본 연구에서는 해상용 경유의 희석량에 따른 선박용 윤활유의 점도 및 전단응력의 변화 등 유변학적 거동에 대한 연구를 하였다. 연료희석에 의한 윤활유의 점도감소는 피스톤링 및 라이너의 마모로 인한 엔진내구성을 저하키는 중요한 요소이다. 연구에 사용된 윤활유는 고유황 경유(황함유량 0.05 %)를 3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 %로 희석하여 magnetic stirrer를 이용, 혼합하여 제조하였다. 측정온도는 $-10^{\circ}C{\sim}80^{\circ}C$ 범위로 설정하고, 점도 및 전단응력 변화는 회전점도계인 Brookfield Viscometer를 이용하여 측정하였다. 윤활유에 해상용 경유의 희석량이 증가할수록 점도 및 전단응력이 감소하며, 이것은 상대적으로 낮은 점도의 해상용 경유가 윤활유에 희석됨에 따라 윤활유의 점도 및 전단응력이 낮아지기 때문이다. 특히, 저온($0{\sim}-10^{\circ}C$)에서는 점도 및 전단응력이 급격이 낮아지다가, $40^{\circ}C$ 이상에서는 점도 및 전단응력 감소가 해상용 경유 희석량의 영향을 거의 받지 않는다. 온도가 높아짐에 따라, 윤활유의 점도 및 전단응력 감소는 윤활유의 뉴턴유체 거동을 보이는 것을 확인했다. 경유의 혼입에 의한 점도감소로 선박의 엔진마모를 촉진할 수 있으므로 엔진의 내구성 향상을 위해 윤활유의 주기적인 관리가 필요하다.
본 연구에서는 해상용 경유의 희석량에 따른 선박용 윤활유의 점도 및 전단응력의 변화 등 유변학적 거동에 대한 연구를 하였다. 연료희석에 의한 윤활유의 점도감소는 피스톤링 및 라이너의 마모로 인한 엔진내구성을 저하키는 중요한 요소이다. 연구에 사용된 윤활유는 고유황 경유(황함유량 0.05 %)를 3 %, 6 %, 10 %, 15 %, 20 %로 희석하여 magnetic stirrer를 이용, 혼합하여 제조하였다. 측정온도는 $-10^{\circ}C{\sim}80^{\circ}C$ 범위로 설정하고, 점도 및 전단응력 변화는 회전점도계인 Brookfield Viscometer를 이용하여 측정하였다. 윤활유에 해상용 경유의 희석량이 증가할수록 점도 및 전단응력이 감소하며, 이것은 상대적으로 낮은 점도의 해상용 경유가 윤활유에 희석됨에 따라 윤활유의 점도 및 전단응력이 낮아지기 때문이다. 특히, 저온($0{\sim}-10^{\circ}C$)에서는 점도 및 전단응력이 급격이 낮아지다가, $40^{\circ}C$ 이상에서는 점도 및 전단응력 감소가 해상용 경유 희석량의 영향을 거의 받지 않는다. 온도가 높아짐에 따라, 윤활유의 점도 및 전단응력 감소는 윤활유의 뉴턴유체 거동을 보이는 것을 확인했다. 경유의 혼입에 의한 점도감소로 선박의 엔진마모를 촉진할 수 있으므로 엔진의 내구성 향상을 위해 윤활유의 주기적인 관리가 필요하다.
This paper describes the rheological behavior study such as viscosity and change of shear stress regarding marine lubricating oil according to the amount of Marine Gas Oil (MGO) dilution. The viscosity reduction due to fuel dilution is crucially important characteristic to decreasing engine durabili...
This paper describes the rheological behavior study such as viscosity and change of shear stress regarding marine lubricating oil according to the amount of Marine Gas Oil (MGO) dilution. The viscosity reduction due to fuel dilution is crucially important characteristic to decreasing engine durability because of the abrasion of piston ring or liner. The lubricating oil used in this paper was blended with magnetic stirrer diluted High Sulfur Diesel (HSD, 0.05 wt%) ratio of 3 %, 6 %, 10 %, 15 % and 20 %. The viscosity and shear stress of diluted lubricating oil were measured with the temperature range from $-10^{\circ}C$ to $80^{\circ}C$ using a rotary viscometer (Brookfield Viscometer). As the amount of MGO dilution increasing in lubricating oil, the viscosity and stress of those decreased, because the lubricating oil diluted MGO with low viscosity show the trends to decreased viscosity and shear stress. Especially, the viscosity and shear stress of lubricating oil radically decreased at low temperature ($0{\sim}-10^{\circ}C$) and doesn't effect in MGO dilution at over $40^{\circ}C$. As temperature risen, the reduction of the viscosity and shear stress in lubricating oil shows the Newtonian behavior. The lubricating oil was required to check up periodically to improve engine durability since the viscosity reduction by MGO dilution accelerating the engine abrasion.
