汽车发动机润滑油劣化实验分析

施奇哲，付君伟

汽车发动机润滑油劣化实验分析

施奇哲，付君伟

（浙江农业商贸职业学院汽车技术系，浙江 绍兴 312071）

通过汽车发动机润滑油劣化实验，证实了矿物机油被氧化、剪切后长链断裂成短链，粘度下降较快；各种机油的粘温曲线都呈现平缓下降特性。汽缸内硫、氮的氧化物经窜气进入曲轴箱，遇到机油中的水分便会形成无机酸。机油中的机械杂质主要有铁屑、残碳、砂粒和有机金属盐等，以粒度为5 μm～15 μm的微小颗粒为主。分析研究了运动粘度、粘度指数、酸值和机械杂质等性能指标对机油品质的直接影响，应根据机油的劣化程度按质换油，并间接判断发动机的工作状况以便视情维修。

机油；劣化；发动机；实验；分析

前言

当运动粘度、粘度指数、酸值和机械杂质等性能指标符合发动机设计要求时，机油便可以为发动机里的各个运动副提供良好的润滑、清洁、防锈、密封、散热和缓冲等作用，因此机油被誉为汽车的血液[1]。在气缸里，机油时刻经受着高温、高压、燃烧和烟尘等不利因素的严峻考验，工作条件十分恶劣。在曲轴箱里，曲柄连杆机构需要压力润滑和飞溅润滑相结合，以便曲轴能够在6 000 rpm下可靠运行，轴径油膜要承受极大压力，又可能被窜气稀释和酸化，加速机油变质，使润滑性能变差。随着行驶里程的增加，一旦机油的主要性能指标不符合发动机设计要求，它的作用就会大幅下降，甚至造成运动副严重磨损，缩短发动机的使用寿命，所以主机厂都要求按照一定的行驶里程或时间间隔更换机油。由于7座以下乘用车不一定总是使用主机厂指定的机油品牌，如果仍然按照主机厂建议的行驶里程或时间间隔更换机油，势必造成机油浪费或发动机保养不良，产生更多的废机油，增加环境污染风险。比较科学的换油制度，应该通过实验分析机油的主要性能指标，根据机油的劣化程度按质换油，并间接判断发动机的工作状况。可见，机油劣化实验分析对汽车发动机精心保养具有实用价值。

1 实验设备材料工具

在机油劣化实验中用到的设备、材料和工具：

选定实验用汽车3台，1号车型号为丰田卡罗拉2008款1.8 L手动GL-i天窗特别版、2号车型号为丰田卡罗拉2009款1.8 L手动GLX-i特别纪念版、3号车型号为丰田卡罗拉2011款1.8 L手动GL-i纪念版，它们都是学院附属驾校的教练车。

实验用机油选择矿物机油、半合成机油和全合成机油3种，每种机油各准备4 L装2桶，机油品牌分别为嘉实多嘉力APISL/10W-40、嘉实多金嘉护APISN/10W-40、嘉实多极护APISN/5W-40，对应的换油建议为5 000 km或6个月、7 500 km或6个月、10 000 km或12个月。

用300 ml大号注射器连接长塑料管自制抽油器6套，其中3套用于从机油尺插孔抽油，另外3套用于加注新油。

准备500 ml广口瓶30个，用于盛装机油，并用实验车号码、抽油日期和里程表读数编号。

机油性能指标检测全权委托微谱化工技术服务有限公司，并按照国家标准或权威标准出具油样检测报告。

学院汽车综合检测实训室配备举升机和汽车检测保养设备，可供汽车换油、抽油作业。

2 实验操作流程

从2018年3月开始，陆续给3台实验车更换新机油，1号车加注嘉实多嘉力APISL/10W-40SL机油，2号车加注嘉实多金嘉护APISN/10W-40机油，3号车加注嘉实多极护APISN/5W-40机油，同时记录各车的里程表读书，然后把车辆交给驾校教师正常教学使用。在后续十几个月里，实验用车行驶里程每增加1 000 km左右，驾校教师便通知实验员从发动机里抽取200 ml油样，封装在已标记好的广口瓶中，同时给发动机对应补充200 ml新油，这样的操作每台车重复进行9次。新油油样一组3瓶命名为第〇组，第一至第九组为抽取油样每组3瓶，按组送往微谱化工技术服务有限公司化验检测中心，检测运动粘度、粘度指数、酸值和机械杂质等机油性能指标，每组油样出具1份检测报告单。

