为了马力而润滑《二》

打鼓也是门艺术

简介

我们在高性能润滑剂行业的经验已扩展到第53个年头。我们的目的就是为发动机改装者、赛车车主、赛车机械师、以及高性能进口和国产车车主呈现润滑、摩擦及磨损的事实。

今天，为普通客车和为赛车制造的润滑油在性能方面有很大差距。20世纪90年代的后五年里，这个差距越来越大，而且由于政治及环境因素所驱动制定的新的全球标准，这个差距会进一步增大。现在设计发动机机油时，首先考虑保护环境，其次是保护发动机。EPA更注重于催化转换器的保护而不是发动机。

在这个报告中，你将从工程学的角度了解润滑、摩擦及磨损。没有兜售夸大的意思，只是客观地提供了一些有关发动机机油的设计，功率试验，现场试验以及证明增加马力和扭矩的事实。

力和运动

在润滑剂工业中有两个词经常用到：水力(hydrodynamic)和边界(boundary)。“hydro”的定义就是运动中水的力量。“dynamic”的定义也是有关力和运动。边界就是润滑发生的外边缘，在这里金属与金属相接触，一个表面在另一相对表面上滑动。

水力润滑是使运动中的两个表面分开的液体膜所施加的力。当液体膜由于热而变薄或者被所附着表面的运动拖离，它就达到液体膜的极限而不能再将两个运动的表面分开。在液体膜润滑达到极限时，边界条件就产生了。

边界润滑就是没有油膜的两个表面的特性决定表面之间的摩擦。在滑动过程中，当油膜太薄而不能使相对表面分开时，就会发生磨损和表面损伤。金属表面的高点互相碰撞增加了摩擦、磨损及表面损伤。为减少摩擦阻力，使相对表面滑动更容易，边界润滑剂就必须使金属表面的高点部分或完全分离。

让我们扩展水力和边界润滑的定义。“Hydro”不仅仅是运动中水的力量，同时也指其它液体如发动机油，传动液和齿轮油。流体力学要解决力和运动。因此，水力润滑就是油进入两个表面之间并形成液体膜使两个运动表面分开的功能。换种说法，水力润滑就是油膜分开两个相对运动表面的能力。

厚液体膜润滑是完全分开，而薄液体膜润滑是部分分开并且需要粘度和润滑性以外的帮助来阻止金属和金属的接触。在发动机中，没有其它的部件比汽缸表面的高点多；没有其它的部件比活塞环与汽缸接触产生的摩擦大；没有其它的部件像活塞环在汽缸中滑动时一样将薄油膜暴露于更高的温度和速度之下；没有其它部件像汽缸一样承受燃料稀释、燃烧及超高温蒸汽。

汽缸是最极端边界条件存在的地方。这就是为什么75%的由摩擦引起的运动阻力产生于活塞环和汽缸之间。另外25%的阻力产生于内外阀门弹簧，阀门杆和阀门导向杆，凸轮凸角和提升杆，摇杆和推杆及其它不重要的操纵杆和主轴承——因为轴承很少处于边界条件下。

有三种表面保护形式对边界润滑是有效的——物理吸收膜，化学吸收膜和化学反应膜。石油、合成和半合成基础油不能产生这三种膜。为了使边界润滑发挥作用，基础油必需含有添加剂来增加极性以形成物理吸收膜。也需要添加剂来产生化学吸收膜和化学反应膜。硫和磷添加剂与铁反应生成硫化铁和磷化铁。当硫和磷与油融性金属(如锌)结合时，会形成一层金属分子保护层，填平接触表面高点两侧的不平处，降低表面粗糙程度。

依据所用的金属或金属的组合，在铁表面可以形成金属合金，减少摩擦和磨损。但是，边界润滑剂通常只能降低磨损而不能减少摩擦。这就是最多被使用的磨损保护添加剂—亚磷酸锌的真实情况。吸附在铁上的锌增加40%的摩擦，当沉积在汽缸壁和活塞环上时，它消耗高达3%的能量，减少马力和扭矩输出。

