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자동차 윤활유의 성상 및 열화가 환경성에 미치는 영향 연구
The Research for effect of lubricant oil aging on environmental performance 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.1, 2017년, pp.12 - 24  

김정환 (한국석유관리원 석유기술연구소) ,  김기호 (한국석유관리원 석유기술연구소) ,  하종한 (한국석유관리원 석유기술연구소) ,  진동영 (고려대학교) ,  명차리 (고려대학교) ,  장진영 (한국에너지기술연구원)

초록
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현재 국내 엔진오일-윤활유가 배출가스에 미치는 영향에 대한 연구가 미비한 실정이며 그 실험 방법 또한 확립되어 있지 않다. 이에 엔진을 이용한 윤활유 성상 변화가 PM(Particulate Matters) 배출에 미치는 영향 평가방법을 수립하여 윤활유의 성상 및 열화가 자동차 성능과 환경성에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 윤활유 소모 및 연소로 인한 DPF(Diesel Particulate Filter) 및 후처리 장치에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요하며, 특히 DPF의 재생과정에서 생성되는 PM(Particulate Matters)과 Ash가 DPF에 미치는 장기적인 영향과 내부 변형 및 내구성에 대한 평가와 연구가 필요하다. 본 연구에서는 정형화 되지 않은 시험모드를 개발하였으며, 내구시험결과 High SAPs의 경우 Low SAPs(Sulfated Ash, Phosphorus and Sulfuate)보다 DPF내 Ash의 축적량이 많은 것을 확인하였으며, EGR(Exhaust Gas Recycling)의 Fouling 현상 가속화에 영향을 미칠 것으로 확인하였다. 본 연구결과물을 토대로 윤활유의 기유, 첨가제, 열화 등에 따른 엔진 및 차량의 성능과 배출가스 특성을 기술정책 자료로서 활용하도록 방향을 도모하고 시험 방법을 확립하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The main purpose of this research is for the investigation on the impact of engine oil aging on PM and DPF. It is widely known that lubricant specifications and consumption from an ICE have significantly influenced on the regulated and unregulated harmful emissions as the engine operating conditions...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • Low SAPs 와 High SAPs 윤활유를 사용하여 100시간 엔진 내구를 완료하였으며, 10시간 마다 배출가스를 측정하였다. 100시간 완료 후 DPF에 대한 X-CT분석, 활성도 평가를 실시하였고, 사용유에 대한 윤활유 분석을 실시하였다.
  • 마지막 6모드에서는 고부하 조건을 통해 이전 모드에서 생성된 PM들의 자연재생이 발생하도록 진행하는 모드를 선정하였다. 1500-3000rpm까지 다양한 속도를 적절히 배분하였으며, 각 모드에서 낮은 부하조건을 부여하여 PM의 생성이 많은 영역을 선정하였다. 전체 운영 시간을 1800초, 각 모드의 변화시간을 15초로 하여 평가하였으며, 각 모드에서 일정시간 경과 후 발생하는 PN과 배출가스 온도, EGR률, 배출가스를 측정하여 장시간 내구 시험 시 DPF에 PM의 침착 가능성을 평가 하였다.
