Experimental Study of Tribological Properties According to Oil Grade

오일 등급에 따른 트라이볼로지 특성의 관한 실험적 고찰

Abstract

Among the engine components of an internal combustion engine, the valve train is a series of systems that supply intake gas to the combustion chamber and operate intake and exhaust valves that discharge exhaust gas. If excessive wear occurs in the valve train system, the suction and exhaust valves do not open and close on time, which leads to abnormal combustion and exhaust gas. In this study, we conduct experiments and analyses on friction and wear characteristics of the valve train system. Moreover, we experimentally study the correlation between the pinball and pinball cap on engine oil lubrication, friction experiment, wear amount analysis, and surface analysis. Specifically, we experiment using Ball on reciprocating tribo-tester and apply commercial engine oil sold on the market engine oil. We construct the experimental conditions for each new oil and oil. Accordingly, the completed specimen was subjected to a confocal microscope to check the wear volume, observe the surface of the specimen, and confirm the elemental components using a scanning microscope (SEM) and an energy dispersion X-ray spectrometer (EDS). Through this experiment, we analyze the friction and wear characteristics of valve train components according to engine oil grade, and the obtained data serve as an effective engine oil management method.

1. 서론

마찰과 마모는 접촉과 상대 운동이 일어나는 시스템에서 에너지 손실과 부품 수명에 영향을 주는 중요한 요소이다[1,2]. 내연기관의 엔진 구성 부품 중 밸브 트레인은 연소실 내 흡기, 배기 가스를 원활하게 들어오고 나가게 해주는 타이밍 계 부품이며, 밸브 트레인 부품이 과도한 마찰과 마모가 일어난다면, 흡기 및 배기 밸브의 작동이 제때에 이루어 지지 않아서, 결국은 불완전 연소를 일으키게 되고, 대기 환경에 악영향을 주는 배기가스를 배출하게 된다[3].

밸브 트레인 계는 엔진 오일로 윤활을 하고 있으며, 윤활 상태와 마찰계수와의 관계를 나타내는 스트라이벡 커브에서 경계 및 혼합 윤활조건에서 운동이 이루어지고 있다[4]. 이 시스템 중에 로커암 핀 볼은 흡, 배기 밸브를 여닫는 구성품 중에서 밸브와 로커암을 연결해주는 중간 구성품이다.

엔진 오일은 상용 오일 중에서도 열화가 빠르고 열화 정도가 큰 오일로써, 이는 엔진의 높은 작동 온도, 내연 기관의 연소 과정, 습동 부품의 마모 입자 때문인 것으로 알려져 있다[5]. 이러한 엔진 오일은 핀 볼과 핀 볼 캡 마모에 직접적인 영향을 주는 요소이며, 오일 등급, 오일 열화 수준에 의해 마찰과 마모 형태가 다양한 형태로 확인이 되고, 오랫동안 연구가 이어져 왔다[6,7].

본 연구에서는 국내에서 시판되는 엔진 오일 중 최근에 사용이 확대된 CK4 등급의 엔진 오일을 가지고, 트라이볼로지 특성의 관한 실험을 진행하고자 하였다. 시편은 로커암 핀 볼과 유사한 형상인 볼과 플레이트로 준비하였고, 오일 등급의 따른 마찰, 마모 특성을 확인하기 위해 CJ4, CK4 2가지의 엔진 오일을 준비하였다. CK4 엔진오일은 CJ4 보다 산화 안정성, 오일 내 기포 배출성, 전단 안정성 측면에서 우수하다고 알려져 있다[8].

해당 시편들을 왕복동 마찰 시험기를 가지고 마찰 특성 확인 및 마모 시험을 진행하였고, 시험이 완료된 시편의 표면을 분석하여, 마모 체적, 마모 체적 차이의 원인을 밝혀보고자 하였다.

이번 연구를 통해서, 엔진 오일 등급의 따른 경계 및 혼합 윤활계 부품의 마찰 및 마모 특성을 확인하는 유의미한 연구가 될 것으로 판단된다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 시편 및 윤활유 준비

마찰 시험의 대상이 되는 시편은 로커암의 핀 볼과 핀 볼 캡의 재질과 동일한 시편으로 준비를 하였다. 이는 실제 엔진 부품과 동일한 재질과 경도 특성을 가지고 있어야, 실제 시험에서도 유사한 마찰 형태의 결과가 나타날 것으로 판단이 되기 때문이다.

