凌永成XXXX年汽车运行材料(第2版)课件第5章发动机润滑油

汽车运行材料沈阳大学凌永成[e-mail]配套教材信息教材名称：汽车运行材料（第2版）教材主编：凌永成教材定价：45RMB出版社：北京大学出版社出版时间：2013年7月第2版国际标准书号（ISBN）：978-7-301-22525-7教材所属系列：21世纪全国高等院校汽车类创新型应用人才培养规划教材第5章发动机润滑油5.1发动机润滑油的作用与使用性能要求5.1.1发动机润滑油的作用汽车发动机需有润滑油的可靠润滑才能确保其正常工作。汽车发动机润滑油（又称机油）犹如人体的血液一样，在发动机中发挥着重要作用：图5-1汽车发动机润滑油（又称机油）——机器的血液1.润滑作用2.冷却作用3.清洁作用4.密封作用5.减振作用6.防腐蚀作用5.1.2发动机润滑油的工作条件1.工作温差大2.工作负荷重3.变质诱因多5.1.3对发动机润滑油的使用性能要求①在各种工况下，发动机润滑油必须能及时、可靠地输送到各摩擦副之间，并形成足够牢固的油膜或其他形式的抗磨保护膜，从而减少摩擦和磨损，以实现其润滑、减振作用；②发动机润滑油应能及时导出各摩擦副摩擦生成的热，维持运动机件的正常温度，以实现其冷却作用；③发动机润滑油应能可靠地密封各摩擦副的间隙，及时带走磨屑和其他外来的机械杂质，以实现其密封、清洁作用；④发动机润滑油自身不应具有腐蚀性且理化性质稳定，并能保护发动机机件不受外界腐蚀性介质的侵蚀，以实现其防腐蚀作用。5.2发动机润滑油的使用性能5.2.1润滑性在各种润滑条件下，润滑油降低摩擦、减缓磨损和防止金属机件烧结、损坏的能力，称为发动机润滑油的润滑性。发动机润滑油的润滑性取决于润滑油的黏度和化学性质。1.摩擦特性与润滑分析按照摩擦副两表面的润滑状况不同，可将摩擦副两表面之间的摩擦分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦、薄膜摩擦等几种情况。1）干摩擦不加润滑油时，相对运动的零件表面直接接触，此时产生的摩擦称为干摩擦（如真空中）。在包括汽车发动机在内的机械设备运动部件中是不允许出现干摩擦的。图5-2轴瓦因磨损失效（干摩擦所致）2）流体摩擦当摩擦副两表面被流体（液体或气体）完全隔开时，摩擦表面不会产生金属间的直接摩擦，流体分子层间的黏剪阻力就是摩擦力，这种摩擦称为流体摩擦，相应的润滑状态称为流体润滑状态。流体摩擦的特点是在摩擦表面间润滑油膜内同分子之间的摩擦；摩擦力的大小，仅与润滑油的黏度、滑动速度和接触面积有关，而与摩擦面的材料和状态无关。在流体摩擦状态下，摩擦系数最小，摩擦功耗最少，是一种理想的摩擦状态。形成动压液体润滑的条件为：摩擦副表面具有收敛楔；轴颈具有足够的转速；润滑油具有适当的黏度；外载荷不得超过油膜所能承受的限度。图5-3动压液体润滑示意图3）边界摩擦当不能满足流体动压形成条件（或虽有动压力，但压力较低），油膜较薄时，在载荷的作用下，边界膜互相接触，横向剪切力比较弱。这种摩擦状态称为边界摩擦，相应的润滑状态称为边界润滑状态。在边界润滑条件下，起润滑作用的不再是润滑油的黏度，而完全是润滑油的化学性质，即润滑油的油性和极压性。在边界润滑状态下，如果润滑油膜进一步变薄（薄膜厚度仅几纳米），摩擦副两表面的摩擦状态则会介于干摩擦和边界摩擦之间，其润滑状态称为薄膜润滑状态。薄膜润滑状态在现代精密机械系统中普遍存在。4）混合摩擦当润滑系统不具备形成动压润滑条件，且边界膜遭到破坏时，就会出现流体摩擦、边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。2.斯萃贝克曲线与润滑特性通过Stribeck曲线，可清楚地分析在不同润滑状态下，润滑油的黏度、零件转速、油膜厚度和零件工作压力等因素对摩擦因数f的综合影响。一般情况下，摩擦因数f可表示为hpnDf22D为零件直径；η为润滑油的黏度；h为油膜厚度；n为零件的转速；p为零件承受的压力；为索莫范尔德（Sommerfeld）准数。