서울과학기술대학교 명예교수 안 효 석
자동차 윤활이 필요한 이유
자동차는 엔진연소실에서 연료와 공기의 혼합가스가 폭발하여 발생한 열에너지가 운동에너지로 전환되어 바퀴까지 전달되는 과정에는 많은 기계 부품을 거치며 이런 부품들이 원활히 움직이려면 마찰을 줄여 출력손실을 줄이고 내구성을 확보해야 하는데 이를 위해 윤활이 매우 중요합니다.
자동차 엔진에서 발생하는 에너지 손실 중 기계적 마찰에 의한 손실은 약 9 %에 달한다고 하는데요. 이는 마찰접촉 부품의 저마찰화를 통해 마찰 손실을 줄이고 부품의 내마모성을 향상시킬 경우, 자동차 성능 및 수명 향상과 연비 절감 등의 목표를 달성하는 데에 기여하는 바가 클 것입니다. 마찰에 의한 손실을 좀 더 살펴보면 피스톤링 계통에서 45~50 %, 엔진베어링에서 20~30 %, 밸브트레인 계통에서 7~15 %에 달하는 손실이 발생하고 있으며, 이 외에도 동력 전달 장치인 변속기에서도 20~25 %에 달하는 마찰 손실이 발생합니다.
윤활유의 역할과 기능
피스톤링에서의 윤활유 역할
피스톤링은 피스톤 바깥 둘레에 있는 홈에 부착되며 피스톤과 실린더 내벽 사이의 기밀을 유지하고 커넥팅로드와 연결된 피스톤의 상하 이동 시 윤활을 통해 실린더 내벽과의 마찰을 줄입니다. 이때 유막의 두께는 유체윤활이 원활할 경우 1~50 μm 정도가 되나 유막의 형성이 완전하지 않은 혼합윤활의 영역일 경우에는 0.01~1 μm 정도의 매우 얇은 유막이 불균질하게 형성됩니다. 피스톤링은 윤활기능 외에 밀봉기능과 흡입행정 시 윤활유를 긁어내리는 기능을 가지며 주로 세 개의 금속계 링으로 구성되어 있습니다.
가장 상단에 있는 압축링과 중간에 위치한 와이퍼링은 실린더 내부의 혼합기와 연소과정에서 발생한 고압의 폭발가스가 및 연소가스가 피스톤과 실린더 내벽 사이의 개구부를 통해 누설되지 않게 실린더 내벽에 피스톤링을 눌러 밀봉하는 역할을 합니다. 가장 아래 위치한 오일링은 두 개의 얇은 레일 형태의 링과 그 사이에 위치한 스페이서로 구성되는데 피스톤이 움직일 때 실린더 내벽에 잔류하는 윤활유를 긁어내어 두 레일 사이에 위치한 배출구멍을 통해 윤활유를 배출하고 윤활유의 소모를 방지하는 역할을 합니다.
한편, 연소실 안의 온도는 고압폭발로 인해 매우 높아져 피스톤크라운의 온도가 300 oC 이상이 되는 고온 상태가 되어 피스톤의 손상을 초래할 수 있는데 피스톤링은 피스톤에 축적된 열을 실린더 내벽으로 방출하는 열전달 기능도 합니다. 만일 피스톤의 움직임에 따른 왕복운동 과정에 피스톤링에 과다한 마모가 발생하면 밀봉 및 윤활 성능이 현저히 저하되어 심각한 연비의 손실과 윤활유의 소모를 초래할 수 있습니다.
엔진베어링에서의 윤활유 역할
엔진베어링(Big-end bearing)은 커넥팅로드의 대단부에 조립되어 크랭크축의 저널부와 마찰접촉을 하며 엔진구동부의 동력을 크랭크축으로 전달하는 핵심부품이므로 엔진의 흡입-압축-폭발-배기 과정에서 발생하는 변동하중을 잘 담당하여 마찰손실을 최대한 줄이고 마찰력에 의한 온도상승을 억제하는 윤활작용을 효과적으로 수행해야 합니다. 보통 분할형 평 베어링(plain bearing)을 사용하며 완전유체윤활 영역에서 작동하여 유막두께는 5~50 μm에 달합니다.