Table 1은 시편 재질과 표면처리, 실제 경도 측정한 것을 나타낸 것이다.

Table 1. Test specimens

Table 2. Test oil

마찰 시험에 사용하는 엔진 오일은 시중에 판매되는 엔진 오일 중 상용 디젤 엔진 오일 중에서 CJ4 10W40, CK4 10W40 등급의 엔진 오일을 준비하였다. 부품의 마찰력에 직접적인 영향을 미치는 인자 중 오일 점도가 있으며, ‘10W’은 저온 점도, ‘40’은 고온 점도를 나타낸다. 따라서 본 실험에서는 고온에서 점도 등급을 맞추고 실험을 진행해야 오일 등급과 사용유의 열화에 따른 비교군이 정확하기에, 오일 고온에서 점도를 40 계열로 동일한 등급으로 사용하였다.

본 시험에서는 신유 이외에도 사용유의 열화 조건에 대한 시험도 진행하였다. 사용유 오일은 엔진 운전시간이 동일하게 진행되어야, CJ4, CK4 등급의 열화 된 조건이 같다고 볼 수 있다. 따라서 신유는 엔진에서 운전시간이 0시간인 오일이고, 사용유는 운전시간이 100 시간인 엔진 오일로 준비를 하였다. 동일한 엔진에서 동일 출력과 회전수로 각각 100 시간씩 운전 된 엔진오일이기 때문에, CJ4 와 CK4 엔진오일의 순수 오일 등급 차이에 의해서만 오일 열화가 진행되었다고 볼 수 있다.

2-2. 시험 방법 및 조건

이번 시험에서는 왕복동 마찰 시험기를 이용하여 시험을 진행하였다. 왕복동 마찰 시험기는 reciprocating type으로 시편이 좌우로 직선방향 운동을 하며 마찰 시험을 하게 된다.

시편은 2.1에서 설명한 바와 같이 밸브트레인의 핀 볼, 핀 볼 캡과 동일한 재질과 표면처리 제품으로 준비하였고, 시험에 사용되는 엔진 오일은 시중에 판매되는 상용 디젤 엔진 오일로, 경계 및 혼합 윤활 조건에서 진행해야 하기에 일정한 오일 양을 떨어뜨려서 윤활 조건을 만들었다. 마모 가속화 시험을 만들기 위해 직경이 6.35 mm로 핀 볼보다 작은 시편을 적용하여 접촉압력을 높게 만들었다. 접촉 압력을 계산할 때 널리 적용되는 Hertzian stress model을 적용하여 접촉압력을 계산하였고, 밸브 트레인의 핀 볼은 420 MPa, 시험에 사용된 시편인 볼은 핀 볼보다 반경이 작아서 2400 MPa로 확인하였고, 이는 약 6배의 가혹한 조건에서 실험을 진행할 수 있는 가속화 마모 시험 방법이다.

또한 주변환경 온도와 습도는 25±3o C, RH 30~35% 수준으로 유지하였다.

Table 3. Experimental conditions

Fig. 1. Reciprocating type tribo-meter.

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰 시험 결과

신유와 사용유를 오일 등급 별, 오일 온도 별로 왕복동 마찰 시험을 진행하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 2에는 신유 25^oC, 사용유 25^oC, 신유 100^oC로 시험한 마찰 계수를 나타낸 것이다. (a)는 신유 25^oC로 시험한 결과로 CJ4, CK4 등급 모두 동등한 수준의 마찰 계수 수준임을 확인하였고, 약 1000cycle 이후부터는 약간 상승 경향의 마찰계수 값을 보였다. (b)는 사용유 25^oC도로 시험한 결과인데, 500cycle 이전을 제외하고는 동등한 수준의 마찰계수 범위를 확인하였고, 약 1000cycle이후부터 신유 25^oC와는 달리 일정한 마찰계수를 유지하였다. (c)는 신유 100^oC로 시험한 결과로 신유 25^oC, 사용유 25^oC 보다 높은 마찰계수를 유지하였고, CK4 등급이 CJ4 등급대비 다소 높은 것으로 확인되었다. 앞서 (a), (b) 보다 마찰계수가 높게 나타나는 것은 신유 100^oC가 신유 25^oC, 사용유 25^oC 보다 오일 점도가 낮기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 2. Friction coefficient obtained using the tribo meter with (a) New oil 25^oC (b) Used oil 25^oC (c) New oil 100^oC.