运动阻力

在水力润滑中，运动阻力随油温的变化而变化。油温上升，运动阻力降低；油温降低，运动阻力上升。这就是粘度和SAE等级的意义。粘度是液体膜最重要的功能。粘度的定义是在一定温度下油对流动的阻力的测量。今天，我们的实验室设备能够测量温度范围从摄氏零下35度到零上100度之间的流动阻力，并能够画出曲线图，可以预测直到摄氏零上150度(华氏302度)的粘度，这时边界条件存在于汽缸、活塞环和阀门部件上。

发动机中有三种阻止运动的力：静态阻力、牵引力和摩擦力。静态阻力的定义是一个固体表面在与另一固体表面相接触时开始运动所需要克服的力。当活塞运动到上止点(TDC)和下止点(BDC)并完全停止时，活塞相对于汽缸要改变运动方向，这就会消耗能量以获得初始运动。在向下运动的冲程中，水力润滑克服了阻力，允许活塞运动。但在向上运动的冲程，只能通过边界润滑来克服运动阻力。这就需要节约能量的低摩擦材料膜，我们会在添加剂技术中详细讨论。

牵引力的定义是要求在运动过程中附着于表面而不产生打滑的力。牵引力发生在活塞冲程的中部(在TDC和BDC的中间位置)，这时连杆弯角产生侧压力作用于活塞和活塞环之上。为了克服牵引力引起的阻力，就需要滑动。在向下的冲程中，滑动产生于水力润滑，此时活塞和活塞环在油膜上滑动。但是在向上运动的冲程中，边界润滑需要同样的低摩擦材料来克服阻力。

摩擦力的定义是一个表面在另一个相对表面上滑动时阻止运动的力。摩擦力的大小取决于接触表面的光滑度或粗糙度以及作用于表面的力。摩擦力有不同的种类：流体摩擦，当油的粘度随温度的变化而变化时，流体摩擦也随之改变；滚动摩擦是阻止插销轴承、滚动轴承和球轴承在相对表面上运动的阻力；滑动摩擦是最严重的，浪费更多的能量，导致更多的表面损伤。滑动摩擦占发动机所有摩擦的75%，这主要产生于汽缸中，因为汽缸比发动机其它任何部件都有更多的接触表面。

我们已经讨论并认识了水力和边界润滑、机油粘度、静态阻力、牵引力和摩擦力。这就是润滑工程学所要做的-----克服速度、负载和热所带来的运动阻力。如果没有节约能量的添加剂，机油仅仅是机油。

增加马力的添加剂技术

用在普通客车机油里的添加剂不能增加马力。用在大部分赛车机油里的添加剂也不能增加马力。但确实有增加马力和扭矩的添加剂材料。我们检测了数百种旨在提高功率效率的发动机机油配方，发现几乎没有什么添加剂能够克服含磷酸锌(亚磷酸锌)配方中的锌引起的阻力，磷酸锌是用于汽油和柴油发动机机油中的添加剂，防止磨损、机油氧化和轴承腐蚀。

很多年以前(1973)，我们开发了一种增加功率效率的，由油溶性金属、硫和磷组成的添加剂。近期(1988)，我们发现一种磷酸酯可以更有效地增加功率效率。当把它和我们的添加剂组合到一起进行发动机功率测试时，我们看到了明显的马力和扭矩的增加。现在我们拥有主要添加剂公司所没有的专利添加剂技术。更近一些(1994)，一种新的获得专利的金属摩擦改良剂被用来替代70年代的产品，我们叫它MPZ®。

MPZ®的事实和证明

流体摩擦只是四冲程发动机中需要克服以获得更大马力的四种阻力之一。其它三种是静态阻力、牵引力和动摩擦力。在压缩和排气冲程，汽缸中油膜不存在，这些阻力就会产生。在进气冲程，进入的燃料将油膜从汽缸壁上冲洗掉，使得在压缩冲程时活塞环在干的铸铁上滑动。这种情况会重复：在燃烧冲程，燃烧、热气和超高温蒸汽将油膜从汽缸上冲洗掉，使得在排气冲程时活塞环在干的铸铁上滑动。

