朱雅男，王茁，桃春生，鳳鵬舉，楊南，許揚(yáng)，解小凱

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

發(fā)動機(jī)油中硅元素含量對泡沫特性的影響

朱雅男，王茁，桃春生，鳳鵬舉，楊南，許揚(yáng)，解小凱

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

某型乘用車發(fā)動機(jī)油出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，對發(fā)動機(jī)油進(jìn)行理化性能分析并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆解檢查，發(fā)動機(jī)油中發(fā)現(xiàn)硅元素含量增加值和泡沫特性為異常值，發(fā)動機(jī)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)膠黏劑。為查明故障原因，對發(fā)動機(jī)油中硅元素來源、硅元素含量對泡沫特性的影響、膠黏劑對有機(jī)硅抗泡劑抗泡性的影響進(jìn)行分析，改進(jìn)發(fā)動機(jī)局部設(shè)計，排除故障。

發(fā)動機(jī)油；硅元素含量；泡沫特性

0 引言

發(fā)動機(jī)、變速器、驅(qū)動橋等總成在臺架試驗和道路試驗過程中，根據(jù)臺架試驗方法及道路試驗大綱等規(guī)定，對使用的潤滑油進(jìn)行理化性能分析，判定潤滑油的變質(zhì)程度，可以從側(cè)面了解各總成的工作狀態(tài)是否存在異常現(xiàn)象，為總成工作狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)測提供有力的判據(jù)，同時杜絕變質(zhì)潤滑油對總成造成的潛在危害。

對潤滑油進(jìn)行理化性能分析時，會出現(xiàn)幾項不合格指標(biāo)的情況。通過對引起不合格指標(biāo)的可能原因進(jìn)行分析以及幾項不合格指標(biāo)是否具有相關(guān)性進(jìn)行研究，可以查找到總成的故障原因，根據(jù)故障原因?qū)囕v進(jìn)行維修，并對今后車輛的加工工藝及總成設(shè)計的改進(jìn)提供理論支撐。

1 故障現(xiàn)象

某型乘用車在道路試驗過程中，三輛試驗車中的兩輛出現(xiàn)少量發(fā)動機(jī)油從發(fā)動機(jī)呼吸孔溢流的現(xiàn)象。根據(jù)道路試驗大綱要求，對兩輛試驗車使用的發(fā)動機(jī)油分別取樣，進(jìn)行理化性能分析，理化性能分析結(jié)果見表1。

表1 發(fā)動機(jī)油理化性能分析結(jié)果

表1(續(xù))

從表1數(shù)據(jù)分析可以看出，雖然標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8028-2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》中并未對泡沫特性進(jìn)行限定，但根據(jù)經(jīng)驗，兩輛試驗車使用的發(fā)動機(jī)油泡沫特性屬于異常值。兩個發(fā)動機(jī)油的硅元素含量增加值分別為165 μg/g、150 μg/g，已經(jīng)達(dá)到GB/T 8028-2010規(guī)定的換油指標(biāo)，應(yīng)該更換新油。

根據(jù)道路試驗大綱要求，同時對這兩輛試驗車進(jìn)行拆車檢查。在發(fā)動機(jī)內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)少量凝固膠黏劑殘留在黏合區(qū)域外部，并有局部已經(jīng)剝落，如圖1所示；并在發(fā)動機(jī)油中發(fā)現(xiàn)剝落的凝固膠黏劑，尺寸約為2 mm×2 mm×10 mm，如圖2所示。

