汽车发动机的摩擦磨损与再生修复

汽车发动机的摩擦磨损与摩圣再生修复
清华大学汽车工程系
孔宪清教授
第一部分前言
内燃机的不断发展，从根本上来说，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进提高的基础上的。

解决好主要摩擦副零部件的摩擦、磨损和润滑问题，从而使内燃机的性能和寿命有更大的提高，是长期以来整个内燃机行业（整个机械行业）为之奋斗的主要问题之一。

摩圣摩擦表面再生技术（以下简称摩圣技术）的诞生，为解决长期困扰人们的摩擦磨损难题开辟了一条崭新的思路。

（一）“摩圣”的由来
二十世纪七十年代前苏联为军事目的开始研制开发。

1992年诞生了最初的技术原型。

1997年～2000年在技术原型基础上形成现在的摩圣摩擦表面再生技术，围绕这一技术已经诞生了四十多项专利，其中包括十二项国际发明专利。

北京埃勒维斯科技发展有限公司从乌克兰哈多集团引进摩圣摩擦表面再生技术已经五年了。

（二）“摩圣”的作用原理
“摩圣”技术是一项尖端高新技术，“摩圣”技术的基础是“摩圣”摩擦表面再生剂，或称“摩圣”摩擦表面改性－修复剂。

它是一种由多种弥散的极微细矿物质（颗粒大小在1～5μm）组成的混合物，其中添加了多种辅料和催化剂。

“摩圣”是以润滑剂作为载体达到摩擦表面，在局部接触点的超高温度和超高压力条件下发生了“摩圣”粒子、金属粒子和其它参与摩擦物质的合成硬化作用，产生摩擦表面的改性－修复作用，形成金属陶瓷层，这是“摩圣”技术的实质所在。

（三）“摩圣”的特点
（1）摩圣的作用对象是金属摩擦表面，并且能够在正常运行条件下对摩擦表面进行修复，形成具有卓越摩擦学性能的金属陶瓷层，从而产生全面提高发动机工作性能和成倍延长使用寿命的效果。

（2）摩圣既能对已磨损的旧机进行修复，又非常适用于对新机的养护。

（3）大量应用试验和应用实践充分证明，不会由于使用摩圣而造成质量故障，即摩圣不会产生副作用。

铁道部运输局运装机检【2004】229号文：“关于内燃机车选用金属减磨剂技术的通知”中对此予以充分肯定。

（4）一次摩圣处理，可以长期受益，换机油不必再加摩圣，这是摩圣区别于一般机油添加剂的一个特点。

•（5）发动机摩擦表面的再生修复层经过长期运行之后会产生部分磨损，可以通过再次进行摩圣处理使其得到恢复。

摩圣再生修复具有自动调节功能，这是因随着接触表面金属陶瓷层的逐渐形成，接触面之间的摩擦急剧下降，用于激活摩圣作用的能量相应减少，当摩擦面间的接触间隙趋于最优时，摩擦产生的能量已降至足够低，修复过程即告结束。

•（6）适当加大摩圣剂量能够提高摩擦表面的承载能力。

图1
•（7）经过摩圣处理的发动机在无机油的极端状况下能够安全行驶几百公里，不会出现抱轴、拉缸故障。

图1 不同“摩圣”浓度对承载能力的影响
加“摩圣”6‰加“摩圣”1‰未加“摩圣”0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
100185260395425510580640
正压力（N）摩擦系数
第二部分摩圣应用试验、应用实践
及应用功效
(一)近五年来在各种类型内燃机中应用“摩圣”技术进行过的主要试验及相关文件（以时间为序）：
（1）“摩圣”摩擦表面改性剂—机械修复剂（PBC）汽油车道路检测
2000年1月18日～21日
交通部汽车运输行业能源利用检测中心
（2）“摩圣”摩擦表面改性剂—机械修复剂（PBC）柴油汽车道路检测
2000年1月18日～29日
交通部汽车运输行业能源利用检测中心
（3）“摩圣”摩擦表面改性剂—机械修复剂（PBC）应用于CA4GE和CA4G22汽油发动机的台架试验
2001年1月15日～1月19日
中国一汽轿车公司第二发动机厂实验站
（4）2001年5月9日至19日在重庆宗申摩托科技检测中心进行“摩圣”
摩擦表面改性—修复剂应用于CB125、CG150及Z100等发动机的台架试验。