在转速从6000到9000RPM的典型赛车发动机中，压缩和排气冲程的频率为每秒100到150次，也就是活塞在干的铸铁汽缸中的行程为每秒29到44英尺。汽缸中阻止活塞运动并消耗能量的力是静态阻力、牵引力和动摩擦力。

MPZ®把汽缸中的摩擦系数从没有MPZ®的0.75降低到采用MPZ®的0.44。也就是降低了41.4%的活塞运动阻力，从而将马力和扭矩提高了3%。这可以通过发动机功率计记录下来。

发动机动态测试性能证明

数以千计的使用由MPZ®添加剂处理过的机油进行的动态测试确认了MPZ®确实增加马力。但我们还需要没有偏见的比较测试，将一种主要品牌的机油作为参照，与含MPZ®的赛车油进行比较。这些发动机测试是由中弗罗里达州立大学的Robert Hoekstra博士监督执行的。他在超级流动901动态实验台上采用350 Chevy发动机进行测试。

350 CHEVY测试发动机参数

汽缸孔径	4.03英寸
行程	3.50英寸
连杆	6.00英寸
压缩比	14.1
机油系统	干油泵
机油过滤器	系统1
点火器	MSD-7AL
活塞头	DART SPORTSMAN
进气阀	钛2.10英寸
排气阀	不锈钢1.60英寸
凸轮轴	竞赛用凸轮
凸轮提升进气	0.63英寸
凸轮提升排气	0.63英寸
摇杆进气	1.65英寸
摇杆排气	1.50英寸
计时	JESEL 环路行驶

我们以Pennzoil油作为参照，因为它的物理和化学指标在主要品牌的客车发动机机油中是很典型的。

测试油	粘度100℃	最大马力	最大扭矩
Pennzoil油	10.2cSt	547	422英尺/磅
MPZ®赛车油	11.8cSt	559	432英尺/磅

Torco MPZ®赛车油比Pennzoil油多产生12马力和10英尺/磅的扭矩。这次发动机测试说明了具有良好质量的客车机油与旨在提高马力和扭矩的赛车油之间的不同。

下面介绍MPZ是怎样工作的----以及为什么它在赛车油中作为功率效率添加剂进行工作。关键问题是铁的摩擦行为以及它如何阻止高速滑动的活塞环的运动。MPZ®将阻力有效地转化为马力和扭矩。

图一：典型的350立方英寸铝铸赛车发动机机体，内部是铸铁汽缸套

发动机内的汽缸是燃料燃烧产生动力的地方，同时也是汽缸内活塞运动的阻力导致功率损失的地方。发动机汽缸内活塞运动的阻力比所有发动机其它部件都严重，因为汽缸比其它发动机铁的部件有更大面积的高摩擦表面，摩擦系数也高。但是汽缸导致活塞运动阻力还有其它的原因。

在进气冲程进入的燃料冲洗汽缸壁，移走油膜，从而增加压缩冲程中活塞运动的阻力。在排气冲程之前的燃烧冲程，燃烧和热气把汽缸壁上的油膜冲洗掉。这种油膜被从汽缸壁上移走的过程在转速为6000转/分至9000转/分的赛车发动机中每秒钟会发生100至150次。在没有液体油膜保护的情况下，在压缩和排气冲程中，活塞行程为每秒钟29至44英尺。

现在我们检查在进气和燃烧冲程中，油膜从汽缸壁上消失的汽缸高温环境下活塞的运动。由于转速不同，活塞上下运动的次数为每秒200至300次。活塞同样进行每秒200至300次的从上止点到下止点，然后从下止点到上止点的“停和走”运动。