圖1 凝固膠黏劑殘留在黏合區(qū)域外部

圖2 發(fā)動機(jī)油中剝落的凝固膠黏劑

車輛僅行駛2000 km左右，出現(xiàn)少量發(fā)動機(jī)油從發(fā)動機(jī)呼吸孔溢流的現(xiàn)象，經(jīng)發(fā)動機(jī)油理化性能分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)油的泡沫特性屬于異常值；試驗車的行駛工況不是多灰地區(qū)，并且行駛里程較短，硅元素含量增加值已經(jīng)達(dá)到GB/T 8028-2010規(guī)定的換油指標(biāo)；車輛拆車檢查，在發(fā)動機(jī)黏合區(qū)域外部以及發(fā)動機(jī)油中發(fā)現(xiàn)有少量凝固膠黏劑。車輛正常狀態(tài)下行駛，不會出現(xiàn)以上現(xiàn)象，應(yīng)查找故障原因并排除。

2 故障原因分析

為查明故障原因，應(yīng)考察發(fā)動機(jī)油中的硅元素來源；并且道路試驗過程中發(fā)動機(jī)油的硅元素含量和泡沫特性均屬于異常值，需要研究硅元素含量和泡沫特性是否具有相關(guān)性等問題。

2.1 發(fā)動機(jī)油中硅元素來源分析

發(fā)動機(jī)油可以接觸到含硅元素的物質(zhì)一共有三種途徑。第一種途徑來自于車輛的行駛環(huán)境，當(dāng)車輛行駛于塵土飛揚(yáng)的惡劣環(huán)境中或空氣濾清器不正常，都會造成油中硅含量的大量增加，造成發(fā)動機(jī)零部件的磨損[1]。這種途徑造成發(fā)動機(jī)油中硅元素含量增加，并且伴隨著正戊烷不溶物或者機(jī)械雜質(zhì)的偏高。兩輛試驗車輛的發(fā)動機(jī)油的正戊烷不溶物均沒有達(dá)到GB/T 8028-2010規(guī)定的換油指標(biāo)，試驗油中硅元素的引入與這一種途徑?jīng)]有關(guān)系。

第二種途徑是車輛加注了硅元素含量較高的汽油，汽油中的硅元素進(jìn)入發(fā)動機(jī)油中，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油中硅元素含量較高。汽油中硅元素是由于汽油生產(chǎn)過程中接觸到電子元器件表面殘留的清洗廢液而引入硅元素，或者汽油生產(chǎn)過程中有機(jī)硅抗泡劑添加到焦化原料中減少焦化發(fā)泡而引入硅元素[2]。目前國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17930-2016《車用汽油》中未對車用汽油中硅元素含量進(jìn)行限定，但是國內(nèi)燃油供應(yīng)商內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求硅元素含量小于3 mg/kg，國際燃油供應(yīng)商內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求硅元素含量小于1 mg/kg或者檢測不到。試驗車行駛2000 km左右，共加注四批次汽油，四批次汽油的硅元素含量檢驗結(jié)果見表2，從表2檢驗結(jié)果可以看出，試驗油中硅元素的引入與這一種途徑?jīng)]有關(guān)系。

表2 車輛加注的汽油的硅元素含量檢驗結(jié)果

第三種途徑是由于加工工藝不完善，用于密封的膠黏劑落入發(fā)動機(jī)油中導(dǎo)致。乘用車使用的膠黏劑多為室溫硫化硅橡膠，它是一種以較低分子量的活性直鏈聚硅氧烷為基礎(chǔ)的膠料，加入填料、交聯(lián)劑、硫化劑和染料等組分而構(gòu)成。試驗車輛使用的膠黏劑為室溫硫化硅橡膠，現(xiàn)在需要考察室溫硫化硅橡膠落入發(fā)動機(jī)中，硅元素是否能夠進(jìn)入發(fā)動機(jī)油中，并且在硅元素含量檢驗過程中可以被檢測到。

