添加剂和机油润滑

发动机油含有复杂的混合添加剂,以减少排放和提高效率。

通过丹Holdmeyer 2023年1月17日
由Andy Dingley提供(扫描仪)-扫描自汽车(第十三版,大约1935年),汽车手册,伦敦:Iliffe & Sons,公共领域,通过维基共享资源。

润滑的见解

发动机轴承显然需要类似于前面提到的应用中的轴承的润滑,但力学,以及燃料在发动机中的燃烧,可以创造许多挑战。

环和气缸壁之间的润滑膜必须为燃烧室提供密封,以防止吹气,最大限度地减少磨损,控制油耗,减少摩擦和传递热量。

与我们在过去两个月讨论的涡轮、液压和齿轮应用的添加剂包相比,发动机油的添加剂比例最高。发动机油确实含有许多在这些应用中发现的相同类型的添加剂,并且出于相同的原因。具体来说,使用的添加剂有防锈和氧化抑制剂、缓蚀剂、泡沫抑制剂、降凝剂、抗磨添加剂和粘度指数改进剂。用于发动机油的添加剂中最显著的区别是洗涤剂和分散剂。

内燃机使雾化燃料和空气(特别是氧气)的混合物快速燃烧,从而使混合物发生巨大膨胀。膨胀对气缸内的发动机活塞产生压力,迫使连接到活塞的曲轴旋转,从而将燃料转化为机械能。发动机轴承显然需要润滑类似于轴承在前面提到的应用。然而,活塞和汽缸的力学,以及燃料在发动机中的燃烧,给发动机油带来了许多挑战。此外,由于发动机的速度、负载和温度变化很大,为每个部件提供了不止一种润滑机制,这些挑战甚至更加困难。

发动机润滑的类型及其要求

在发动机启动过程中,所有发动机运动部件的边界润滑和混合润滑是主要的。因此,发动机油中必须含有适量的抗磨添加剂。

发动机曲轴和凸轮轴轴承通过轴上的油通道输送润滑油,当发动机以正常速度运行时,提供足够的润滑膜,以在轴承中产生充分的流体膜润滑,或流体动力润滑机制(见图1)。对提高发动机效率的需求导致了今天用于减少发动机内摩擦的低粘度发动机油。幸运的是,更好的发动机轴承加工,即更光滑的轴承表面,使流体动力润滑制度仍然形成较低的粘度。这一关系在一篇题为“斯特里贝克曲线“这种更薄的润滑膜确实会导致更大的颗粒污染敏感性,也就是说,更清洁的油更加关键。”

图1:发动机润滑。图由Andy Dingley提供(扫描仪)-扫描自汽车(第十三版,大约1935年),汽车手册,伦敦:Iliffe & Sons,公共领域,通过维基共享资源。

图1:发动机润滑。图由Andy Dingley提供(扫描仪)-扫描自汽车(第十三版,大约1935年),汽车手册,伦敦:Iliffe & Sons,公共领域,通过维基共享资源。

活塞、密封圈和气缸总成依靠飞溅润滑。在发动机中,靠在气缸壁上的活塞环具有最复杂的润滑机制。它在顶部、底部和死点处经历边界润滑,在那里滑动动作停止并反转方向。在每一次方向反转时,润滑楔必须重新建立。在冲程中,油环和气缸之间可能形成流体动力润滑机制。环和气缸壁之间的润滑膜必须为燃烧室提供密封,以防止吹气,最大限度地减少磨损,控制油耗,减少摩擦和传递热量。

为了不让太多的油进入燃烧室,密封圈和气缸壁之间的润滑膜厚度至关重要。燃烧室中油过多导致机油消耗过多,导致汽油机火花塞淤积,排气阀淤积,活塞淤积,再加上其他发动机弊病。过度的燃油消耗也会损坏排气系统中用于减少排放的催化转换器。

环形设计和气缸交叉凸出是发动机设计的一部分,用于控制燃烧室中的机油,但多级发动机油也有助于控制机油消耗率。多级油采用粘度指数改进剂(VII)配制,VII是一种长聚合物,随着温度升高而展开,有效地增加了它们的尺寸和油的粘度。在低温下,这些聚合物再次卷曲,使油恢复到原来的粘度。这降低了粘度随温度的变化率,并使多级油的配方成为可能。多级润滑油可使发动机在低温下更容易启动,油液在发动机内流动更快,并在高温下提供足够的润滑膜来保护发动机的运动部件。这些VII添加剂在环和缸壁区域的高应力下也表现出暂时性的粘度损失。这种暂时的低粘度有助于减少进入燃烧室的油量。

与直觉相反,粘度较高的油并不能减少油耗,反而可能增加油耗。使用粘度较高的机油会增加发动机油压力,这可能会停止“低油压”警报,但随着时间的推移,粘度较高可能会导致燃烧室中有更多的油。需要注意的是,粘度较高的油可能会轻微减少漏油,但不会持续太久。高里程发动机油可能有一个更好的解决漏油。