This paper describes the rheological behavior study such as viscosity and change of shear stress regarding marine lubricating oil according to the amount of Marine Gas Oil (MGO) dilution. The viscosity reduction due to fuel dilution is crucially important characteristic to decreasing engine durability because of the abrasion of piston ring or liner. The lubricating oil used in this paper was blended with magnetic stirrer diluted High Sulfur Diesel (HSD, 0.05 wt%) ratio of 3 %, 6 %, 10 %, 15 % and 20 %. The viscosity and shear stress of diluted lubricating oil were measured with the temperature range from $-10^{\circ}C$ to $80^{\circ}C$ using a rotary viscometer (Brookfield Viscometer). As the amount of MGO dilution increasing in lubricating oil, the viscosity and stress of those decreased, because the lubricating oil diluted MGO with low viscosity show the trends to decreased viscosity and shear stress. Especially, the viscosity and shear stress of lubricating oil radically decreased at low temperature ($0{\sim}-10^{\circ}C$) and doesn't effect in MGO dilution at over $40^{\circ}C$. As temperature risen, the reduction of the viscosity and shear stress in lubricating oil shows the Newtonian behavior. The lubricating oil was required to check up periodically to improve engine durability since the viscosity reduction by MGO dilution accelerating the engine abrasion.
한편, 온도증가에 따른 유체의 점도감소 및 전단면에서의 응력감소 등 유변학적 물성을 갖는 윤활유의 성능시험은 고속 디젤엔진에서 윤활유의 교환주기 결정 등 고속 디젤기관 및 윤활유 연구에 필요하다(Kontopoulou, 2011). 따라서 이 연구에서는 MTU엔진을 사용하는 국민안전처 소속 경비함정의 주기관인 고속 디젤엔진에서 윤활유에 해상용 경유가 혼입하는 경우 윤활유의 점도 및 전단응력 변화 등 유변학적 거동을 실험적으로 고찰하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 경비함정에 사용되는 고속 디젤엔진 윤활유에 MGO를 3 ~ 20% 희석(3%, 6%, 10%, 15%, 20%)하여 실온에서 magnetic stirrer로 30분 동안 충분히 혼합하여 윤활유에 대한 점도 및 전단응력 변화 등 유변학적 거동을 연구하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 윤활유는 고속 디젤기관용으로, 선박용윤활유(SAE40, 단급점도유, S-OIL TOTAL LUBRICANTS)를 사용하였으며, 윤활유의 연료희석을 위해 사용된 연료유는 황함유량이 0.05 wt%인 해상용 경유(MGO, Marine Gas Oil, 현대오일뱅크)이다. 윤활유 및 MGO의 기본적인 물리적 특성은 ASTM 규정을 적용하여 분석하였으며, 그 측정값은 Table 1과 같다.
본 연구를 위해 사용된 고속 디젤기관용 윤활유는 SAE 40(단급 점도유)으로, 국민안전처 소속 경비함정에서 사용되는 윤활유이다. 또한, 연료유는 황 함유량이 0.
성능/효과
연료유 희석량에 따른 동점도(Kinematic viscosity)는 윤활유에 점도가 낮은 MGO의 혼입량이 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 100℃에서의 동점도는 MGO가 3% 혼입된 윤활유는 혼합되지 않은 윤활유보다 8.
윤활유에 연료유 혼입량에 따른 점도 및 전단응력 감소에 대해 실험적으로 수행한 본 연구에서는 윤활유에 MGO 희석량을 3%, 6%, 10%, 15%, 20%로 증가하여 측정하였지만, 실제 윤활유 내 MGO 혼입량은 경비함정의 항해조건에 따라 변하게 된다. MGO가 10%까지 혼입된 윤활유의 전단응력 및 절대점도(absolute viscosity)는 MGO가 혼입되지 않은 윤활유에 비해 40% 이내로 감소하였다. 반면, MGO가 15% 이상 혼입된 윤활유는 전단응력(shear stress) 및 절대점도(absolute viscosity)가 50% 이상 감소하였다.
MGO가 10%까지 혼입된 윤활유의 전단응력 및 절대점도(absolute viscosity)는 MGO가 혼입되지 않은 윤활유에 비해 40% 이내로 감소하였다. 반면, MGO가 15% 이상 혼입된 윤활유는 전단응력(shear stress) 및 절대점도(absolute viscosity)가 50% 이상 감소하였다.
후속연구
7%로 현저히 낮아졌다. 이처럼 저온에서 MGO 혼입에 따른 점도감소 및 전단응력의 급격한 감소는 고속의 피스톤 운동부의 유막형성을 어렵게 만들고, 베어링 등의 윤활에 어려움을 야기시켜 따라서, 고속 디젤기관의 온도가 상대적으로 낮은 운항초기 및 겨울철의 윤활유 상태점검에 각별히 주의를 기울여야 할 것으로 사료된다(Kim and Kim, 2005).