整車的發(fā)動機(jī)總成在裝配車間生產(chǎn)線上完成裝配后直接加注對應(yīng)的發(fā)動機(jī)油，并在裝配線上進(jìn)行總成磨合，因此如果未凝固的室溫硫化硅橡膠進(jìn)入總成內(nèi)部，未凝固的室溫硫化硅橡膠與發(fā)動機(jī)油之間會發(fā)生接觸并存在攪動作用?？偝裳b配完成48 h以后，室溫硫化硅橡膠完全凝固，在道路試驗過程中進(jìn)入總成內(nèi)部的凝固的室溫硫化硅橡膠與發(fā)動機(jī)油之間會發(fā)生接觸并存在攪動作用。因此考察室溫硫化硅橡膠中的硅元素是否能夠進(jìn)入發(fā)動機(jī)油過程中，應(yīng)考慮未凝固和凝固兩種形態(tài)的室溫硫化硅橡膠。

將室溫硫化硅橡膠均勻涂在一塊塑料板上，室溫硫化硅橡膠的厚度約為1～2 mm，室溫放置48 h，取下凝固的室溫硫化硅橡膠分割成約為2 mm×2 mm×10 mm的若干個小條，作為凝固室溫硫化硅橡膠。分別取一定質(zhì)量的未凝固和凝固的室溫硫化硅橡膠于發(fā)動機(jī)油中，制得含量為0.01%的未凝固和凝固室溫硫化硅橡膠發(fā)動機(jī)油，以90 ℃的溫度分別加熱樣品10 min，以10,000 r/min的攪拌速度分別攪拌樣品30 min，將樣品倒入離心管中，以600～700的相對離心力(rcf)離心樣品2 h，將上層樣品倒出，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行硅元素含量的測定(下文稱膠黏劑與發(fā)動機(jī)油混合試驗)。兩個發(fā)動機(jī)油的硅元素含量檢驗結(jié)果見表3。

表3 兩個發(fā)動機(jī)油的檢驗結(jié)果

從表3檢驗結(jié)果可以看出，未凝固和凝固室溫硫化硅橡膠中的硅元素均可以進(jìn)入發(fā)動機(jī)油中，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油的硅元素含量增加。室溫硫化硅橡膠分子間的極性很小呈弱極性，當(dāng)室溫硫化硅橡膠混入發(fā)動機(jī)油中，室溫硫化硅橡膠的Si-O鍵容易發(fā)生鍵的重排與裂解；而礦物油中的油分子間的極性也為非極性或弱極性，根據(jù)相似相容原理，油分子能夠滲入硅橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之中，使室溫硫化硅橡膠溶解于發(fā)動機(jī)油中[3]。

2.2 硅元素含量對泡沫特性的影響分析

未凝固和凝固室溫硫化硅橡膠中的硅元素均可以進(jìn)入發(fā)動機(jī)油中，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油的硅元素含量增加。道路試驗過程中發(fā)動機(jī)油的硅元素含量和泡沫特性均為異常值，為考察發(fā)動機(jī)油中硅元素含量對泡沫特性的影響，將一系列質(zhì)量的凝固室溫硫化硅橡膠加入發(fā)動機(jī)油中，進(jìn)行膠黏劑與發(fā)動機(jī)油混合試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 硅元素含量增加值與泡沫特性的關(guān)系

圖3 硅元素含量增加值與前24℃的泡沫傾向的關(guān)系

對表4中發(fā)動機(jī)油硅元素含量增加值與前24 ℃的泡沫傾向數(shù)據(jù)進(jìn)行三元回歸分析，得到圖3的回歸曲線及相關(guān)系數(shù)。由圖3中回歸曲線可知，相關(guān)系數(shù)為0.998，發(fā)動機(jī)油中硅元素含量增加值和泡沫特性之間存在著較好的相關(guān)性，得到y(tǒng)=ax3+bx2+cx+d型的方程，方程中：x為發(fā)動機(jī)油前24 ℃的泡沫傾向；y為硅元素含量增加值。從表4和圖3檢驗結(jié)果可以看出，該種發(fā)動機(jī)油中的硅元素含量越多，發(fā)動機(jī)油的泡沫特性越差，該種發(fā)動機(jī)油的硅元素含量和泡沫特性具有相關(guān)性。