  • Low SAPS에 대한 평가를 우선 진행하였으며, 엔진오일 교체 후 신유에 대한 엔진오일 분석이 끝남과 동시에 내구시험 을 수행하였고, 엔진동력계 상에서 선정된 시험모드를 200회 반복하여 100시간 내구시험을 완료하였다. 1회 모드 시험당 30분 운영으로 총 200회 반복하였으며, 10시간마다 배출가스 및 배기압력 등 엔진데이터를 확보하여 열화에 따른 변화를 살펴보았다. 또한, 100시간 내구시험 후 내구 후 윤활유에 대한 물성변화 분석 및 DPF의 X-CT촬영을 수행하였다.
  • 가. DPF의 Soot Loading 모드가 정형화 되어 있지 않음에 따라 시험 조건에 필요한 내구시험 모드가 필요함에 따라, 시험엔진에 대해 각 rpm 및 부하영역에 대한 시험을 통해 시험모드를 개발하였다.
  • DPF의 Soot Loading 모드가 정형화 되어 있지 않음에 따라 시험 조건에 필요한 내구시험 모드가 필요함으로써, 시험엔진에 대해 각 rpm 및 부하영역에 대한 시험을 통해 시험모드를 설정하였다. 장시간 내구 시험 중 엔진오일이 실린더 내에서 연소되어 후처리장치에 영향을 미칠 수 있는 영역을 우선으로 선정하여 Table 4와 같이 수행하였다.
  • 과 같이 진행되었다. Low SAPS에 대한 평가를 우선 진행하였으며, 엔진오일 교체 후 신유에 대한 엔진오일 분석이 끝남과 동시에 내구시험 을 수행하였고, 엔진동력계 상에서 선정된 시험모드를 200회 반복하여 100시간 내구시험을 완료하였다. 1회 모드 시험당 30분 운영으로 총 200회 반복하였으며, 10시간마다 배출가스 및 배기압력 등 엔진데이터를 확보하여 열화에 따른 변화를 살펴보았다.
  • Low SAPs 와 High SAPs 윤활유를 사용하여 100시간 엔진 내구를 완료하였으며, 10시간 마다 배출가스를 측정하였다. 100시간 완료 후 DPF에 대한 X-CT분석, 활성도 평가를 실시하였고, 사용유에 대한 윤활유 분석을 실시하였다.
  • 기존 윤활유의 영향을 최소화하기 위하여 Low SAPS에 대한 100시간 내구시험을 우선 진행 하였으며, 차량에서의 교체방법과 동일하게 시험 전 엔진오일, 오일필터, 에어필터를 신품으로 교체한 후 엔진동력계 상에서 30분간 저부하 영역에서 운영을 실시하였으며, Low SAPS와 High SAPS 변경 시에도 동일한 작업을 5회 반복하여 윤활유 변화에 따른 영향성을 최소화 하였다.
  • 신유 및 열화유의 물성 변화 분석을 위한 엔진 내부의 금속 마모분을 분석하기 위해 구리, 납, 철 성분을 분석하였으며, 엔진오일 첨가제 성분의 변화를 측정하기 위해 첨가제의 주요 구성 성분인 칼슘, 마그네슘, 바륨, 인 및 아연 등을 분석하였다. 또한 외부 이물질의 혼입 여부를 측정하기 위해 연료 희석분, 수분 및 실리콘을 측정하였으며, 마지막으로 엔진오일의 물성 변화를 측정하기 위해 점도, 금속분, 전염기가 및 전산가를 측정하였다.
  • 1회 모드 시험당 30분 운영으로 총 200회 반복하였으며, 10시간마다 배출가스 및 배기압력 등 엔진데이터를 확보하여 열화에 따른 변화를 살펴보았다. 또한, 100시간 내구시험 후 내구 후 윤활유에 대한 물성변화 분석 및 DPF의 X-CT촬영을 수행하였다.
  • 또한, 후처리장치에 침착되는 Ash 평가에는 X-CT를 이용하여 내부의 침착량을 확인하였으며, 후처리장치 전·후단의 압력차를 이용하여 내구시험 중 영향도를 평가하였다.
  • 엔진속도의 변화가 크고 저부하 조건이 많은 모드를 구현하였다. 마지막 6모드에서는 고부하 조건을 통해 이전 모드에서 생성된 PM들의 자연재생이 발생하도록 진행하는 모드를 선정하였다. 1500-3000rpm까지 다양한 속도를 적절히 배분하였으며, 각 모드에서 낮은 부하조건을 부여하여 PM의 생성이 많은 영역을 선정하였다.
  • 차량 및 엔진에서의 내구시험 후 물성 변화를 분석하기 위하여 구리, 납, 철 성분을 분석하여 엔진 내부의 금속 마모분을 분석하였으며, 엔진오일 첨가제성분의 변화측정을 위하여 첨가제의 주요 구성 성분인 칼슘, 마그네슘, 바륨, 인 및 아연 등을 분석하였다. 마지막으로 엔진오일의 물성치 변화를 측정하기 위해 점도, 인화점, 전염기가 및 전산가를 측정하였다.