图二：活塞、活塞环和汽缸的切面图

每一个活塞冲程都有三种消耗能量的阻力。这种能量的损失就是马力损失，损失的能量永远不会到达发动机曲轴。MPZ®就通过克服静态阻力、摩擦力和牵引力来弥补这种功率损失。静态阻力是在每个冲程中活塞初始运动的阻力。活塞开始运动后，摩擦会增加阻力而消耗能量。在每个冲程中，连杆弯角都产生侧压力作用于活塞和活塞环之上，这增加了活塞运动阻力。

当牵引力发生时，活塞环在汽缸壁上滑动需要更多的力，导致发动机浪费更多能量。这些能量被MPZ®弥补并传递给曲轴从而增加马力。每一活塞冲程中连杆弯角如下所示：

进气

压缩

燃烧

排气

发动机部件运动

在典型的350 Chevy赛车发动机中，各部件运动速度和距离如下：(测量标准为英尺/秒和6000至9000转/分)。

活塞行程(3.5英寸冲程)

转速	活塞冲程	英尺/秒
6000	200次/秒	58.33
9000	300次/秒	87.50

进气和排气阀阀门提升(0.630英寸)

转速	阀门冲	英尺/秒
6000	100次/秒	5.25
9000	150次/秒	7.87

阀门提升阀门弹簧行程(0.630英寸)

转速	弹簧运动	英尺/秒
6000	100次/秒	5.25
9000	150次/秒	7.87

更深层次考虑一下活塞在汽缸中的运动、阀门杆在阀门导向间的运动及内部阀门弹簧在外部阀门弹簧间运动。当赛车参加长途比赛，发动机以6000至9000转/分的速度运转--下面就是活塞、阀门和阀门弹簧在每分钟内的运动数据：

活塞运动(3.50英寸冲程)

转速	活塞冲程	英尺/分
6000	12000次/分	3500
9000	18000次/分	5250

阀门&阀门弹簧冲程

转速	阀门和弹簧冲程	英尺/分
6000	6000次/分	315.0
9000	9000/次分	472.5

以上数据仅仅是举例说明在典型的350 Chevy赛车发动机中所发生的情况。在转速为9000RPM时活塞每分钟行程1英里会消耗多少能量？这就取决于油的粘度及它减少阻力的能力：汽缸壁上的静态阻力、牵引力和摩擦力---阀门杆和导向杆之间以及内外阀门弹簧之间的静态阻力和摩擦力。

在这个报告的开始，我们说过此处没有兜售夸大的意思。但我们要说的是：马力就是马力，刚好够用对大多数赛车手来说是不够的。

总结和结论

为了节约能量并把能量转化为额外的马力，含锌的抗磨损添加剂就必须被有更好减摩擦特性的添加剂替代。这就是MPZ®，它具有克服三种阻力的特性。MPZ®克服静态阻力使活塞环获得初始运动。初始运动后，MPZ®克服了摩擦力和牵引力。

活塞和活塞环生产厂家在机械上想尽一切办法克服活塞运动的静态阻力、摩擦力和牵引力。他们还尝试了大量的低摩擦涂覆材料希望克服这些阻力。但其实是汽缸壁而不是活塞需要低摩擦涂覆材料，正是MPZ®具备在发动机中克服静态阻力、摩擦力和牵引力的低摩擦特性。

总之，为普通客车制造的发动机机油的性能不能与为赛车发动机制造的机油相媲美。但不仅仅如此，用于普通客车发动机机油中的磨损保护添加剂和摩擦改良剂的性能不能与为增加马力和扭矩的添加剂相媲美。

马力极限

你能够获得更大的马力，为什么要选择低马力呢？无论在机械方面改动多大以增加马力，你都将失去一些来克服阻力。我们都知道，没有润滑的发动机难以启动，难以保持运转，难以使曲轴、变速齿轮和活塞齿轮运转并保持源源不断的动力。

令人惊讶的是，MPZ®膜比一根头发还要细却有那么大的作用。我们称它为“马力极限”。