（5）检验报告（“摩圣”改性修复剂性能）（用于CA4GE发动机的台架对比试验）
2001年9月27日签发
国家汽车质量监督检验中心
（6）“摩圣”摩擦表面改性剂—机械修复剂（PBC）＋HTZ牌HTZ1-1-OEM-0.8L型三元催化器（长安SC7100汽油车怠速污染物排放对比）
2002年2月6日签发
（7）东风4机车“摩圣”技术试验技术资料
广州机务段二〇〇二年十月
（8）“摩圣”（XADO）摩擦表面再生剂对ND5内燃机车柴油机部分进行技术处理的试验报告
上海铁路局南京东机务段2002年12月
（9）DF11-0329机车延长公里中修拆检情况分析报告
南昌铁路局南昌机务段2003年11月
（10）中华人民共和国铁道部运输局运装机检【2004】229号
关于内燃机车选用金属减磨剂技术的通知二〇〇四年六月二十九日（11）“摩圣”摩擦表面再生剂对船用柴油机性能影响
台架试验综合报告
大连海事大学轮机工程学院
大连海事大学排放测试中心
大连海事大学油液检测中心2004年8月5日
（12）金属表面抗磨修复剂装车运行考核报告
乌鲁木齐铁路局哈密机务段2005年6月
除上述应用试验考核以外，几年来在全国各地进行了广泛的推广应用实践，在各种类型的内燃机、空气压缩机、工业减速机、水泵等各种工业设备上都取得了可喜的应用效果。

这些试验和实践的结果表现出了一系列有规律的性能改善和使用寿命的延长。

（二）“摩圣”技术在内燃机中的应用的
四个方面
1.摩圣处理完成后发动机的性能产生了一系列
重要的变化
2.关于内燃机车柴油机油样光谱分析的异常及
磨损负增长情况
3.“摩圣”技术成倍延长了发动机的使用寿命
4.“摩圣”处理对发动机在无机油的极端状况
下运行安全性的影响
1.摩圣处理完成后发动机的性能
产生了一系列重要的变化
a.气缸压缩压力明显提高，并使缸压均衡，从而使发动机工作更平稳，噪声和振动下降。

例如北京北汽出租汽车集团公司第三分公司的车牌号为京B05701的奥迪100小轿车：
“摩圣”处理前的缸压为8.5 11.5 9.2 8.8 缸压相差最大3.0“摩圣”处理后的缸压为12.0 12.4 12.1 12.4 缸压相差最大0.4。

b.发动机的怠速转速在“摩圣”处理后有不同程度的提高，特别是对摩托车发动机，在加入“摩圣”后怠速运行的最初几分钟内，怠速转速就提高大约200转/分。

图2
图2 加“摩圣“后，前20小时运行中摩擦系数的变
c.发动机的动力性在“摩圣”处理后均有不同程度的提高，综合三次台架对比试验结果，最大功率提高0.15％～15％，最大的扭矩提高0.57～8.1％。

另据驾驶员普遍反映，“摩圣”处理后最高车速提高，更为突出的是加速性明显改善。

d.显著的节油效果
加与不加“摩圣”汽车道路性能检测结果摘自交通部汽车运输行业能源利用监测中心检测报告。

（一）中的（1）（2）
表1 北京BJ6480汽车汽油发动机润滑油中加与不加“摩圣”对比
等速行驶市区运
行模式
城间运
行模式
快速车
道运行
模式
车速km/h3040506070
6.0 5.3 1.2节油率％
7.0 5.4 6.0 4.2 1.2
表2 解放CA141柴油汽车发动机润滑油中加与不加“摩圣”对比
等速行驶市区运
行模式
城间运
行模式
快速车
道运行
模式
车速km/h2030405060
5.9 5.9 4.8节油率％
6.8 5.1 6.1 6.6 4.8
发动机台架外特性试验结果
表3
转速(r/min)
外特性油耗率下降（％）
CA4G2212009.2 48008.8
CA4GE 12009.0 5200 6.7
一汽二发的台架外特性试验结果（见(一)中的（3））表明：“摩圣”处理后低速和高速有显著节油效果（见表3），但中间转速油耗相差很少。

2001年5月在重庆宗申摩托科技检测中心进行的一台125ml四冲程新发动机“摩圣”处理前、后台架外特性对比结果是：“摩圣”处理后外特性各测点平均比油耗均有大幅度下降，其中外特性最低比油耗下降了14.6％。