밸브트레인에서의 윤활유 역할
밸브트레인 시스템은 연소실 흡기 및 배기 밸브의 작동을 제어하는 기계 시스템인데 캠과 종동자(follower)가 서로 접촉해서 상대운동을 하며 주로 탄성유체윤활이 이루어지는 부품입니다. 탄성유체윤활은 아주 작은 접촉면에 높은 하중이 집중되어 유막의 두께는 0.1~10 μm 범위로 얇고 소재 표면에 탄성변형이 발생하는데 그 깊이가 유막의 두께보다 크게 됩니다. 이때 윤활유의 점도가 접촉압력에 좌우되므로 안정화된 저점도 윤활유의 적용이 요구됩니다.
변속기에서의 윤활유 역할
엔진구동부 외에 윤활이 매우 중요한 기계장치가 동력전달 장치의 하나인 변속기입니다. 변속기의 기어장치는 높은 속도와 높은 부하 조건에서 작동하며 하중이 극소부위에 집중되어 탄성유체윤활이 적용되는 부품입니다. 변속기용 윤활유는 마모와 피로로부터 기어 치형을 보호해야 하는데요. 수동변속기에서는 윤활작용만을 하지만 자동변속기에서는 윤활기능과 아울러 유압작동유의 역할도 담당하므로 오일의 선택이 까다롭습니다.
적절한 윤활유 선택과 윤활유의 작용
마찰손실을 줄이기 위한 가장 직접적인 방안은 적절한 윤활유의 선택입니다. 윤활유는 크게 여섯 가지의 작용을 하는데요. 기계 부품들의 마찰접촉이 발생하는 부분에서 윤활막을 형성하여 부품 간의 직접적 접촉을 방지해 마찰을 줄이는 마찰저감작용, 부품의 접촉부에 가해지는 하중이 극소 부위에 집중되지 않고 유막을 통해 분산되게 하는 하중분산작용, 기계의 지속적인 작동 시 필연적으로 발생하는 과도한 마찰열을 흡수하고 외부로 방출하여 과열을 방지하는 냉각작용, 수분, 연료나 윤활유의 황 성분과 열에 의한 산화 등을 유막을 이용해 방지하는 방청작용, 부품 사이의 미세한 틈(간극)을 유막으로 막아 누설이 발생하는 것을 봉쇄하는 밀봉작용, 그리고 외부에서 윤활계통에 유입하는 이물질이나 운전 중에 생성되는 슬러지, 수트 등의 부식물을 걸러주는 세정작용이 있습니다.
엔진오일은 기유에 첨가제를 추가하여 제조됩니다. 기유와 첨가제 비율은 제조사에 따라 다르고 첨가제의 조성에 따라 다르지만 8:2~9:1 범위에 있습니다. 기유는 원유에서 정제된 광유와 합성유로 나뉘는데요. 합성유는 광유의 단점을 보완해 화학적, 열적 안정성을 강화하여 최적의 윤활성을 갖도록 화학적 합성을 통해 얻으며 에스테르계, 탄화수소계(대표적 예로 폴리알파올레핀), 에테르계, 불소계와 실리콘계로 구분됩니다. 기유에 첨가되는 첨가제에는 산화방지제, 마찰저감제, 점도지수향상제, 청정분산제, 유성향상제, 방청제, 극압첨가제, 소포제, 유동점강화제 등 종류가 많습니다. 자동차엔진에서 사용되는 윤활유는 다양한 운전 조건에서 윤활효과를 극대화하기 위해 점도지수 향상제, 유동점 강하제, 내마모 첨가제, 산화 방지제, 청정분산제 등의 다양한 첨가제를 사용하게 됩니다.