pn索莫范尔德准数考虑了发动机润滑油和发动机润滑油工况两方面因素对于摩擦因数的影响。在索莫范尔德准数中，唯一与润滑性能有关的润滑油自身因素仅为润滑油的黏度。图5-4润滑油黏度对润滑状态的影响（Stribeck曲线）h-油膜厚度；δ-摩擦副表面粗糙度5.2.2低温操作性发动机润滑油确保自身能在低温条件下被润滑油泵可靠泵送，充足、流畅地在发动机润滑系统管路中循环流动，充分实现润滑作用，并确保发动机易于冷起动的性能，称为发动机润滑油的低温操作性。发动机润滑油低温操作性的主要评定指标是发动机润滑油的低温动力黏度、边界泵送温度和倾点等。5.2.3黏温性发动机润滑油的黏度随温度的变化而变化的性质，称为发动机润滑油的黏温性。发动机润滑油黏温性的评定指标是发动机润滑油的黏度指数。良好的黏温性是指润滑油的黏度随温度的变化程度较小的特性。目前，多采用在基础油中加入黏度指数改进剂的方法来提高润滑油的黏温性。同时兼有良好的高温黏度和低温黏度的发动机润滑油，称为多黏度级发动机润滑油，简称多级油，俗称稠化机油。5.2.4清净分散性发动机润滑油自身具有的抑制积炭、漆膜和油泥生成，或将已经生成的这些沉积物冲入润滑油中予以清除的性能，称为发动机润滑油的清净分散性。图5-5活塞顶部的积炭漆膜是一种坚固且有光泽的漆状薄膜形物质，主要产生在活塞环区和活塞裙部，在气门室罩盖、进排气凸轮轴等处也有分布。图5-6进排气凸轮轴等处形成的漆膜油泥是一种比较稳定的油水乳状体与多种杂质的混合凝聚物。与积炭和漆膜比较，油泥属于低温沉积物。图5-7进气歧管处产生的油泥发动机润滑油清净分散性的评定指标是硫酸盐灰分和残炭。发动机润滑油的清净分散性主要通过相应的发动机试验来进行评定。5.2.5抗氧化性发动机润滑油与氧反应生成氧化产物，改变其物理和化学性质的过程，叫做发动机润滑油的氧化。发动机润滑油抗氧化性的评定指标是润滑油氧化后的酸值和沉淀物的数值。酸值用中和油品中的酸所消耗的KOH多少来表示，以mg计；沉淀物以质量百分数计。发动机润滑油的抗氧化性需要通过相应的发动机润滑油性能试验进行评定。发动机润滑油自身具有的抵抗氧化变质的能力，称为发动机润滑油的抗氧化性，亦称抗氧化安定性。5.2.6抗腐性发动机润滑油自身具有的抵抗腐蚀性物质对金属零部件产生腐蚀作用的能力，称为发动机润滑油的抗腐性。发动机润滑油抗腐性的评定指标是中和值或酸值。发动机润滑油抗腐性需要通过进行相应的发动机润滑油试验进行评定。5.2.7抗泡性发动机润滑油自身具有的抑制并消除泡沫的能力，称为发动机润滑油的抗泡性。在发动机工作过程中，油底壳里的润滑油受到曲拐的剧烈搅动时，势必会有空气混入润滑油中，并在润滑油中产生泡沫。发动机润滑油抗泡性的评定指标有生成泡沫倾向和泡沫稳定性两项。5.3发动机润滑油使用性能的评定5.3.1发动机润滑油使用性能的评定指标1.低温动力黏度对于包括发动机润滑油在内的任何液体，当其一部分相对于另一部分发生相对运动时，都会产生内部阻力，这种阻力是液体分子或其他微粒内摩擦的结果。黏度（viscosity）是表征液体流动时内摩擦力大小的物理量，亦称黏性系数。切应力与剪切速率是表征液体黏度的两个基本参数。黏度不随切应力和剪切速率的变化而变化的液体，称为牛顿液体；黏度随切应力和剪切速率的变化而变化的液体，称为非牛顿液体。发动机润滑油属于非牛顿液体。发动机润滑油的黏度分为动力黏度、运动黏度和条件黏度（相对黏度）三种。动力黏度（dynamicviscosity）反映液体的被泵送能力；运动黏度（kinematicviscosity）反映液体的自流能力。条件黏度又称为相对黏度，是指采用不同的特定条件和特定黏度计所测得的以条件单位表示的某种液体的黏度。低温动力黏度也称表观黏度，它表征非牛顿液体在低温状态下流动时内摩擦力的大小。低温动力黏度是划分冬用发动机润滑油黏度级别的重要依据之一。发动机润滑油低温动力黏度的测定按照GB/T6538－2010《发动机油表观黏度的测定冷起动模拟机法》的规定，采用如图5-8所示的发动机润滑油表观黏度全自动测定仪进行。