经常在市区运行的汽车，经“摩圣”处理后的平均使用油耗下降幅度可高达10％－30％。

这是由于经常在频繁加减速条件下运行，摩擦损失的减少使其节油效果显著。

例如：上海机床厂的沪BE4899桑塔纳轿车，新车行驶2万公里后进行了“摩圣”处理，再行驶2000km后，共使用油耗下降了28.8％。

经“摩圣”处理发动机的怠速油耗下降显著。

这是因为怠速工况燃油消耗主要是用于克服摩擦损失。

主要摩擦副摩擦系数的下降必然导致怠速油耗的下降，高怠速则下降更多。

因此常常用测量和对比燃油消耗的方法来判断“摩圣”处理的效果。

e.怠速排放大幅度改善
从表4中列出的各项试验结果可以看出，“摩圣”处理后怠
速排放CO和HC的净化率都是相当高的。

图3
f.发动机的怠速机油压力在“摩圣”处理后有所提高，这
是
由于对曲轴轴颈和轴瓦的修复作用以及对机油泵的修复作用共同产生的效果。

检查机油压力非常方便，所以有时把怠速机油压力的变化当作分析“摩圣”处理效果的手段之一。

g.显著改善冷起动性能，据黑龙江、吉林、内蒙古等寒冷地区的“摩圣”使用用户反映，“摩圣”处理后冬季早晨发动汽车
600r/min排放污染物净化率
5.60%
70.00%
0%
10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%C O 处
理
前
C O 处
理
后
H C 处
理
前
H C 处
理
后
2000r/min排放污染物净化率
27.00%
89.20%
0%
10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%C O 处
理
前
C O 处
理
后
H C 处
理前H C 处
理
后
BJ6480汽车发动机双怠速排放
一汽二发CA4GE 发动机双怠速排放1000r/min排放污染物净化率
70%80%50%75%0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
C O 处
理前C O 处理后100分钟无机油运行后H C 处理前H C 处理后100分钟无机油运行后2000r/min排放污染物净化率70%80%50%75%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%C O 处理前C O 处理后100分钟无机油运行后H C 处理前H C 处理后100分钟无机油运行后
国家汽车质量监督检验中心
CA4GE 发动机怠速排放
58.62%17.75%0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
CO处理前CO处理后HC处理前HC处理后
2关于内燃机车柴油机油样光
谱分析的异常及磨损负增长情况
在内燃机车柴油机上进行“摩圣”技术处理也取得了很大进展，广州机务段东风40589机车中修后走行18万公里，之后于2002年4月进行了“摩圣”处理至2002年10月7日完成一个
中修周期（23万公里），其中加注“摩圣”后走行5万公里。

在解体检测结论中写到：摩擦表面光洁度得到明显改善。

修复效果显著，检测结果表明，部分零部件磨损明显下降，凸轮轴、增压器转子、缸套曲轴、主机油泵齿轮及轴承、配气齿轮及轴承等，在一个中修期中磨损非常小，有的达到零磨损，个别部位甚至达到了正增长。

另外，油样光谱分析结果：主要摩擦副金属铁、铝元素浓度有下降趋势，磨损减少。

铁谱分析结果：磨损颗粒尺寸变小，数量减少。

类似的情况出现在上海铁路局南京东机务段对ND5内燃机车柴油机进行摩圣处理的试验报告的试验基本结论中，“4.通过对5台机车的润滑油进行光谱分析，……出现部分机车个别金属元素（Fe，Al）含量发生异常变化”。

磨损非常小、零磨损、个别部位的正增长与铁，铝浓度的下降（异常变化）同时出现在一台机子上，是在“摩圣”处理之后才发生的相关现象。

磨损出现负增长（运行后轴颈尺寸增大了）最显著的近期实例是：哈密机务段经摩圣处理的5317机车的凸轮轴各轴颈60.3万公里的平均磨耗分别是-0.019、-0.020、-0.019、-0.022、-0.016、-0.018、-0.022、-0.027、-0.022即九个轴颈平均磨损都在-0.016－-
0.027之间，平均值为-（0.019＋0.020＋0.019＋
0.022＋0.016＋0.018＋0.022＋0.027＋0.022）÷9＝-0.185/9=-0.0205≈-0.021 详见（一）中的（12）
3“摩圣”处理改变了传统的磨损规律－“摩圣”技术成倍延长了发动机的使用寿命，这必将对使用维护和修理理念产生一系列影响。

