話說SM級汽油車引擎機油（二）
2008-01-05
話說SM級汽油車引擎機油（二）
黃立燈
四、 沉積物（Deposit）
低溫駕駛對引擎機油的影響—低溫沉積物的生成歷程
低溫沉積物包含煙灰、清漆、低溫油泥等。這些沉積物是因漏氣中未完全燃燒之液態氧化燃油、無機鹽類、有機聚合物等，經進一步化學反應而沉積於各部位的物質，與機油氧化物的關聯少。
由於漏氣是多於壓縮行程發生，其成分中，排氣（燃燒）氣體約為30％以下，其餘多為未燃或部分氧化的燃油。生成低溫油泥的主要成分就是此種氧化生成物。在此階段還是油溶性，其分子量只有60～200，是含有羧基、羰基、或羥基的化合物，因此也被稱為「前驅物質」（precursors）。此種液態氧化生成物是生成清漆、油泥的主要因素。
這種前驅物質經聚合、縮合而成為油不溶性樹脂。然而，如果前驅物質的含氧量低以及其聚合物的分子量低，則有良好的油溶性，只使機油增稠；可是如果前驅物質的含氧量高，其聚合物的油溶（溶於潤滑油）性差，因而生成清漆和樹脂。低溫沉積物多見於時開時停（斷斷續續）行駛的汽油車引擎。
沉積物對引擎的影響
機油在引擎內部循環潤滑各摩擦面，過了一段時間經氧化及污染而生成所謂的沉積物，對引擎內部產生種種障礙。
1) 機油變黏稠，機油的流動性變差。
2) 會堵塞濾網，降低機油泵的泵油效率。
3) 黏著在高溫部位，例如汽門面、汽門桿、活塞頭、火星塞等成為碳沉積物。
4) 因含有水和金屬磨損粉末以及氧化矽之機油會增加軸承的摩擦，並產生腐蝕，因而引起軸承的磨耗。
5) 會使活塞環黏著（Ring Sticking）和引起汽門積碳。活塞環槽積碳（活塞環黏住）會造成漏氣而加速機油的氧化。活塞環黏住也會造成汽缸壁的磨損。
6) 汽門積碳會減低引擎力輸出而增加燃油的消耗。
五、銹和腐蝕的發生
引擎內部發生銹和腐蝕原因是漏氣氣體中的酸性物質，在低溫之條件下，與水一起凝縮成為腐蝕性酸（corrosive acid）而造成銹和腐蝕的發生。這是汽油中的硫分為起因的硫酸或有機酸所致，最容易生銹的潤滑部位是機油泵和推桿（push rod）。
六、銅—鉛軸承的腐蝕
這是銅—鉛或鎘（cadmium）合金軸承中，以鉛及鎘為主的金屬受了氧化物（有機酸及氧化劑—過氧化物或氧）的侵害，而失去金屬的部分組織（成為有機酸金屬鹽而溶出）的現象。此外，銅—鉛軸承的硫腐蝕也成為一種問題。為此，引擎機油有添加抗氧化劑和抗腐蝕添加劑，以防止軸承的腐蝕。
因此，SM級車用機油的硫含量限制為0W-xx和5W-xx，重量比最高0.5％。10W-xx則最高0.7％。
七、磨耗（wear）
在汽車引擎的潤滑系統中，磨耗成為問題的是：
1) 活塞環與汽缸壁，
2) 凸輪與挺桿或搖臂，
3) 連桿軸承與主軸承。在汽車引擎的潤滑系統中，機油泵和過濾器的性能是很重要，把濾去雜質的機油不斷的泵送至潤滑部位，發揮潤滑和冷卻的作用，使機件的磨損減低至最少。
要使機油泵發揮其功能，機油的流動性和消泡性要好，且引擎機油中有添加高鹼性金屬清淨劑防止活塞環的腐蝕磨耗頗有效。活塞環與汽缸壁間是流體潤滑為主，只要使用適宜黏度且高溫氧化穩定性好的引擎機油就可，問題是在於腐蝕磨耗。
其中活塞環多有鍍鉻，已少有腐蝕磨耗的問題。軸承的潤滑油是流體潤滑，只要黏度適宜磨耗的問題較少，但是高溫腐蝕問題不可忽視。
最後成為問題的是汽門驅動（valve train）系統。此部分的潤滑是屬於介面潤滑（boundary lubrication），易發生擦損（scuffing）、點蝕磨損（pitting）。此一問題不能只靠引擎機油來解決，尚需考慮與磨耗面材質的改進問題。
SM級車用機油的山G試驗結果，凸輪與挺桿之平均磨損最高為60μm。
八、複黏度引擎機油之特性
複黏度引擎機油是用較低黏度之基礎油與高分子量的黏度指數改善劑（viscosity index improvers）摻配調製而成。常用者有聚甲基丙烯酸酯（Polymethacrylate）、聚異丁烯（Polyisobutylene）、乙烯丙烯共聚物（Ethylene-Propylene Copolymer）、苯乙烯-異戌間二烯共聚物（Styrene-Isoprene）等，其分子量在數萬至100萬之間。由於低黏度基礎油與高分子量聚合物的結合，複黏度引擎機油具有種種特性。
