发动机润滑油是车辆发动机正常工作的重要保障，起到润滑、冷却、密封、清洁和防蚀等重要作用。受发动机工作过程中形成的高温环境和金属催化等影响，以烃类化合物为主要组分的发动机润滑油不可避免地会出现氧化变质和性能退化^［1-3］。同时，为改善润滑油性能加入的各种添加剂在高温、高速剪切等作用下，其效能也出现下降^［4-5］。所以，当车辆行驶一定里程数或时间时，因发动机润滑油性能劣化而必须进行换油是车辆运维的关键环节^［6］。

我国汽/柴油发动机润滑油更换参照的标准分别是GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》和GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》，标准中规定的换油指标中没有明确指出发动机润滑油在服役一定里程数或时间后其减摩抗磨性能的限值，但是标准规定的黏度变化率、水分、杂质颗粒浓度等指标与发动机润滑油的减摩抗磨性能密切相关^［7-8］。发动机润滑油黏度随着汽车行驶里程数增大其值可能增大或减小，黏度增大会导致发动机摩擦损耗增大、低温起动困难，反之则会使得发动机摩擦副成膜困难、磨损加剧；水分和杂质颗粒的混入，也会导致发动机摩擦副润滑失效和磨损^［9］。总之，目前我国换油指标规定的换油指标主要是面向发动机润滑油是否能够起到良好减摩抗磨效果，以延长发动机使役寿命和减小摩擦损失^［10］。

另一方面，在汽车运维中所采取的发动机换油策略主要是定期换油、按质换油和根据发动机润滑油性能等级换油3种。而在实际应用过程中，使用成本和发动机润滑油性能状况难以兼顾^［11］，同时汽车运行的气候环境、道路条件和驾驶员等因素也对发动机润滑油性能会产生影响，因此换油周期的制定往往变得十分困难。相较于欧美、日本等汽车工业发达国家，我国现行的发动机润滑油换油周期偏保守，即多数情况发动机润滑油性能指标未达到国家标准中换油标准限值时就进行了更换，造成资源浪费、环境污染和车辆运行成本增加等后果，因此确定合理的换油周期显得尤为重要^［12］。

本文对不同类型发动机车辆进行行车试验，考察在用发动机润滑油减摩抗磨性能随车辆行驶里程的变化规律，探究发动机润滑油减摩抗磨性能劣化的内在机理，为发动机润滑油产品开发、使用寿命预测和换油周期确定提供参考。

为研究发动机润滑油减摩抗磨性能的变化规律和劣化机理，选择了不同类型发动机和发动机润滑油进行行车试验，试验车、发动机类别等如表1所示。所选取车辆是目前国内较为有代表性的商用车和乘用车，涵盖了汽油发动机、柴油发动机以及不同的发动机进气方式。自然吸气汽油发动机采用的是矿物基基础油调和的发动机润滑油，涡轮增压汽/柴油发动机采用全合成基础油调和的发动机润滑油。试验车辆工况条件良好，试验车1和试验车2的行驶区域主要是陕西省西安市城区，试验车3为长途运输载货汽车，运行区间主要是陕西省西安市至云南省昆明市。

目前我国车辆发动机润滑油的更换通常采用定期换油，其周期是发动机生产商根据发动机润滑油基础油种类、发动机功率、车辆运行工况和润滑油性能等级等确定的，比如：矿物油、半合成和全合成基础油调和而成的汽油机发动机润滑油更换周期分别为5 000 km/6个月、7 500 km/6个月和10 000 km/12个月，全合成基础油调和的API CI-4级别柴油机发动机润滑油更换里程数为30 000 km。基于此，按照表2中的间隔里程数分别对试验车发动机润滑油进行取样，每次取样100 mL后加入等量同种未使用的发动机润滑油。为考察发动机润滑油在服役里程超过推荐里程数后的减摩抗磨性能，提取了A6、B6、C6和C7油样以进行后续分析。

采用德国Optimol Instrument公司的SRV-V型微动摩擦磨损试验机测试行车试验油样的减摩抗磨性。摩擦试验采用球-盘接触形式，钢球直径10 mm，圆盘直径24 mm，球和圆盘均为AISI52100轴承钢，试验方法参照标准NB/SH/T 0847—2010进行。测试条件为：试验时长30 min，载荷100 N，振幅1 mm，频率25 Hz，试验温度25 ℃。

采用MR-S10G型杠杆四球摩擦试验机进行长磨试验，试验钢球为四球机专用试验钢球，钢球直径12.7 mm，钢球材料GGr15A，硬度HRC64-66。试验条件：载荷392 N，转速1 450 r/min，试验温度为室温，试验时长为30 min。试验方法参照SH/T 0189—1992，测定行车试验油样的摩擦因数和钢球磨斑直径。