  • 이러한 데이터를 수학적 방법을 통해 재구축(Reconstruction) 과정을 거치고 3차원의 CT 이미지를 얻을 수 있다. 본 실험은 테크밸리사의 SMART CT-DUAL SOURCE CT 장비를 통해 분석하였으며, 자세한 제품 사양은 Table 6과 같이 나타내었다.
  • 본 연구에서는 Low SAPS와 High SAPS에 대한 후처리장치 영향도 평가를 위하여 1.6 VGT엔진(현대 U-2)을 이용하여 100시간 내구시험을 수행하였다. 또한, 후처리장치에 침착되는 Ash 평가에는 X-CT를 이용하여 내부의 침착량을 확인하였으며, 후처리장치 전·후단의 압력차를 이용하여 내구시험 중 영향도를 평가하였다.
  • 엔진 시험용 윤활유에 대한 내구시험 전·후 물성 결과를 Table 10에 나타내었다. 시험에 사용된 High SAPS와 Low SAPS에 대해 각각 100시간 내구 전후를 비교하였다.
  • 신유 및 열화유의 물성 변화 분석을 위한 엔진 내부의 금속 마모분을 분석하기 위해 구리, 납, 철 성분을 분석하였으며, 엔진오일 첨가제 성분의 변화를 측정하기 위해 첨가제의 주요 구성 성분인 칼슘, 마그네슘, 바륨, 인 및 아연 등을 분석하였다. 또한 외부 이물질의 혼입 여부를 측정하기 위해 연료 희석분, 수분 및 실리콘을 측정하였으며, 마지막으로 엔진오일의 물성 변화를 측정하기 위해 점도, 금속분, 전염기가 및 전산가를 측정하였다.
  • 신유 및 열화유의 전산가 및 전염기가는 Automatic Potentiometric Titrimeter(Model : 808-815 Titroprocessor, 제작사 : Metrohm Swiss)로 분석하였다.
  • 배출가스 분석 결과에서도 EGR률이 높은 모드가 구현됨에 따라 Table 8과 같이 NOx의 배출량이 낮은 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 엔진데이터에서 확인하였듯이 전체적인 구간에서 EGR률이 높아짐에 따라 배출가스 중 NOx의 저감이 이루어진 것으로 판단되며, 한번 연소된 배출가스가 연소실내로 다량 유입됨에 따라 연소온도를 낮춰 NOx의 저감을 가져오는 반면 낮은 연소온도로 인한 PM생성이 상대적으로 늘어날 것으로 판단됨에 따라 본 연구과제에 필요한 조건이라 판단되어 DPF PM Accumulation Mode를 내구시험 모드로 선정하여 100시간 내구시험에 사용하였다.
  • 엔진시험용 윤활유는 제작사에서 권장하는 현대 모비스의 순정용 윤활유를 사용하였으며, Table 1는 ACEA-C3등급의 Low SAPS 윤활유에 대한 물성을 나타낸 것이다. 엔진오일 교체 전 신유에 대한 분석을 실시하였다.
  • DPF의 Soot Loading 모드가 정형화 되어 있지 않음에 따라 시험 조건에 필요한 내구시험 모드가 필요함으로써, 시험엔진에 대해 각 rpm 및 부하영역에 대한 시험을 통해 시험모드를 설정하였다. 장시간 내구 시험 중 엔진오일이 실린더 내에서 연소되어 후처리장치에 영향을 미칠 수 있는 영역을 우선으로 선정하고자 하였으며, EGR률이 높아 상대적으로 PM이 높게 나올 수 있는 구간을 선정 하였다. 따라서, 시험모드는 PN 배출량이 많은 구간과 EGR률이 높아 NOx의 배출이 낮은 구간을 적절히 선정하였다.
  • 1500-3000rpm까지 다양한 속도를 적절히 배분하였으며, 각 모드에서 낮은 부하조건을 부여하여 PM의 생성이 많은 영역을 선정하였다. 전체 운영 시간을 1800초, 각 모드의 변화시간을 15초로 하여 평가하였으며, 각 모드에서 일정시간 경과 후 발생하는 PN과 배출가스 온도, EGR률, 배출가스를 측정하여 장시간 내구 시험 시 DPF에 PM의 침착 가능성을 평가 하였다.
  • 차량 및 엔진에서의 내구시험 후 물성 변화를 분석하기 위하여 구리, 납, 철 성분을 분석하여 엔진 내부의 금속 마모분을 분석하였으며, 엔진오일 첨가제성분의 변화측정을 위하여 첨가제의 주요 구성 성분인 칼슘, 마그네슘, 바륨, 인 및 아연 등을 분석하였다. 마지막으로 엔진오일의 물성치 변화를 측정하기 위해 점도, 인화점, 전염기가 및 전산가를 측정하였다.

