发动机润滑油的黏度特性及防氧化剂添加

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：内燃机的润滑油称为发动机机油。图9-24举例说明了发动机润滑油随温度的黏度特性。防氧化剂润滑油在高负荷条件下可以上升到130℃高温。为此，利用润滑油冷却器降低润滑油的温度到110℃以下。为了安全，在润滑油中添加防氧化剂或清净分散剂等中和剂，以抑制氧化反应的发生。

内燃机的润滑油称为发动机机油。润滑油不仅在低负荷到高负荷、冷态起动性等多样运行条件下，还应在恶劣的运行条件下长时间使用。

润滑剂应满足下述要求：

①能长时间保持油膜的强度（油性、黏度）。

②对金属没有腐蚀性，应保持亲和性。

③低温黏度低。

④随温度变化的黏度变化要小。

⑤对热量和氧化的稳定性良好。

⑥良好的热传递率。

⑦蜡生成少，炭化物应不沉积在气缸内。

1.润滑油的性质

内燃机获得能满足所有运行条件的润滑油是不可能的。因此，根据发动机的类型、运行条件、使用场所等条件，开发有很多种润滑油。润滑油不仅应满足在规格中明示的最重要的黏度特性，还应满足下述各种性能。

（1）流点润滑油在低温状态下也应能充分发挥其润滑功能。但是，润滑油在低温状态下会因结晶体析出失去其流动性能。流点是润滑油丧失其流动性能时的温度。流动性与黏度有密切的关系，但与流点不是同一性质。润滑油的流点越低越好。

（2）油性油性（亲金属性）是油膜与金属表面不易分离的性质，是在润滑油性质中仅次于黏度的重要性质。边界润滑时的油膜相当薄，如果此时润滑油在金属表面上的吸附能力高，容易形成油膜，可以最小化摩擦和磨损。油性随润滑油成分的不同而不同，黏度相同的润滑油，动植物油的油性大于矿油的油性。

（3）氧化稳定性润滑油的温度在120～130℃开始与空气接触氧化。这些物质与燃烧生成物混合生成淤泥，会导致摩擦损失增大、金属表面腐蚀、润滑油路封闭等故障。通常，易氧化的润滑油有易炭化的倾向。氧化与炭化两者的性质有密切的关系。

（4）黏度为确保润滑油油膜的强度，黏度起着重要的要素。在润滑油的分类上，有根据黏度的SAE分类、根据质量标准的API分类和SAE新分类。汽车发动机润滑油有很多等级，根据发动机类型和气温等使用条件，选用适合的润滑油很重要。发动机润滑油的规格见表9-1。

①SAE、API分类。SAE是美国汽车工程协会（SAE）制定的发动机润滑油规格，有满足低温（-17.8℃）或高温（98.9℃）任何一级规定黏度的单等级的润滑油，以及满足全部低温和高温状态规定黏度的多等级润滑油，如10W-30、20W-40等型号。这里W表示winter grade（冬季等级），数字越大，其黏度越高。夏季使用30～40，冬季使用10～20。

API是美国石油协会（API）指定的发动机润滑油规格，分为汽油机用润滑油和柴油机用润滑油。

②黏度指数。黏度μ的单位使用了传统CGS单位系的泊（P；poiSe），动黏度ν（=μ/ρ）为沲（SS；Stoke）。通常，因泊与沲为较大的单位，因此使用其1/100的厘泊（cP）、厘沲（cS）。SI单位的黏度单位为（Pa·S），动黏度单位为（m²/S）。

表9-1 发动机润滑油规格表

1P=1g/cm·S=1dyne·S/cm²=0.1N·S/m²=0.1Pa·S

1S=1cm²/S=1×10^-4 m²/S

黏度是分子相互之间的吸引力，依赖于温度。润滑油的黏度与温度之间的关系以黏度指数（VI）来表示。决定黏度指数的方法如图9-23所示。这是在温度为100℉（37.8℃）～210℉（98.9℃）之间润滑油黏度（x）的变化，在210℉时，相同黏度的两种标准润滑油（环烷类N与烷烃类P）之间进行比较，表示为

式中，N、P分别为环烷与烷烃类的标准油；x为试料油100℉时的赛氏秒数。烷烃类标准油的黏度指数为100，环烷类标准油的黏度指数为0。黏度指数越大，其随温度变化的黏度特性越优良。因此，烷烃类油的黏度指数大，环烷类油小。此外，烷烃类的耐氧化性和耐热性也比环烷类优秀。汽车发动机用润滑油的黏度指数为80～120。

图9-24举例说明了发动机润滑油随温度的黏度特性。显示了三种类润滑油的黏度特性，最近汽车多采用10W-30类型的多等级润滑油。如图9-24所示，为了其特性在低温（约-20℃）时接近10W的黏度，高温（约120℃）时接近30号黏度，在基础润滑油中添加了高分子化合物。但是，合成润滑油存在聚合物分子易被破坏、在恶劣的使用条件下随时间的流失其黏度也同时下降等缺陷。

2.润滑油添加剂

润滑油根据发动机的种类、运行状态、运行条件等，使用多种添加剂，以改善润滑油的性质。

图9-23 决定黏度指数方法

图9-24 润滑油指数与黏度之间的关系

（1）黏度指数改进剂黏度指数改进剂是减少润滑油黏度随温度变化的添加剂。这是温度上升小时使黏度增加小、温度上升大时使黏度增加大的物质，通常使用脂肪酸或不饱和碳化氢等高分子重合物。添加量为0.5%～10%。

（2）油性改进剂油性改进剂是提高油膜构成力和在金属表面的吸附力，以降低摩擦力的添加剂，通常使用脂肪酸和脂肪酸和脂肪酸酯、石蜡氧化物等，添加量为0.1%～5%。

（3）防氧化剂润滑油在高负荷条件下可以上升到130℃高温。在这样的条件下，润滑油会氧化或炭化。为此，利用润滑油冷却器降低润滑油的温度到110℃以下。为了安全，在润滑油中添加防氧化剂或清净分散剂等中和剂，以抑制氧化反应的发生。防氧化剂有苯酚类化合物、硫化合物、胺类和有机金属化合物等，添加量为0.2%～3%。

（4）流点强化剂流点强化剂是遏制润滑油温度降低时蜡的分离，以加强润滑油在低温状态流动性的物质，通常使用像巴拉弗洛（paraflow）的高分子有机化合物。

（5）清净分散剂清净分散剂是把润滑油氧化产生的淤泥或炭等进行细化，向润滑油中加入进行分散的物质，使其不粘附在摩擦表面上。通常使用钙、钡、锌、铝等金属为主体的熔融性金属皂，添加量为1%～15%。

（6）防起泡剂防起泡剂是防止在润滑油中产生气泡的物质。高黏度润滑油或添加了各种添加剂的润滑油容易产生气泡，如果润滑油中有气泡，就不能起到正常的润滑作用，并且会降低泵送能力。防起泡剂有硅油、乙醇等，添加量为0.01%～0.1%。

（7）极压添加剂极压添加剂是为使润滑油能克服极高压力条件，即在高压、高负荷条件下的摩擦力而添加的物质，有硫化合物、磷化合物、环烷酸铅等，添加量为2%～8%。

发动机润滑油的黏度特性及防氧化剂添加

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