活塞上的环受到非常高的燃烧温度的影响,润滑和密封环的油也是如此。因此,发动机油需要有很好的抗氧化添加剂包加洗涤剂。抗氧化剂可以防止油的降解和清漆沉积物的形成,但在这种极端环境下需要更多的保护。活塞环槽中过多的沉积物使环无法在槽内自由“漂浮”,无法正确密封,从而导致喷油、更多的油消耗,并可能导致环断。洗涤剂,顾名思义,有助于保持环槽和活塞冠清洁沉积在那些高燃烧温度。洗涤剂与氧化产物发生化学反应,如清漆和其他沉积物,以防止它们粘附在活塞和环的金属表面,以及整个发动机。

轴承腐蚀是一种潜在的失效过程,由于酸和水燃烧副产物进入油。如果任其发展,这些酸和水会腐蚀和锈蚀整个发动机的金属表面。因此,发动机油清洁剂以及防锈剂和缓蚀剂的设计不仅是中和这些酸,除了由油降解形成的酸,而且还在金属表面提供一层保护涂层。

机油中洗涤剂的好处

洗涤剂可以是中性的或碱性的。碱性洗涤剂通常“碱性过高”,并在油中提供一个称为碱基数(BN)的基础储备,以前称为总碱基数。高BN的油具有更强的酸性中和能力。再说一次,太多也不好。过多的洗涤剂添加剂会干扰抗磨保护或导致在高温下形成过多的沉积物-正好与洗涤剂的预期用途相反。

过多的洗涤剂添加剂也会导致发动机灰分过多。洗涤剂中含有金属元素。通常,这些金属是钙、镁、硼或钠。这些金属清洁剂燃烧时会产生灰。少量的灰可以帮助保护发动机气门防止过度磨损和气门衰退。然而,阀座上过多的灰会导致阀座密封出现间隙,可能导致阀门被烧毁,需要更换。

油的灰分含量由ASTM D874测量。它是在硫酸存在下燃烧的一定量的油的残渣的重量百分比。因此,它通常被称为硫酸盐灰分含量,或只是灰分含量,并报告为“质量%”。从方向性上看,硫酸盐灰分含量越高,BN或碱性储备越高,但两者之间没有直接关系。某些金属基洗涤剂提供比其他相同数量的硫酸盐灰分含量更大的BN。此外,其他石油添加剂也可能含有金属成分,如一些抗磨添加剂中的锌,有助于硫酸盐灰分含量。汽油和柴油发动机油的硫酸盐灰分含量为1%或更少。船用发动机油具有较高的硫酸盐灰分含量和较高的氮化硼,因为它们必须中和燃烧高硫含量燃料所形成的酸。尽管如此,美国环保署的规定也在降低一些海洋燃料中允许的硫含量。

美国环保署对内燃机的排放要求还规定了发动机机油和燃料中添加剂的最大数量和类型。世界上有如此多的内燃机,即使是最小的排放改善也会产生影响。催化转换器安装在今天所有的汽车和公路卡车。船舶和铁路发动机也符合排放要求。发动机后的处理,如催化转换器,很容易堵塞或不活动,因为太多的灰分含量,磷添加剂和太多的硫在油或燃料中,或只是发动机燃烧了太多的油。因此,今天的添加剂系统与10年前使用的添加剂有很大的不同,即使是在没有灰分形成添加剂的情况下也能提高性能。

分散剂添加剂在今天的发动机油中增强了洗涤剂的性能。然而,分散剂是无灰或不含金属元素的。它们有助于在低温地区保持金属表面的清洁。分散剂附着在油烟和清漆前体上,防止它们结块或变得太大而脱离油中的悬浮液。分散剂还能减少煤烟,并通过保持这些污染物的分离来增加污泥相关的粘度。因为它们是无灰的,所以它们对硫酸盐灰分含量没有贡献。它们对BN的贡献很小,但在BN方面没有洗涤剂的“持久力”。

密封调节剂,或有时称为密封膨胀添加剂,可用于一些高里程发动机油。这些添加剂往往有点芳香,并补充一些油在旧的和磨损的发动机密封。这有助于密封保持柔软,而不是变脆,从而帮助老旧,高里程发动机最大限度地减少密封泄漏。高里程发动机油也可以混合在SAE粘度等级的高端,以帮助保持油压在范围内,特别是在怠速时。旧的发动机轴承可能有稍宽的间隙,因此今天的发动机油的低粘度油可能不会在轴承中停留很长时间,导致较低的油压和较薄的润滑油膜。略高的粘度,仍然在SAE等级,将有助于保持油压和适当的润滑膜。

另一个有助于满足当今排放要求的发动机油性能特征是油的挥发性。较低的机油挥发性导致较少的机油燃烧,或汽化,在发动机。发动机油挥发性主要由发动机油中使用的基础油来控制。低粘度油通常比相同基础油的高粘度油具有更高的油挥发性。大多数合成基础油比相同粘度的矿物基础油具有更低的石油波动性。这就是为什么如此多的发动机需要合成基发动机油。

经授权转载自《TLT》2022年11月号摩擦学家和润滑工程师学会它是一个总部位于伊利诺伊州帕克里奇(Park Ridge)的国际非营利专业协会。STLE是CFE媒体和技术内容合作伙伴。

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作者简介:丹·霍尔德迈耶(Dan Holdmeyer)已从雪佛龙润滑油公司退休,现居密苏里州华盛顿。你可以通过dan.holdmeyer@gmail.com与他联系。