2.3 室溫硫化硅橡膠與有機(jī)硅抗泡劑的抗泡影響分析

目前市場上發(fā)動機(jī)油使用的抗泡劑主要是有機(jī)硅聚合物、該非有機(jī)硅聚合物和復(fù)合抗泡劑三大類，該發(fā)動機(jī)油使用的抗泡劑為有機(jī)硅抗泡劑。

室溫硫化硅橡膠與基礎(chǔ)油因相似相容原理，溶解到發(fā)動機(jī)油中，并且該種發(fā)動機(jī)油中硅元素含量和泡沫特性具有相關(guān)性。為考察溶解到發(fā)動機(jī)油的室溫硫化硅橡膠與該種發(fā)動機(jī)油中的有機(jī)硅抗泡劑是否存在相互作用，采用排除法，使用配方基本相近但添加非有機(jī)硅聚合物抗泡劑的發(fā)動機(jī)油進(jìn)行試驗。非有機(jī)硅聚合物抗泡劑在該發(fā)動機(jī)油中分散穩(wěn)定性好。將一系列質(zhì)量的凝固室溫硫化硅橡膠加入該發(fā)動機(jī)油中，進(jìn)行室溫硫化硅橡膠與發(fā)動機(jī)油混合試驗，非有機(jī)硅聚合物抗泡劑發(fā)動機(jī)油的硅元素含量及泡沫特性檢驗結(jié)果見表5。

表5 非有機(jī)硅聚合物抗泡劑發(fā)動機(jī)油的檢驗結(jié)果

從表5檢驗結(jié)果可以看出，配方添加非有機(jī)硅聚合物抗泡劑的發(fā)動機(jī)油隨著發(fā)動機(jī)油中硅元素含量的增長，泡沫特性不受影響。因為這個發(fā)動機(jī)油的配方與試驗車輛使用的發(fā)動機(jī)油配方相近，只是抗泡劑類型不同，因此可以說明溶解到發(fā)動機(jī)油中的室溫硫化硅橡膠與有機(jī)硅抗泡劑相互作用，導(dǎo)致有機(jī)硅抗泡劑失效，發(fā)動機(jī)油的泡沫特性異常。

抗泡劑的作用機(jī)理較為復(fù)雜，說法不一，具有代表性的觀點(diǎn)有降低部分表面張力、擴(kuò)張和滲透三種觀點(diǎn)。需要抗泡劑具備兩個基本特性：不溶于或微溶于起泡介質(zhì)；表面張力比起泡介質(zhì)要低[4]。有機(jī)硅抗泡劑是支鏈狀結(jié)構(gòu)，是由無機(jī)物的硅氧鍵(Si-O)和有機(jī)物(R)組成，當(dāng)R為甲基時，該化合物稱甲基硅油，甲基的特性更接近無機(jī)物，使甲基硅油在潤滑油中溶解度較小，表面張力較小，具有抗泡和消泡能力；若R變?yōu)橐一?、丙基或更大基團(tuán)時，該化合物變成乙基硅油、丙基硅油或其他有機(jī)硅油，因逐漸喪失了甲基硅油的特性而接近有機(jī)物，在潤滑油中溶解度變大，表面張力也逐漸增大，從而喪失了抗泡和消泡能力[5]。室溫硫化硅橡膠與基礎(chǔ)油因相似相容原理，溶解到發(fā)動機(jī)油中，室溫硫化硅橡膠的Si-O鍵與有機(jī)硅抗泡劑的無機(jī)物的硅氧鍵(Si-O)和有機(jī)物(R)作用，使發(fā)動機(jī)油中的有機(jī)硅抗泡劑接近有機(jī)物的特性，在潤滑油中溶解度變大，表面張力變大，失去抗泡和消泡能力，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油泡沫特性變差。