대상 데이터

  • 신유 및 열화유의 점도는 Cannon Auto. Viscosimeter(모델명 : CAV2100, 제작사 Cannon USA)를 사용하였다. 40℃ 및 100℃에서의 동점도를 측정했으며, 점도지수(Viscosity Index)는 40℃ 및 100℃ 동점도로부터 ASTMD2270 Standard에 따라 계산에 의해 산출하였다.
  • 엔진동력계는 엔진의 크랭크축을 동력계와 연결하여 제동력을 걸어 축에서의 출력을 측정하는 장비로써 출력 및 토크, 회전속도 등 엔진 성능을 평가하는 장비로 엔진동력계 시스템은 엔진동력계, 연료유량계, 공기유량계, 냉각수 온도 제어기로 구성되어 있다. 본 연구에 사용된 엔진동력계는 AC동력계(AVL)로 220kW 이하의 엔진을 시험할 수 있는 장비이며, 8,000rpm, 934Nm 이하의 토크를 측정할 수 있다. Fig.
  • 시료가 360° 회전하는 동안 연속적으로 X-ray 투사 이미지를 수학적으로 조합하여 3차원 이미지를 획득하는 방법을 컴퓨터 단층촬영(CT : Computerized tomography)이라고 한다. 사용되는 X-선의 beam source 모양에 따라 Fan beam과 Corn Beam으로 나뉘며 강한 X-ray가 회전 Table에 놓여 있는 시료를 투과하면서, 시료 내부의 구조 및 재질에 따라 투과율에 차이를 통해 데이터를 획득하게 된다. 이러한 데이터를 수학적 방법을 통해 재구축(Reconstruction) 과정을 거치고 3차원의 CT 이미지를 얻을 수 있다.
  • 시험에 사용된 엔진은 1.6L급의 CRDi(Common Rail Direct Injection) 엔진으로 Euro-Ⅴ사양의 현대 U-2엔진을 사용하였으며, 후처리장치로 DOC-DPF를 사용하였다. 시험에 사용된 엔진은 소형 디젤 차량인 i30차량에 탑재된 엔진이며, 시험에 사용된 엔진의 상세 제원은 Table 2와 같다.
  • 6L급의 CRDi(Common Rail Direct Injection) 엔진으로 Euro-Ⅴ사양의 현대 U-2엔진을 사용하였으며, 후처리장치로 DOC-DPF를 사용하였다. 시험에 사용된 엔진은 소형 디젤 차량인 i30차량에 탑재된 엔진이며, 시험에 사용된 엔진의 상세 제원은 Table 2와 같다.
  • 2.1 시험용 엔진오일

    엔진시험용 윤활유는 제작사에서 권장하는 현대 모비스의 순정용 윤활유를 사용하였으며, Table 1는 ACEA-C3등급의 Low SAPS 윤활유에 대한 물성을 나타낸 것이다. 엔진오일 교체 전 신유에 대한 분석을 실시하였다.