a.传统的磨损规律•如图4及图5（幻灯20）的O-A-B-E所示，OA为磨合阶段，AB为正常
•磨损阶段，B点以后为急剧磨损阶段。

当机械运行至AB之间的某一点C1时进行“摩圣”处理。

由于最初阶段发生了摩擦表面的超精加工研磨，之后在摩擦表面发生向内部扩散和向外生长形成改性修复层或称金属陶瓷层。

该过程如图中的C1-C1’ -D1所示。

即已产生的磨损得到了某种程度的修复。

随后摩擦副接触表面已经变成具有卓越减磨抗磨特性的厚度为
•h1的改性修复层，其正常磨损阶段的斜率变平缓，当运行至F1点时，所形成的改性修复层（即金属陶瓷层）已经被磨掉，因此在F1以后，磨损趋势将恢复为与AB一致，即F1B1//AB。

从图4可以看出，进行一次“摩圣”处理就可以延长使用寿命一倍以上，即OL1>2(OL)。

•如果运行至F1B1之间的C2点再次进行“摩圣”处理，同样会取得类似于第一次“摩圣”处理的效果，如图中双点划线所示。

b.新机磨合期后尽早进行“摩圣”处理是最佳选择图5为在新机磨合阶段过后很快就进行了“摩圣”处理的效果示意图，由于摩擦表面形成了金属陶瓷层，当
运行到原大修里程的L点时，发动机的磨损程度与加“摩圣”之处基本相当，即尽早进行“摩圣”处理就相当于把新车状态在十几万公里的长时期内固定了下来。

这里举一个内燃机车实例，南昌机务段DF11内燃机车原拆检中修里程为三十万公里，DF11-0329号机车新车走行三个月后进行了“摩圣”处理，在正常运行了59万公里后，于2003年11月上旬进行了解体检查，发现气缸套、活塞环、曲轴、轴瓦等的摩擦表面极其光亮。

实测表面粗糙度Ra值大约下降了1～2个数量级，并且连杆轴瓦的厚度磨损值为零，而主轴瓦的厚度反而增加了0.01毫米。

内燃机车新机就进行“摩圣”处理经过近60万公里运行之后主要易损件的优异状况充分显示了“摩圣”处理的独特功效。

c.对于磨损程度在80％－100％，甚至磨损更为严重的情况，一定要慎重对待，不能简单套用“免拆维修”。

中国有句古话：朽木不可雕也。

对于实在老朽的机器，该淘汰报废的就应该报废！我们不要去做雕朽木之类的蠢事。

对于磨损严重的发动机而言，可能出现断环、活塞环卡死、活塞环失去弹性、气门漏气、气门油封老化等问题，以及某些零件会产生疲劳裂纹和局部剥落等，上述这些问题都已超出了摩擦磨损的范畴，
单纯依靠“摩圣”是无法解决这些问题的。

因此，在进行“摩圣”处理之前，必须首先了解该机的历史和现状，对其进行诊断，其中有些问题是必须进行解体维修并更换部分配件才能解决，然后再进行“摩圣”处理，即采用小修加“摩圣”处理的办法代替大修。

大量实践表明，这样做的效果极佳，其成功率几乎达到了100％。

d.“摩圣”处理以后，由于发动机的使用寿命成倍地延长，也由于气缸的密封性得到明显的改善、活塞漏气量减少，机油老化速度大为减缓，因此机油的使用期也成倍地延长。

这些都将对汽车发动机的使用维修和修理间隔里程产生重大影响。

例如：可将机油更换周期延长1倍左右；可以在发动机动力性和经济性出现下降趋势时，用再次进行“摩圣”处理的办法对摩擦表面进行改性修复或再生，从而再次延长其使用寿命，将大修间隔里程再次延长。

e.对于已大修的发动机，由于种种原因可能出现性能不佳，甚至出现早期磨损问题。

如果在大修之后进行“摩圣”处理，则既可以在运行中纠正其加工和装配的偏差，同时能够形成表面改性层。

因此可以明显提高性能，并且很好地解决早期磨损问题。

图6 缸套磨损对比
39.10%47.80%100.00%
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
乌5317 5319俄5318 5321 对比车5320 5322
图7 第一环侧隙增大值对比
36.40%45.40%100.00%
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
乌5317 5319俄5318 5321对比车5320 5322
图8 曲轴轴颈磨损对比
42.10%52.60%100.00%
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
乌5317 5319俄5318 5321对比车5320 5322
4“摩圣”处理对发动机工作可
靠性的影响。