該故障中發(fā)動機(jī)油中的硅元素是落入其中的室溫硫化硅橡膠中的硅元素進(jìn)入發(fā)動機(jī)油導(dǎo)致，并且硅元素含量與泡沫特性具有相關(guān)性。室溫硫化硅橡膠與發(fā)動機(jī)油配方中的有機(jī)硅抗泡劑相互作用，使有機(jī)硅抗泡劑失效，發(fā)動機(jī)油泡沫特性異常。發(fā)動機(jī)裝配過程中使用的膠黏劑以室溫硫化硅膠居多，發(fā)動機(jī)油配方中使用的抗泡劑也以有機(jī)硅抗泡劑居多，通過上述分析，如果在發(fā)動機(jī)裝配過程中有室溫硫化硅膠落入發(fā)動機(jī)油中，將會影響發(fā)動機(jī)油的泡沫特性。

3 解決措施

為防止這種現(xiàn)象再次發(fā)生，改進(jìn)發(fā)動機(jī)設(shè)計，在黏合區(qū)域中心位置開設(shè)涂膠槽，如圖4所示。涂膠工藝采用噴涂法，把膠黏劑涂在涂膠槽內(nèi)部，按照工藝規(guī)定的涂膠量涂覆規(guī)定直徑的圓柱膠條，膠層厚度均勻連續(xù)，涂膠后垂直裝配避免膠線錯位，嚴(yán)格控制黏合區(qū)域螺栓的預(yù)緊力。最好采用自動涂膠機(jī)或涂膠機(jī)器人噴涂膠黏劑，如采用手工涂膠，操作人員嚴(yán)格遵守工藝卡。

圖4 在黏合區(qū)域中心位置開設(shè)涂膠槽

黏合區(qū)域中心位置開設(shè)涂膠槽的總成進(jìn)行臺架試驗和道路試驗，在車輛行駛初期，再未出現(xiàn)發(fā)動機(jī)油從呼吸孔溢流的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)室溫硫化硅橡膠膠黏劑混入發(fā)動機(jī)油中，室溫硫化硅橡膠與發(fā)動機(jī)油因相似相容作用而溶解，有機(jī)硅抗泡劑與室溫硫化硅橡膠相互作用，導(dǎo)致有機(jī)硅抗泡劑失效，發(fā)動機(jī)油產(chǎn)生大量泡沫而溢流。

(2)總成設(shè)計在黏合區(qū)域中心位置開設(shè)涂膠槽，在整車裝配過程中操作人員嚴(yán)格遵守工藝卡規(guī)定的涂膠方式、涂膠量以及螺栓預(yù)緊力等工藝規(guī)定，避免了該故障的發(fā)生。

[1] GB/T 8026-2010汽油機(jī)油換油指標(biāo)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 張莉,劉瑩，李林潞,等.車用汽油中四種非法添加劑的特點(diǎn)和檢測方法[J].石油庫與加油站,2015， 24(3)：25-28.

[3] 周汴香,蔡含宙，詹學(xué)貴，等.耐油硅橡膠的研究進(jìn)展[J].杭州化工,2013，43(3)：8-11.

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Effect of Silicon Content in Engine Oil on Foaming Characteristics

ZHU Ya-nan, WANG Zhuo, TAO Chun-sheng, FENG Peng-ju, YANG Nan, XU Yang, XIE Xiao-kai

(China FAW Corporation Limited R&D Center, Changchun 130011, China)

To find out the cause of engine oil overflow, the physicochemical properties of the engine oil were analyzed and the engine was disassembled to inspect. It was found that the added value of silicon content and foaming characteristics were outliers, some sealing adhesive dropped into the engine oil and adhered to the internal aspect of crankcase. This paper studied the source of silicon, the effect of silicon content in engine oil on foaming characteristics and the effect of adhesives on anti-foaming characteristics of organosilicon defoamer. By improving partial design of the engine, the fault was resolved.

engine oil; silicon content; foaming characteristics

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.006

1002-3119(2017)03-0034-05

TE626.32

A