图5-8发动机润滑油表观黏度全自动测定仪（冷起动模拟机法）2.边界泵送温度能将发动机润滑油连续、充分地供给发动机润滑系统机油泵入口的最低温度，称为发动机润滑油的边界泵送温度。边界泵送温度也是划分冬用发动机润滑油黏度级别的重要依据之一。发动机润滑油边界泵送温度的测定按照GB/T9171－1988《发动机油边界泵送温度测定法》的规定，采用发动机润滑油边界泵送温度测定仪进行。图5-9发动机润滑油边界泵送温度测定仪3.倾点倾点（Pourpoint）是指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样能够流动的最低温度；凝点是指油品在规定的试验条件下，被冷却的试样油面不再移动时的最高温度，都以℃表示。在规定的试验条件下，将试油装入试管中，温度每降低3℃，将试管倾斜、水平放置5s，观察试油的流动情况。初次观察到试油不流动的温度值，再加上3℃，即为该试油的倾点。图5-10倾点测试示意图倾点是表征润滑油低温流动性的常规指标。过去常用凝点，现在国际上普遍采用倾点这一指标。倾点或凝点越高，油品的低温流动性就越差。现行发动机润滑油规格中，均采用倾点作为评定发动机润滑油低温操作性的指标之一。但评估多级内燃机油、车辆齿轮油的低温性能时，应以低温动力粘度、边界泵送温度、成沟点为主要依据。倾点的测定按照GB/T3535－2006《石油产品倾点测定法》的规定，采用石油倾点测定仪进行。图5-11石油产品倾点测定仪4.黏度指数黏度指数（ViscosityIndex，VI）用于表征油品的黏温特性，定义为被试油和标准油黏度随温度变化程度比较的相对值。VI数大表示黏温特性平缓，即油品的黏度受温度影响小，因而性能好；反之则差。图5-12黏度指数试验曲线5.酸值、碱值和中和值酸值（acidvalue）是指中和1g试验用某种润滑油中的酸所需氢氧化钾的mg数，单位用mgKOH/g表示。碱值（basenumber）是指中和1g试验用某种润滑油中含有的碱性组分所需的酸量，换算为相当的碱量。中和1g试验用某种润滑油中含有的酸性或碱性组分所需的碱量，称为中和值（Neutralizationvalue），单位用mgKOH/g表示。中和值的测定按照GB/T7304－2000《石油产品和润滑剂酸值测定法（电位滴定法）》的规定，采用电位滴定仪进行。图5-13电位滴定仪6.残炭残炭（CarbonResidue）是指油品在规定的试验条件下受热蒸发、裂解和燃烧后形成的焦黑色残留物（炭渣）。油品残炭量的多少以质量分数表示。我国发动机润滑油残炭测定的标准是GB/T268－1987《石油产品残炭测定法（康氏法）》。7.硫酸盐灰分硫酸盐灰分（SulphatedAsh）是指在规定的试验条件下，油品被碳化后的残留物经硫酸处理转化为硫酸盐后的灼烧残留物。硫酸盐灰分的多少以质量分数表示。硫酸盐灰分的测定按照GB/T2433－2001《添加剂和含添加剂润滑油硫酸盐灰分测定法》的规定，采用如图5-14所示的石油产品灰分测定器进行。图5-14石油产品灰分测定器8.泡沫性泡沫性亦称泡沫特性，指油品生成泡沫的倾向及泡沫的稳定性。要求评定油品生成泡沫的倾向性和泡沫稳定性。泡沫性主要用于评定发动机润滑油和循环用油（如液压油、压缩机油等）的起泡性。润滑油泡沫性的测定按照GB/T12579－2002《润滑油泡沫特性测定法》的规定，采用如图5-15所示的润滑油泡沫特性测定器进行。泡沫性测定要进行三次，第一次试验温度为24℃，做完后将试油加热到93.5℃，再做一次；然后再将试油冷却到24℃，再进行第三次检测。泡沫性用分数形式表示，分子是泡沫倾向，分母是泡沫稳定性，单位均为毫升（mL）。图5-15润滑油泡沫特性测定器5.3.2发动机润滑油使用性能的评定试验用于测定、检验发动机润滑油使用性能的试验，称为发动机润滑油使用性能评定试验，亦称发动机润滑油台架试验。1.CRCL系列试验方法CRCL系列发动机润滑油试验方法是美国研究协调委员会（CoordinatedResearchCouncil，CRC）在卡特比勒（Catterpill