剪力穩定性（Shear stability）
把複黏度引擎機油加以機械剪斷或音波剪斷時，高分子添加劑的主鏈會被切斷，於是短時間內黏度會下降（如10W-30→10W-20），其穩定性受添加劑分子量的影響很大，分子量越高越容易斷。
非牛頓性（一時黏度下降）
礦油通常被認為是非牛頓性流體，而複黏度機油則顯示了典型的非牛頓性，剪斷速度變大時，其表觀黏度（Apparent viscosity）會緩慢逐漸下降，最後會接近基礎油黏度。這是因添加於複黏度機油的高分子量聚合物取向（orientation）於剪斷方向而發生的現象。除去剪斷力，會恢復原來的黏度。如果添加的是同型的高分子量聚合物時，分子量越低，一時的黏度下降就越少。
九、低溫起動性
由於早晨的氣溫較低（至少比中午溫度低6-7℃），以往早晨冷車起動成為一個問題。現在，汽車的燃料系統和點火系統已經改為電腦控制系統，汽油與空氣的混合比例由電子噴油裝置控制（設有冷起動系統）且採用電子點火裝置，在低溫的早晨起動車子比以往容易得多。低溫起動之問題在於磨擦面的潤滑。當起動馬達起動之同時，也帶動了需潤滑的裝置（如正時齒輪、曲軸、連桿、活塞、凸輪軸、汽門驅動系統、機油泵、燃油泵、點火分電盤軸、冷卻水泵、冷卻風扇、發電機、自動變速機器等），此時，起動阻力（磨擦損失）很大，此時，前一天引擎熄火當時各潤滑部位表面留下的一層潤滑油膜，須足夠減低起動阻力，而引擎起動時所需的極限黏度（Limiting）通常為5000 Centipoise，相當於15W機油之黏度
再者，影響搖轉特性（Cranking characteristics）的不是曲軸箱中的引擎機油，而是前一天引擎熄火當時留下於汽缸壁上的機油。雖然起動了引擎，是否能在極短時間內把機油泵送至各潤滑部位？此是所謂的機油的低溫泵送特性。油因氧化黏度變稠流動性變差，造成潤滑不完整導致磨損。由於汽車引擎的汽缸壁與活塞之間的摩擦阻力佔引擎的全摩擦阻力的70％，是造成起動時的過大摩擦阻力的主要原因。
低溫泵送的問題，分為
1) 機油是否經由吸油端濾網繼續流入機油泵的現象—氣結（air binding）
2) 吸油管部的阻力太大而發生機油泵未能吸入足夠的機油的現象—空化作用（cavitation），這與機油的劣化程度和維護保養水平也有關聯。此些問題與低溫起動性能有密切的關係。低溫起動性能是SM級車用機油新要求性能，低溫起動性能好較為省燃油。
十、機油消耗量
機油的消耗量與機油的黏度及揮發性（volatility）有密切的關係。除此外，亦受引擎的構造、磨適的情況、引擎的新舊（主要是油環膠住、磨損、汽缸壁的磨損）等許多因素的影響。在黏度的影響方面，複黏度機油的揮發性在低油溫時不怎麼顯著，但是隨著油溫之上升，由於使用揮發性較大的低黏度基礎油，其消耗也會增加。雖然道理是如此，實際上這方面的資料各有不同。如油環的磨損，以及曲軸箱通風裝置之構造、曲軸箱的洩漏等種種因素存在著。
十一、燃油的消耗問題（省油問題）
由於原油價格的高漲，省油的問題廣被重視，最近以引擎機油的組成方面的改善來減低引擎的摩擦損失增進省油效益而推出「SM」級車用機油。汽車引擎的燃料消耗量大多認為與汽油的品質有關，其實受了許多條件的影響，而受汽油本身的影響較少。這許多條件為：
1) 汽車引擎的構造
2) 引擎的維護保養
3) 駕駛技術以及駕駛條件（車速、路況、風向風速、載重量、輪胎的氣壓與抓地力、氣溫）
4) 機油與汽油的品質。
在汽車引擎的構造方面，燃燒室的設計之改進提高燃燒效率、活塞環材質、燃料系統（已改為電子噴油系統）、點火系統（已改為電子點火系統）、冷卻系統、汽門驅動系統、傳動系統、機油泵等的改進。其他有車輛的輕量化，以及車身外型的改進減少空氣的阻力，來求汽車省油。
引擎的維護保養方面，現在的汽車維護保養都由汽車製造廠商建立了完整的售後服務制度實施定期維護保養，只要確實按期做好維護保養應該問題較少。
駕駛技術以及駕駛條件方面，一個人的駕駛技術和駕駛習慣與省油有密切的關係。例如，起動後暖機太久、駕駛速度時快時慢或喜歡開快車、以煞車代替放鬆油門等。塞車、道路彎又是上坡、逆風行駛等都是增加耗油的主要因素。都市內行駛比停車次數少的快速公路耗油。一般來說，使用起動性和加速性好的汽油較為耗油。