试验背景概述
•哈密机务段DF8B型试验车、对比车在考核过程中发生的主要故障为高压泵下体滚轮拉伤。

首次故障平均行驶里程延长10倍以上
走行公里
53758537782754144948627453910
100000
200000
300000
400000
500000
600000
531753195318532153205322添加摩圣试验车添加RVS试验车对比车走行公里
各试验车及对比车走行至41万公里过程中发生泵下体滚轮拉伤故障次数对比
拉伤次数
0216601
2
3
4
5
6
7
531753195318532153205322添加摩圣试验车添加RVS试验车对比车
拉伤次数
各试验车走行至60万公里累计发生泵下体
滚轮拉伤故障次数对比
拉伤次数
20
3200.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
5317531953185321
添加摩圣试验车添加RVS试验车
拉伤次数
5“摩圣”处理对发动机在无机油的极端状况下运行安全性的影响。

a.关于“无机油运行”或“零机油
行驶”问题的几点基本看法
润滑系统是发动机的重要组成部分，是必不可少的。

通过润滑系统将润滑油输送到各个摩擦表面，其基本作用是：
1.减少摩擦和磨损—起减摩作用；
2.带走摩擦所产生的热量—起冷却作用；
3.带走磨粒及氧化物等—起清洁作用；
4.润滑油还有帮助增强气缸密封性和防止燃烧生成物中的酸和水对气缸的
腐蚀等作用。

这些作用对保证发动机的正常运行是至关重要的。

在一般情况下，由于润滑系统的故障不能正常供应润滑油，或者发生润滑油意外泄漏，如果没能及时发现并立即停机，只要运行几分钟就必然产生极为严重的后果－抱轴、拉缸、甚至使发动机烧损报废。

因此，在一般情况下应严禁无机油运行。

在某些特殊情况下，确实存在着无机油运行的需要。

例如在战场上，军车机油盘被打穿，机油泄露，停机就意味着被敌人消灭。

如果车辆具有无机油运行的能力，就可以继续行驶到完全的地方，进行修复，从而使战斗人员和装备都得到保护，甚至可能因此而影响整个战局。

民用车辆机油盘或机油管等处出现泄露的特殊情况也偶然会有发生，例如2003年12月7日“北京青年报”A3版《尝试零机油捷达烧坏“心”》以及“中国汽车
报”2004年1月13日第28版《无机油行驶毁了发动机》都报导了北京一位捷达车主孙海成先生在行驶途中“汽车底部突然撞上一块石头，将机油管撞裂，机油随后便流干了”该车是加过一种机油添加剂的，于是孙先生“模仿广告中的做法，尝试无机油行驶，行驶了不到七公里，发动机就烧损报废了”。

从上述军用和民用的实例可以看出，如果采用某种措施能使发动机在无机油状态下运行一段时间，就可以提高军事作战能力，就能够避免发动机烧损报废，其意义是显而易见的。

b.经过“摩圣”处理的发动机确实具备了承受在无机油状态下运行的能力。

以下介绍的是在2001年进行的三次台架
无机油运行试验的情况（取自2.1.1中的
c.d.e.）
2001年1月一汽二发CA4GE发动机100分钟台架无机油试验后拆机解体检查，未见任何机械损伤，表面光滑。

2001年5月重庆宗申摩托车厂，两台加与不加“摩圣”的排量为100ml的四冲程发动机进行无机油对比试验，没加“摩圣”的发动机在转速提高到4500r/min时很快就拉缸退出试验，而经摩圣处理的一台在4500r/min运行了1小时，6000r/min运行了1小时，7000r/min运行了6小时，
8000r/min又运行了6小时，该机在无机油状态下总计安全运行了整整15小时，加机油复测了外特性，其动力性较无机油运行前还有明显的改善。

将两台机解体检查，那台没有加摩圣的发动机活塞拉毛表面粗糙，气缸孔也有明显的拉痕，肉眼观察和用手触摸都很明显。

而曾经拉缸又经添加“摩圣”修复并作了15小时无机油运行的活塞，肉眼仍可看到活塞拉毛的痕迹，但用手触摸则表面非常光滑，这是由于表面已被透明的金属陶瓷层所覆盖（见摩圣宣传册上的照片）缸孔表面的拉痕较浅已经修复，表面非常光滑；另一些较深的人为刻痕则尚未完全修复。