이론/모형

  • Viscosimeter(모델명 : CAV2100, 제작사 Cannon USA)를 사용하였다. 40℃ 및 100℃에서의 동점도를 측정했으며, 점도지수(Viscosity Index)는 40℃ 및 100℃ 동점도로부터 ASTMD2270 Standard에 따라 계산에 의해 산출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
엔진오일 첨가제의 성분의 변화를 측정하기 위해 분석하여야 할 것은 무엇인가? 신유 및 열화유의 물성 변화 분석을 위한 엔진 내부의 금속 마모분을 분석하기 위해 구리, 납, 철 성분을 분석하였으며, 엔진오일 첨가제 성분의 변화를 측정하기 위해 첨가제의 주요 구성 성분인 칼슘, 마그네슘, 바륨, 인 및 아연 등을 분석하였다. 또한 외부 이물질의 혼입 여부를 측정하기 위해 연료 희석분, 수분 및 실리콘을 측정하였으며, 마지막으로 엔진오일의 물성 변화를 측정하기 위해 점도, 금속분, 전염기가 및 전산가를 측정하였다.
후처리장치에 지속적으로 침착되어 DOC의 활성도를 저하시키며 엔진성능에 영향을 주는 금속물질은 무엇인가? 8%이하로 하는 후처리장치 전용의 윤활유로 교체할 것을 권고하고 있다. 이러한 황산회분의 분석은 엔진오일과 황산을 섞어 불에 태움으로써 남은 재의 양을 측정하게 되는데, 이때 황산회분의 양은 보통 청정분산제의 성분으로 칼슘, 마그네슘, 바륨, 아연 등으로 구성되어 있다. 이러한 금속물질이 후처리장치에 지속적으로 침착되게 되면 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)의 활성도를 저하시키며, DPF 내에 침착되는 Ash가 지속적으로 쌓이게 되어 배기압을 상승시킴으로써 엔진성능에 영향을 주게 된다.
윤활유의 환경성 평가가 필요한 이유는 무엇인가? 자동차에 사용되는 엔진오일은 실린더 내 윤활작용을 하기 때문에 엔진의 원활한 운영을 위해 반드시 필요한 요소지만, 연소실내에서 소량 연소되어 짐에 따라 엔진오일의 감소는 불가결한 요인 중 하나이다. 윤활유는 윤활기유와 첨가제들로 이루어져 장시간 사용 시 윤활유에 사용된 첨가제의 양이 변화하면서 자동차에 필요한 점도지수 향상제, 청정분산제, 마모방지제 등이 지속적으로 소모됨에 따라 이에 따른 연비 및 배출가스 등의 환경성 평가가 필요하다.
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참고문헌 (11)

  1. A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler, E. Muller Gubler, E. Schreiber, M. Agguirre, "Investigation of diesel ash particulate matter: A scanning electron microscope and transmission electron microscope study", Atmospheric Environment, Vol. 49, 391-402, (2012). 

  2. H. G., "Final report of the study of nanoparticle measurement", BMWi/AiF, (2010). 

  3. Lihui Dong, Gequn shu, Xingyu Liang "Effect of Lubricating oil on the particle size distribution and total number concentration", Fuel Processing Technology, Vol. 109, 158-159, (2013). 

  4. A. Laitinen, K. Vaaraslahti, J. Keskinen, "Preformed spray scrubber: Comparison of precipitation mechanisms for charged fine particles", Journal of Aerosol Science, Vol. 31, (2000). 

  5. "Comparative study of regulated and unregulated toxic emissions characteristics from a spark ignition direct injection light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase LPG", NIER/Korea univeristy, (2012). 

  6. "Impact of Lube Oil on Advanced Light-Duty CIDI Engine Emissions", SwRI, (2000). 

  7. "Internal Combustion Engine (ICE) Air Toxic Emissions", CARB (2004). 

  8. "DPF Degradation using Chemical Tracers and Opportunities for Extending Filter Life", MIT, (2010). 

  9. "COLLABORATIVE LUBRICATING OIL STUDY ON EMISSIONS (CLOSE)", SwRI, (2011). 

  10. "Influences of Lubricating oil on aftertreatment devices", JCAP Engine Oil W. G., (2005). 

  11. "Influences of Lubricating Oil Consumption on PM Emission in Gasoline Engine", Toyota Motor Co., (2009). 

저자의 다른 논문 :

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