윤활유의 교체주기를 주로 결정하는 디젤기관 엔진 가동율 및 전염기가(TBN, Total Base Number) 측정 등과 함께 연료유 혼입율은 윤활유 성능검사의 중요한 항목이다. 고속 디젤기관을 사용하는 경비함정은 다양한 운항조건에서 윤활유에 해상용 경유 유입의 가능성이 높아, 주기적인 윤활유의 성능검사를 통해 윤활유의 상태를 확인하여 윤활유 교체시기를 놓치는 경우가 발생하지 않도록 주의해야 한다.
향후, 윤활유내 연료유 혼입에 의한 고온에서의 soot/carbon residue, 산화도(Oil oxidation) 및 질화도(Oil nitration) 변화 등의 연구를 통해 윤활유의 열화상태 연구가 필요하며, 경비 함정 주기관용 윤활유의 성능향상 및 개선에 관한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 경비함정에 사용되는 주기관은 무엇인가?
따라서, 신속하고 효과적인 해양사고의 대응을 위해 경비함정의 출동에 문제가 없도록 경비함정의 관리에 철저한 점검이 필요하다. 현재 경비함정에 사용되는 주기관은 대부분이 고속 디젤기관인 MTU엔진으로, 연료유가 갖는 화학적 에너지가 피스톤의 상․하 왕복운동으로 실린더내의 부피변화를 일으켜 흡입․압축․폭발․배기 과정을 반복적으로 시행하면서 기계적인 일로 전환시키는 내연기관이다.
고속 디젤기관의 윤활유의 열화로 인한 문제를 해결하기 위해 어떤 방안을 실시하고 있는가?
경비함정의 출동시간이 증가되면서 고속 디젤기관 윤활유의 열화는 증가하게 되며, 이것은 윤활유 내 연료유, 수분 및 첨가제의 산화 등으로 윤활유 수명을 단축시키는 주요 원인이 된다. 엔진 가동율에 따른 엔진제조사의 시험절차 및 방법에 의거하여 윤활유의 교환주기를 결정하고 있으며, 이를 근거하여 경비함정의 주기관 윤활유도 주기적으로 교체를 실시하고 있다(Jung, 2009). 그러나, 해상의 기상상태 변화, 항해시간, 급가속 등 여러 가지 항행 조건에 따라 윤활유 교체주기를 고려하여야 하며, 윤활유의 교체주기 연장을 위한 성능분석 연구가 이루어져야 한다.
연료유 혼입은 어떤 영향을 미치는가?
경비함정의 고속 디젤엔진이 갖는 다양한 운항조건에 따른 연료유 혼입은 엔진내부 운동부 마모의 주요 원인이 되며, 엔진성능 저하와 함께 엔진파손에 이를 수도 있다. 특히, 연료분사노즐의 파손 및 노후화로 인한 부정확한 연료분사는 윤활유로 연료유의 혼입량을 증가시키며 이것은 미연소 연료와 윤활유가 혼합되어 윤활유의 점도가 감소함으로써 피스톤링 및 라이너의 마모를 촉진한다.
참고문헌 (11)
Jeon, K. J., C. G. Lee, S. Y. Yong and M. H. Park(2012), The Oil Degradation Degree Analysis Study Due to the Amount of the Fuel Dilution in the Engine Oil, Transactions of the Korea Society of Automotive Engineers, pp. 286-290.
Jeon, K. J., J. K. Rhee, S. Y. Yong and M. H. Park(2011), Engine Wear Ratio Study through LPG Engine Oil Ageing Monitoring, Transactions of the Korea Society of Automotive Engineers, pp. 625-629.
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Jeon, K. J. and S. K. Kim(2007), A Study on Engine Wear Condition by Element Analysis of Diesel Engine Oil, Transactions of the Korea Society of Automotive Engineers, pp. 307-313.
Jung, Y. S.(2009), A Study on the Management of Lubricating oil for the Naval vessel Diesel Engines, Master's thesis of Korea Maritime University.
Kim, C. K. and H. G. Kim(2008), Experimental Study on the Viscosity Characteristics of Diluted Engine Oils with Diesel Fuel, Journal of the KSTLE, Vol. 24, No 1, pp. 1-6.
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Kontopoulou, M.(2011), Applied Polymer Rheology, Polymeric Fluids with Industrial Applications, A John Wiley & Sons, INC., pp. 3-27.
Lee, S. J., H. G. Choi, S. J. Park, D. I. Kim, K. E. Jeong and I. G. Kim(2012), A Case Study Analysis of Lubricating oil for the Guard Ship Management, Transactions of the Korea Society of Automotive Engineers, p. 363.
SP-IDC(2015), Shipping & Port Integrated Data Center, www.spidc.go.kr.
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