表1 机油油样40 ℃和100 ℃的运动粘度

里程间隔0123456789 1号车里程表读数/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 40 ℃运动粘度/（mm2/s）119.5104.7103.2102.699.197.494.892.688.485.3 100 ℃运动粘度/（mm2/s）14.914.113.913.713.312.812.411.911.310.6 2号车里程表读数/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 40 ℃运动粘度/（mm2/s）102.090.287.686.485.784.183.380.976.472.5 100 ℃运动粘度/（mm2/s）13.813.112.912.712.412.011.611.210.810.2 3号车里程表读数/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 40 ℃运动粘度/（mm2/s）70.165.664.963.461.859.557.155.753.351.1 100 ℃运动粘度/（mm2/s）12.011.711.311.010.810.610.410.19.69.1

3 实验现象分析

3.1 机油的运动粘度变化

在一定温度下，机油运动粘度越低，流动性越好，形成的油膜越薄，高压下抵抗剪切的性能越弱，不利于摩擦副的润滑。反之，运动粘度越高，流动性越差，形成的油膜越厚，高压下抵抗剪切的性能越强，从而帮助摩擦副减少磨损。因此，运动粘度是衡量机油在工作温度下流动性的主要性能指标。对于发动机润滑油来说，40 ℃和100 ℃的运动粘度更有实际意义，40 ℃运动粘度表达了机油在常温低速剪切下的润滑性能，即常温冷车启动时的机油粘度；100 ℃运动粘度描述了机油在高温低速剪切下的润滑性能[2]，比较贴近暖机工况所需机油粘度。按照GB/T265—1988石油产品运动粘度测定法，测得机油油样40 ℃和100 ℃的运动粘度见表1。随着汽车行驶里程的增加，机油运动粘度的变化趋势如图1所示。

图1 机油运动粘度走势图

由图1可见，3种新油加入发动机后，在第1个里程间隔3台车机油的40 ℃和100 ℃运动粘度都有所下降，但下降的梯度并不一样，1号车机油40 ℃运动粘度下降梯度较大，这在于1号车加注的是矿物机油，其基础油是通过石油常减压蒸馏等系列加工过程得到的产物，是高分子烃类化合物和非烃类化合物的混合物，高分子烃类主要包括直链、支链、多支链烷烃，单环、双环、多环烷烃，单环芳烃、多环芳烃、环烷基芳烃[3]，这些高分子烃被迅速氧化、剪切后长链断裂成短链，内摩擦系数减小，照比新油运动粘度才会大幅下降。2号车所加机油属于半合成机油，其基础油中掺入了一定量的全合成油，矿物油所占比例减少了四分之一左右，氧化、剪切长链断裂成短链使内摩擦系数减小的效应有所降低，2号车机油运动粘度下降梯度便小于1号车。3号车所加机油属于全合成机油，其基础油是通过化工合成等系列加工过程生成的聚α烯烃（PAO）及少量链烃的混合物，具有热氧化安定性好和热分解温度高的优点，氧化、剪切和高温只能略微改变机油的成分，内摩擦系数稍有减小，因此3号车机油运动粘度下降并不像1、2号车那样明显。

1号车机油运动粘度在第5个里程间隔以前下降缓慢，这说明机油氧化、剪切的程度处于稳定阶段，可以满足运动副低温和高温润滑要求。但在第6个里程间隔以后，运动粘度快速下降，机油严重劣化变质，低温启动和高温运行阶段都将发生磨损，可见这种机油给出的5 000 km换油建议还是有道理的。然而，1号实验车并没有及时换油，这才导致车辆运行噪音增大、加速乏力现象。2号车机油运动粘度在第7个里程间隔以前下降缓慢，这说明机油的安全使用寿命有所延长。直到第8个里程间隔以后，运动粘度才开始快速下降，机油呈现劣化迹象，高温阶段运动副开始磨损，这恰好符合7 500 km换油要求。可是，2号实验车也没有及时换油，车辆并没有明显表现出噪音增大、加速乏力现象。3号车机油运动粘度在全部9个里程间隔温和下降，机油没有劣化迹象，说明嘉实多极护机油可以在低温启动和高温运行阶段有效润滑运动副，按照行驶10 000 km换油没有问题。

3.2 机油的粘度指数变化

机油粘度指数是衡量机油粘度随温度变化程度的指标，粘度指数越高，表示机油粘度受温度变化的影响越小，机油粘度对温度越不敏感[4]。按照GB/T1995—1998石油产品粘度指数计算法，