SRV试验结束后，对磨痕表面进行表征分析。利用美国FEI公司Quanta FEG 250场发射电子显微镜分析磨痕表面微观形貌，并采用EDAX能谱仪磨痕表面区域的化学成分进行分析。

按照GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》和GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》标准规定的方法对表1中的发动机润滑油油样进行指标检测，部分油样测试结果如表3所示。由表可知，对于试验所采用的汽/柴油发动机润滑油，在达到推荐的换油里程数时，油样的各项指标均未达到换油的限值，即按照换油标准规定条件，发动机润滑油仍可继续服役。且当服役里程数超过一定推荐里程数时，如A6、B6和C7油样，其指标仍满足要求。由此可知，对于所选用车辆和发动机润滑油，按照推荐换油周期进行润滑油更换，存在“过早换油”的问题。

运动黏度是决定发动机润滑油流动性、减摩抗磨效果的关键指标，试验油样100 ℃运动黏度的测试结果如图1所示。发动机润滑油在实际使用过程中，随着行驶里程的增加，发动机润滑油黏度均呈现先减小后增大的变化规律，试验车1、试验车2和试验车3的发动机润滑油初始100 ℃运动黏度分别为11.97、14.53和14.03 mm²/s，在发动机润滑油使役寿命周期内的最小运动黏度则分别为9.35 、12.17、和 12.90 mm²/s。

对发动机润滑油油样采用SRV微动摩擦磨损试验机进行摩擦磨损性能测试，结果如图2所示。从试验结果来看，3台试验车中发动机润滑油的摩擦因数和磨损量变化规律几乎一致，即未使用发动机润滑油的摩擦因数和磨损量较大，随着行驶里程数的增加，摩擦因数和磨损量均呈现先减小后增大的变化趋势。因此，在发动机润滑油服役寿命周期内，车辆行驶一定时间或里程数时发动机润滑油摩擦因数和磨损量会出现最小值，而不是通常认为的发动机润滑油摩擦学性能随时间或车辆行驶里程数增加逐渐降低。

试验车1、试验车2和试验车3的发动机润滑油摩擦因数最小的行驶公里数分别是3 000、5 000和21 000 km，相比未使用发动机润滑油的降幅分别是26.7%、14.6%和14.2%；磨损量最小的行驶公里数是4 000、7 000和21 000 km，相比未使用发动机油的降幅分别是74.1%、67.8%和34.4%。同时，从A0、B0和C0减摩抗磨性能测试结果来看，矿物基基础油调和的未使用的发动机润滑油相比于全合成基础油，其摩擦因数和磨损量均较大。因此，基于所选用的试验车和发动机润滑油的测试结果，在发动机润滑油使役寿命周期内，随着行驶里程数的增加，全合成发动机润滑油相比于矿物基发动机润滑油性能更为稳定，即石油基基础油的合成与精制可以有效提升发动机润滑油的摩擦学性能和全寿命周期的性能稳定性。

为进一步验证发动机润滑油油样摩擦因数和磨损量的变化规律，采用四球摩擦磨损试验机对油样的摩擦因数和钢球磨斑直径进行了测试，结果如图3所示。由图3可知，相比于SRV试验，采用不同试验方法和条件，发动机润滑油油样的摩擦因数和摩擦副表面磨损量的随行驶里程数增加其变化规律相同，由于试验载荷、摩擦副材料、速度和试验机精度等因素影响，会导致最小摩擦因数和磨损量出现的里程数不同，由此可知，发动机润滑油减摩抗磨性能劣化与发动机载荷、发动机转速等关系密切。

石油基基础油的主要组分是长链烃类化合物，特别是矿物基基础油，受发动机高温、金属催化和高速剪切的作用，发动机润滑油在使用初期长链基础油分子热分解效应和剪切断裂占主导^［13-14］，导致运动黏度快速下降。随着服役里程的增加，基础油小分子热聚合老化效应逐渐凸显，发动机润滑油黏度下降速度减小，直至整体润滑油黏度增大，因而在发动机润滑油服役寿命周期内，润滑油运动黏度随车辆行驶里程数的增加呈现出图1所示的变化规律。另外，发动机中摩擦副主要包括活塞-活塞环、曲轴轴承、凸轮-挺杆、连杆轴承等，当处于不同工作状态时，其摩擦副从润滑状态的层面涵盖了边界润滑、混合润滑、弹性流体动力润滑和流体动压润滑等。根据Stribeck曲线中关于不同润滑状态下载荷、速度和润滑油黏度与摩擦副摩擦因数的关系描述以及文献［15］中的研究结果，发动机润滑油黏度越低，发动机摩擦损失越小，反之亦然，图2（a）和图3（a）中通过SRV微动摩擦磨损试验机和四球摩擦磨损试验机对油样摩擦因数的测试也验证了这一结论。因此，由于工作环境和化学组成的原因，发动机润滑油运动黏度在使用过程中不可避免地会发生变化，且当发动机润滑油在使用一定里程数时，其运动黏度将达到最低值，此时发动机的能耗损失最低、运行效率最佳^［16］。