SM級車用機油添加有特殊黏度調整劑和特殊摩擦調整劑（Friction Modifier），可減少介面潤滑條件下的摩擦，有利省燃油。
SM級車用機油的省油效益，經試臺（Dynamometer Test）試驗的結果，使用0W-20和5W-20號機油16小時後的省油效益為最低2.3％，96小時後為最低2.0％；使用0W-30和5W-30號機油16小時後的省油效益為最低1.8％，96小時後為最低1.5％。機油的省燃油效益試驗的結果顯示機油的潤滑性能導致減低摩擦提高引擎效率而降低燃油消耗。機油的省燃油效益試驗：試臺試驗的數據與實車行駛試驗（越野行駛試驗）的數據各有不同，且差異很大。
引擎的燃料消耗量是以gr/HP/hr（每時每馬力汽油重量）表示之，汽車的行駛燃料消耗量是以公里/公升表示之，實際上兩者的差異很大。
十二、汽車排氣的問題（環保問題）
汽車排氣管排出的燃燒氣體和污染空氣問題，始自1949年，A.J. Haagen-Smit提出美國洛杉磯煙霧的原因是碳氫化合物和氮氧化物之光化學反應造成的光化學煙霧說。
汽車排氣管制自1960年代開始，其規範趨於嚴格；因此，汽車製造廠商也對汽車的排氣污染防止對策全力以赴。為了因應裝置觸媒式排氣淨化裝置（鉛對觸媒有害）而開始供應無鉛汽油。解決了汽油中鉛的問題，車用機油中的添加劑又成為問題。各種化學元素中磷對觸媒的毒害最大。車用機油的抗磨損、抗仰化、腐蝕抑制劑等添加劑一般較常用的是二烴基二硫代磷酸鋅（Zinc dialkyldithiophosphate），其中含有0.05～0.15％的磷。
但是後來的研究發現，如果與鈣或鋇系的清淨劑共存的話，對觸媒幾乎沒有毒害；為了延長觸媒的使用壽命，SM級車用機油的磷含量規範為0.06～0.08wt％。
十三、結語
車用機油在反覆循環使用中，受高溫與污染（漏氣污染）、金屬磨損粉、空氣、水等的影響而氧化，其氧化生成物又使機油加速氧化，終於在引擎內部生成沉積物而引起種種障礙。車用機油雖然加有抗氧化劑究竟其使用壽命有多久？通常酸價突增時是表示抗氧化劑效能已衰竭。使用於車用機油的多種添加劑之間雖有相互作用，然其使用壽命又有多久？行駛多少公里就會衰竭？由於行駛狀況和路況的不同，難找出中肯的數據。既然機油的氧化變質無法避免，唯一的辦法是增加換油次數，以免生成沉積物過於嚴重損害引擎。頻頻換油雖然不經濟，總是比進廠修理便宜。
一般來說，是按照汽車製造廠商或潤滑油製造廠商建議之行駛里程換油，許多技術文件都建議宜提前換油。假如廠商建議每行駛8000公里換油，即提前為行駛5000或6000公里換油，每次換油都須趁熱換油，並換機油濾芯或清洗濾芯（有時換油二次換一次濾芯）。
汽車製造廠商有需要對客戶舉辦「省燃油駕駛技術」以及「如何做好汽車的維護保養」之宣導。再者，潤滑油製造廠商也有需要對用戶舉辦「如何正確使用潤滑油」（包括換油里程之建議）等等之宣導以回饋用戶。
酒精汽油的問題：使用酒精汽油是世界潮流，目前我國推出醇3vol％與汽油97vol％混合的酒精汽油。醇與水是相溶的，這一點將影響醇與汽油的混合穩定性。再者，醇對金屬具有腐蝕性，使用酒精汽油的汽車排出氣體中會多出醛（aldehyde），使用甲醇混合時排出氣體中的醛會更多。為迎合使用酒精汽油的趨勢，由於醇的心烷值高，汽油引擎的設計和構成零件材質將會有所改變；如改為陶瓷質或陶瓷表層（ceramic coatings）、經改良的鋼；鑄鐵、鋁合金等。
參考資料
CRC Hand book Volume I & II
Alcohols as Motor Fuels 1980 SAE
J.R. Davis, Davis & Associates Friction and Wear of Internal Combustion Engine Parts
API Technical Bulletin 3 2002
臺灣中油公司 SM車用機油介紹
Syed Q.A. Rizvi, The Lubrizol corporation Internal Combustion Engine Lubricants