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

N=(logH-logU) / logY （2）

其中，VI为粘度指数；H为由GB/T1995—1998中表1查得油样100 ℃时运动粘度的对应值；U为油样40 ℃时运动粘度，mm2/s；Y为油样100 ℃时运动粘度，mm2/s。

由此得出1号车机油的粘度指数在108～128范围内，2号车机油的粘度指数在124～136范围内，3号车机油的粘度指数在161～169范围内，并且机油粘温曲线都呈现平缓下降特性，见图2。虽然1号车加注了矿物机油，本来它的粘度指数应该比较低，但是为了改善这种性能指标，机油中添加一定比例的粘度指数改进剂乙烯丙烯共聚物（OCP）。这样，在温度较低时，改进剂中的高分子链状有机物在基础油中的溶解度减小，大量高分子蜷曲成紧密小团弥漫于基础油中，抑制了基础油因为温度降低而粘度升高的效果；当温度较高时，高分子链状有机物在基础油中的溶解度增大，那些蜷曲状高分子伸展膨胀游离于基础油中，弱化了基础油由于温度升高而粘度下降的走势[5]。2号车机油粘温曲线能够呈现平缓下降特性道理也是一样。而3号车加注的是全合成机油，机油中PAO的成分本身受温度变化的影响就很小，粘温曲线自然呈现平缓下降特性，这一点并不像矿物机油或半合成机油那样需要添加粘度指数改善剂才能获得平缓下降特性。

图2 机油粘温曲线状态图

3.3 机油的酸值变化

润滑油基础油是高分子烃类化合物和非烃类化合物的混合物，那些化合物都是通过共价键形成的，不会显现出酸碱性。但是，非烃类化合物中含有硫和氮，燃料油精制提纯后也有残存的硫，它们在汽缸内形成硫和氮的氧化物经窜气进入曲轴箱，遇到机油中的水分就会形成无机酸。机油中的碱性添加剂可以及时中和那些无机酸，机油仍然不会显现酸性。当碱性添加剂耗尽以后，机油的酸性才显现出来，开始腐蚀活塞环、气缸壁、气门座、轴瓦等金属零件。酸值是表示机油中含有酸性物质的指标，单位是mgKOH/g。按照GB/T 7304—2014石油产品酸值的测定电位滴定法，测得机油油样的酸值见表2。

表2 机油油样酸值

里程间隔0123456789 1号车里程表读数/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 机油酸值/（mgKOH/g）0.0000.0000.0000.0000.0000.0500.3500.4700.6100.800 2号车里程表读数/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 机油酸值/（mgKOH/g）0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.1500.3700.480 3号车里程表读数/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 机油酸值/（mgKOH/g）0.0100.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.040

由上表可知，1号车直到第5个里程间隔时机油才显示出酸性，开始腐蚀运动副表面，这意味着机油中的碱性添加剂逐步耗尽，机油已经劣化，必须及时换油。2号车直到第7个里程间隔时机油才显示出酸性，这时已经没有碱性添加剂来中和酸性物质了，行驶了7 500 km机油也该更换。3号车直到第9个里程间隔时机油才显示出弱酸性，可见全合成机油中含有长效碱性添加剂，10 000 km换油没有任何问题。

3.4 机油中机械杂质的变化

机油中的机械杂质主要有铁屑、残碳、砂粒和有机金属盐等，它们不溶于润滑油、燃料油、乙醇和苯等有机溶剂。铁屑是运动副发生机械摩擦的产物；残碳是润滑油和燃料油中不饱和烯烃和胶质在高温状态下产生的焦黑状物质；砂粒是由过滤不精细的空气带入，或者由净化不彻底的润滑油和燃料油带入；有机金属盐是由添加剂带入，或者由添加剂的某些成分在高温下生成。尽管机油中添加了一定量的清净分散剂，机油滤清器也在正常工作，但是随着汽车行驶里程的增加，那些微小的机械杂质还是会不断累积。按照GB/T511—1988石油产品和添加剂机械杂质测定法，检测机油油样中机械杂质的含量，然后用激光颗粒度计测得机械杂质中不同粒度的颗粒数见表3、表4和表5。