图4所示为A0、A5、B0、B5、C0和C5油样的SRV试验磨痕表面形貌，图中下标1、2、3、4分别表示某一油样SRV试验磨痕的三维形貌、截面形貌、SEM磨痕全貌和局部放大扫描图像。从图中可以看出，A5油样SRV试验磨痕宽度较A0窄（图4（a）和图4（b）中A0₃和A5₃所示），但是由于犁沟作用导致沿运动方向的磨痕较深（图4（a）和图4（b）中A0₂、A5₂、 A0₄、A5₄所示），在B0、B5、C0和C5油样中存在同样的现象。试验车1和试验车2中的A5和B5油样，磨痕表面部分区域甚至出现了较为明显的块状剥落（如图4（b）和图4（d）A5₃和B5₃中的黑色线框标注区域），而柴油机油C5则很轻微。同时，油样SRV试验磨痕表面出现了主要集中在磨痕所在位置的黑色沉积物，且试验车辆达到换油里程数时所取油样SRV试验磨痕的黑色沉积物区域面积相比于未使用发动机油更大。

对A0、A5、B0、B5、C0和C5油样的SRV试验磨痕表面进行EDAX测试，结果如图5~图7所示。结合AISI52100轴承钢元素组成和磨痕表面EDAX元素分析结果可以看出，试验车1中所使用的发动机润滑油中采用了磷、硫系极压抗磨添加剂，而试验车2和试验车3中则为有机钼类极压抗磨添加剂。试验车1中，发动机润滑油在使用一定里程时，硫、磷元素的质量分数显著减低，如图5所示。图6和图7所示的试验车2和试验车3的发动机润滑油，钼、硫、磷元素的质量分数也出现了下降。对比图2（b）中A0、A5、B0、B5、C0和C5油样SRV试验磨损量可以看出，未使用的发动机润滑油和车辆达到换油里程数时所取油样的差异较小。由此可知，发动机润滑油在实际使用中，极压抗磨添加剂会出现消耗而使得浓度降低，但是抗磨性能不会出现明显差异，超过换油里程时，如图2（b）中所示A6、B6、C6和C7油样的SRV试验磨损量由于极压抗磨剂的进一步消耗会持续增加。

从极压抗磨添加剂的作用机理来看，图5所示润滑油中硫、磷系极压抗磨添加剂主要是先通过金属表面吸附，在高温条件下形成硫醇铁覆盖膜或亚磷酸铁/磷酸铁有机膜，图6和图7所示采用有机钼类极压抗磨剂添加剂的润滑油主要是负荷和温度作用下形成FeSO₄、MoS₂、MoS₃、FeS防护膜起极压抗磨效果。因此，在发动机润滑油使用过程中，随着摩擦化学反应的进行，极压抗磨添加剂会持续下降。在发动机润滑油使用初期，由于极压抗磨添加剂浓度较高，添加剂与摩擦副表面的摩擦化学反应导致过度磨损^［17］，随着使用时间的增加，添加剂浓度降低，摩擦副表面磨损下降，而在发动机润滑油服役寿命终期，由于极压抗磨添加剂的过度消耗，难以形成充分的表面防护膜，而导致摩擦副表面磨损量的增大，如图2（b）和图3（b）所示。

（1）对于本文所选取的不同类型发动机、发动机润滑油，试验测试结果表明，润滑油在推荐的换油周期时各项指标均未超过GB/T 8028—2010《汽油机油换油指标》和GB/T 7607—2010《柴油机油换油指标》所规定的限值，即目前推荐的换油周期较为保守。

（2）在发动机润滑油服役寿命周期内，由于基础油分子受发动机高温高速剪切的影响，发动机润滑油使用初期润滑油黏度下降，而在后期由于分子聚合效应使得发动机润滑油黏度逐渐增大。发动机润滑油黏度的这种先减小后增大的变化规律，使得在当车辆行驶到一定里程或时间时摩擦因数达到最小，此时发动机摩擦损失最低。

（3）发动机润滑油在服役时，由于摩擦化学的进行，极压抗磨添加剂的消耗不可避免且不可逆，过高或过低浓度的极压抗磨添加剂均使得摩擦副表面磨损较大，而在发动机润滑油服役中期抗磨效果最好。

（4）按照我国目前通常的推荐换油周期以及在用发动机润滑油减摩抗磨性能呈现的变化规律，提前换油并不能达到节约车辆运行成本、延长发动机寿命的效果；而适当延长换油周期，发动机润滑油换油指标虽然未超标，但是可能导致发动机磨损加剧、摩擦损失增大、车辆燃油经济性下降等。