이는 오일 온도가 높을수록 점도는 낮아지게 되며, 이는 스트라이벡 커브에서 경계 윤활 영역에 가까워지면서 시편이 마찰 운동을 하기 때문에 마찰계수는 높아진다[9].

실제 엔진 오일 온도에 따른 점도는 Table 4와 같이 확인할 수 있었다. 윤활유 분석 시험표준에 따라서 오일 점도 40^oC, 100^oC 조건에서 점도를 분석한 결과 100^oC 조건에 점도가 40^oC 보다 낮은 것으로 확인하였고, 이는 마찰 계수가 더 높아진다는 근거로 볼 수 있다. 오일 점도 분석 기준상 40^oC에서 점도가 측정되었지만, 25^oC에서는 오일 점도가 더 높은 것을 알 수 있다[10,11].

Table 4. Oil viscosity according to oil temperature

Fig. 3. Mean Friction coefficient according to oil grade & degree.

각 조건당 시험된 전체 사이클 동안 마찰 계수의 총 평균과 편차에 대한 그래프는 아래 그림에서 확인할 수 있다. 신유 25^oC, 사용유 25^oC의 총 마찰 계수 평균은 오차 범위 내 동등한 수준으로 볼 수 있고, 신유 100^oC 조건은 앞서 Fig. 2(c)에서 CJ4 10W40의 1500 ~ 2000cycle에서 오차가 크게 확인이 되어있긴 하지만 3가지 유형의 실험군에서 마찰계수 평균이 가장 높은 수준으로 판단될 수 있다.

3-2. 마모 체적 측정 결과

왕복 운동을 하면서 볼은 상시 플레이트와 접촉한 상태이기 때문에 볼의 마모가 뚜렷하게 확인되었다. 따라서 볼의 마모 체적 결과를 가지고 측정결과를 다음과 같이 분석하였다.

Fig. 4. Wear volume of ball after tribo-testing.

마모 체적의 크기는 신유 25^oC → 사용유 25^oC → 신유 100^oC로 신유 25^oC에서 시험한 것이 가장 큰 것으로 확인 되었다. 오일 등급 별 마모 체적으로는 CJ4 등급이 CK4 등급대비 더 큰 것으로 확인되었다.

특징적인 시험 결과로, 사용유 25^oC가 신유 25^oC보다 마모 체적이 작은 것, 100^oC 조건이 마찰 계수가 가장 높지만 마모 체적이 가장 작은 것, CK4 등급이 CJ4 등급보다 마모 체적이 작은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 마모 체적의 차이는 시편사이의 윤활제로 쓰인 엔진 오일과 상관 관계가 있을 것으로 판단하였기 때문에, 주사 현미경(이하 SEM)과 에너지 분산 X선 분광 분석기(이하 EDS) 측정을 통해서 표면 분석을 진행하였다.

Fig. 5. Ball wear scar measured by Confocal.

3-3. 표면 측정 결과

공초점 현미경으로 볼의 마모 형상을 관찰 시, 모두 반구(Half sphere)형태임을 확인하였다.

전체적인 마모 표면 관찰 결과를 Fig. 6에 나타냈다. SEM은 200배율로 관찰하였고 마모 표면 상에서 음영적으로 차이가 있는 곳을 여러 개소 관찰하였고 이중 유의미한 원소 성분이 나온 것에 대해서 Table 5에 작성하였다.

Fig. 6. SEM analysis with (a) CJ4 10W40 New oil 25^oC (b) CK4 10W40 New oil 25^oC (c) CJ4 10W40 Used oil 25^oC (d) CK4 10W40 Used oil 25^oC (e) CJ4 10W40 New oil 100^oC (f) CK4 10W40 New oil 100^oC

Table 5. EDS analysis of ball surface

SEM 이미지에서는 Fig. 6에 점선으로 표시된 부분이 마모 표면이다. Table 5는 우선 시편으로 사용된 볼은 SUJ2 베어링 강을 사용하였기에, 마모가 일어나지 않은 표면은 Fe 100%로 확인하였다(No.1). 그리고 CJ4 10W40, CK4 10W40 신유 25^oC로 시험한 것은 Fe, O가 주로 확인되었다(No. 2~5).