表3 1号车机油油样中机械杂质颗粒数

里程间隔0123456789 1号车里程表读数/km114 705115 703116 700117 694118 701119 696120 699121 694122 700123 705 5～15 μm颗粒数/ml1 23534 51234 96435 12735 97036 27236 57536 87737 18237 486 15～25 μm颗粒数/ml238395416431437445497550623703 25～50 μm颗粒数/ml84119125129130137155179209257 50～100 μm颗粒数/ml16202127303439465772 ＞100 μm颗粒数/ml456667891112

表4 2号车机油油样中机械杂质颗粒数

里程间隔0123456789 2号车里程表读数/km99 604100 606101 601102 597103 600104 598105 603106 599107 605108 601 5～15 μm颗粒数/ml1 15331 86732 15732 29432 37532 68733 00133 31233 62733 938 15～25 μm颗粒数/ml209377398413418420433451489537 25～50 μm颗粒数/ml72107113121125129132137152187 50～100 μm颗粒数/ml12151521212425283748 ＞100 μm颗粒数/ml2445556667

表5 3号车机油油样中机械杂质颗粒数

里程间隔0123456789 3号车里程表读数/km75 40076 40277 39978 39879 40680 40481 40782 40183 40984 406 5～15 μm颗粒数/ml1 02728 46928 64328 77628 87529 23829 60329 96430 33130 693 15～25 μm颗粒数/ml153258109118121123128131133134 25～50 μm颗粒数/ml579294103104107110115117120 50～100 μm颗粒数/ml9111114151718202124 ＞100 μm颗粒数/ml0000000111

从数据反映的结果看，机油中的机械杂质以粒度为5～15 μm的微小颗粒为主，随着粒度增大其颗粒数迅速减少，表明发动机运动副轻微磨损不可避免，严重磨损很少出现；随着车辆行驶里程的增加，各种粒度的颗粒数都呈现增长态势，表明发动机内残碳、砂粒和有机金属盐是机械杂质的主要成分；1号车在第5个里程间隔以后，各种粒度的颗粒数快速增长，尤其是大粒度的颗粒数增长较快，表明1号车发动机出现严重磨损现象，机油已经裂化；2号车在第7个里程间隔以后，各种粒度的颗粒数快速增长，但大粒度的颗粒数只是略微增长，表明2号车发动机有磨损加剧趋势，机油已经呈现裂化迹象；3号车在全部9个里程间隔里，各种粒度的颗粒数缓慢增长，表明3号车发动机没有严重磨损迹象，机油状态良好。

4 结论

实验分析表明，矿物机油被氧化、剪切后长链断裂成短链，粘度下降较快；全合成机油具有热氧化安定性好和热分解温度高的优点，粘度变化幅度较小；各种机油的粘温曲线都呈现平缓下降特性；汽缸内硫、氮的氧化物经窜气进入曲轴箱，遇到机油中的水分便会形成无机酸，腐蚀运动副金属表面；机油中的机械杂质主要有铁屑、残碳、砂粒和有机金属盐等，以粒度为5～15 μm的微小颗粒为主，发动机运动副轻微磨损不可避免，严重磨损很少出现。由此可见，虽然机油的理化指标有几十项，但是只有运动粘度、粘度指数、酸值和机械杂质等性能指标集中反映机油的质量状态。随着行驶里程的增加，只要上述指标的某一项出现劣化迹象，就应该及时更换机油。否则，机油的润滑减磨、分散清洁、密封防漏、辅助冷却、防锈防蚀和减震缓冲等作用就会大打折扣[6]，发动机的工作状态就会每况愈下，继续拖延下去必然缩短发动机的使用寿命。

[1] 陈闽杰,冼建波,何佳乐,等.基于光吸收的润滑油劣化传感技术研究[J].润滑与密封,2017,42(04):115-118+136.

[2] 王志宽.汽车机油品质劣化规律研究[J].内燃机与配件,2018(02): 53-54.

[3] 曲直.润滑油劣化变质的主要原因[J].汽车维修技师,2010(06):84.

[4] 徐展.发动机油的劣化及其规律[J].中国新技术新产品,2009(11): 127-128.

[5] 张贤明,董玉,吴云,等.废润滑油脱色技术研究及应用进展[J].应用化工,2014,43(06):1128-1132.

[6] 梁兴雨,梅一帆,粟斌,等.使用因素对发动机润滑油劣化影响的层次分析[J].农业工程学报,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，就读于浙江农业商贸职业学院汽车技术系。

本文系浙江省大学生科技创新活动计划项目（编号：2021R449002）部分成果。