剂添加方式、添加量等对发动机润滑油性能的影响进行实验分析，采用Ⅰ、Ⅱ两种汽车进行试验，测试其发动机机油添加剂对汽车发动机润滑性能的影响，分别在柴油发动机和汽油发动机中加入不同种类的添加剂，然后将加入添加剂与没加添加剂的发动机放置于发动机试验台上进行测试，记录和分析其转速工况下的外特殊性和负荷特性。其研究结果表明，添加剂添加量的增加，对成品润滑油倾点的影响呈先抑制后促进的作用；闪点和黏度指数则均为先促进后抑制作用，认为最为合理的添加剂添加量应为10%（质量占比）。

3.2 机油添加剂减摩节能效果分析

国内某研究机构利用润滑油抗磨极压试验机对机油添加剂减摩节能效果进行实验[9]。这种试验机根据梯姆肯试验机试验原理，采用标准的砝码负重，利用杠杆的原理，使磨擦点的高硬度钢圈轴承与钢珠摩擦，使用机器随机配备的油盒分别加满几种不同的润滑油进行摩擦对比试验，可以根据砝码负荷，电流表显示电流大小，钢圈与钢珠磨痕的大小来明显判定润滑油的抗磨损性能。最终得到表1所示加机油添加剂砝码负重前后对比。

表1 加机油添加剂砝码负重前后对比Table 1 Comparison of weight before and after loading with oil additive

试验前，先检查汽车发动机的运转状态，确保其处于稳定运转下再进行试验。试验时，先对未加入添加剂的汽车发动机进行外特殊性和负荷特性测试；然后相同环境下，在汽车发动机中加入不同种类的添加剂再进行外特殊性和负荷特性测试。不同工况下的测试均保证汽车发动机的转速、热状态和负荷稳定运转开始之后进行测量，测量数据要进行多次记录，取测量结果的平均值，最后进行数据整理和分析。最终结果显示，机油添加剂能够有效降低发动机磨损，且无论机油为全合成或半合成机油，添加剂的减摩节能效果均较为理想。

3 结语

综上，高品质的机油添加剂因其内部富含清洁活化成分，能够有效降低燃油中沉积物、胶质物的形成，通过抑制、溶解等多种形式降低汽车发动机内部精密金属零部件之间的摩擦，从而全面降低零件磨损和发动机动能损耗，在有效提升发动机使用状态的同时，极大延长发动机使用寿命。