CJ4 10W40, CK4 10W40의 사용유 25^oC로 시험한 것은 Fe, O 이외에 오일 첨가제인 Zn이 확인되었다(No.6~9).

가장 마모 체적이 작은 수준으로 확인된 CJ4 10W40, CK4 10W40 신유 100o C로 시험한 것은 Fe, O 이외에 오일 첨가제 P, Zn 성분이 여러 개소를 관찰할 때마다 대부분 확인되었다. 따라서 EDS 분석 결과로 볼 때 마모 체적의 영향을 주는 인자로 엔진 오일의 첨가제 성분들이 있다고 판단할 수 있었고, 이러한 성분들의 역할과 생성 원리에 대해서 3.4에서 서술하였다.

3-4. 마모 영향 분석

3.1~3.3까지의 데이터를 가지고 다음과 같이 마모영향을 분석할 수 있다.

신유 25^oC 보다 사용유 25^oC, 신유 100^oC의 마모체적 이 낮은 이유는 엔진오일 내 마모방지 필름이(Tribo-film) 접촉 면적에 작용한 것으로 판단된다.

엔진 오일 내 첨가제 중P, Zn 성분은 엔진 오일 내에서 혼합물 형태로 되어있으며 마찰열 반응을 통해 열분해 되고 비정질 물질 상태로 떠있다가, 금속 시편의 양 이온과 결합하여 마모방지 필름이 형성된다.

마모체적이 가장 큰 신유 25^oC에서는 마찰 열 반응으로 마모 방지필름이 형성되기 전이고, 신유 100o C에서는 고온에서 활발한 열 반응으로 마모 방지 첨가제 성분이 다양하게 시편과 마모방지 필름을 형성한 것으로 판단된다[12,13].

사용유 25^oC는 엔진에서 100hr 주행하는 동안 발생된 마모 방지 첨가제 성분이 엔진 오일 내에 부유물질 형태로 존재하였고, 신유 100^oC 보다는 작지만 일부 마모 방지 필름을 형성한 것으로 판단된다[14,15].

CK4 등급의 오일은 CJ4 보다 성능이 향상된 엔진 오일로써, 산화안정성 향상, 전단 안정성 향상, 오일 내 기포 배출성 향상된 것이 특징적이다[8]. 따라서 CJ4 대비 CK4 등급의 마모 체적이 다소 낮은 것은 엔진 오일의 전단 안정성이 우수하여 마모 측면에서는 CJ4 보다 안정적인 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 엔진 오일 등급과 오일 상태에 따른 경계 및 혼합 윤활계 엔진 부품의 마찰 및 마모특성을 시험적으로 규명하였다.

1. 엔진 오일 등급에 따른 마찰 시험을 진행하였고, 신유 25^oC, 사용유 25^oC는 동등 수준의 마찰 계수를 보인 반면에 신유 100^oC는 오일 점도 저하 특성으로 3가지 유형의 시험 중 가장 높은 마찰 계수 수준임을 확인하였다.

2. 마모 체적은 신유 100^oC가 가장 작았고, 그 다음으로는 사용유 25^oC, 신유 25^oC 순이었다. 이는 엔진 오일 내 포함된 마모 방지 첨가제 성분이 신유 100^oC 조건에서 열반응이 가장 활발히 일어난 것으로 판단된다. EDS 로 측정하였을 때 마모방지 첨가제인 P, Zn이 여러 개소에서 관찰되었고, 이는 마모 방지필름이 가장 넓게 형성된 것으로 추정된다. 다만 이번 연구를 가지고 부품의 마모 측면에서 유리하다고 하여, 실제 사용 환경조건에서도 사용유를 계속 사용하는 것은 올바른 엔진 관리가 아니다. 엔진의 길들이기 운전이 충분히 진행되면 엔진 부품 표면의 트라이보 필름이 형성되기 때문에 오일 열화 관점에서 유리한 신유를 주기적으로 교체하는 것이 엔진 부품 수명을 유지하는데 올바른 방법이다.

3. 오일 등급에 따라서는 CK4 등급이 CJ4 등급보다 마모체적이 다소 낮은 것으로 확인이 되었는데, 이는 CK4 등급의 오일이 전단 안정성이 상대적으로 CJ4 보다 우수한 것으로 판단된다.