Experimental Study on the Effects of Low Viscosity Engine Oils on Fuel Economy

(1)

엔진오일의 저점도화가 차량 연비에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

김 한 구^† 다불산업 기술연구소

Experimental Study on the Effects of Low Viscosity Engine Oils on Fuel Economy

Han Goo Kim

^†

Double Industrial Co., Ltd. R&D Institute

(Received August 5, 2010; Revised August 31, 2010; Accepted September 1, 2010)

Abstract −

The purpose of this paper is to study the fuel economy improvement experimentally when the vis- cosity of engine oil is lowered. The emissions are measured for CVS-75 mode with SAE viscosity grades. The test results indicate that a close correlation has been found between the engine oil viscosity and the fuel economy.

The lowering of engine oil viscosity causes the reduction of friction loss which has a very close relation with the fuel economy. These results as the lowering of engine oil viscosity will be a important factor for improvement of the fuel economy and reduction of the CO

²

emission.

Keywords −

fuel economy(

연비

), CAFE(corporate average fuel economy,

기업평균연비

), CVS-75(Constant Volume Sampler 75)

1. 서 론

기계는 항상 하중을담당하면서 상대접촉 마찰운동 을하기때문에하중을분산

/

완화시키고

,

동시에마찰 손실을감소시키기위해윤활유를공급하여마찰에너 지발생을줄여주고

,

특히운동부품의내구성을향상하 여 시스템의 수명을연장하기 위한 노력을 기울인다

.

운반기계의대명사라고할수있는자동차에서마찰손 실을줄이면서수명을연장하고

,

배출가스감소에기여 하면서출력을향상시켜주는윤활유의기능은매우중 요하다

.

최근 자동차 연비

(fuel economy)

에 대한 규제가 점

점강화되면서연비향상

(fuel economy improvement)

을 위한기술개발이가속화되고있다

.

이러한연비향상은

연료소비를 줄임으로써 지구온난화가스인 이산화탄소

(CO

²

)

의배출량을저감시키기때문에환경문제해결에 있어서도필수적으로요구되는기술사항이다

.

현재 미국에서는 생산

/

판매되는 자동차가 연비기준 미달시벌과금을해당차량대수에곱해부과하는기업 평균연비

(CAFE, corporate average fuel economy)

제도 를시행해연비향상에크게기여하고있으며우리나라

도

2006

년부터국내에서생산

/

판매되는자동차에기준

평균연비가적용되는평균에너지소비효율제도가시행 된다

.

기존의연비향상을 위한 연구방법인 엔진 연소분야 에대한기술개발은한계에부딪혔기때문에엔진요소 의마찰저항으로인해발생하는에너지손실을줄여줌 으로써그목적을실현할수 있다

.

또한

,

마찰저감 기 술은 자동차의 성능뿐만 아니라 자동차의내구성과도 직접적관련이있기때문에매우중요한기술이라고할

†주저자·책임저자

: [email protected]

(2)

현재일반적으로사용하고있는연비란자동차의연 료소비를나타내는것으로써연료

1

^리터^또는

1

^갤런으

로주행가능한 거리인

km/

l나

mpg(miles per gallon),

또는

100 km

를 주행하는 데에 소비되는 연료량인 l

/

100 km

^로^표시하며

,

^자동차의에너지소비효율이라고도

부른다

.

연비는차량이실제의도로상을주행할때에 구해지는실주행연비와차량의인증 시에측정되는 공인연비로대별할수있으나

,

이중에서공인연비는차 량구입자가여러차량사이의연비 값을비교하여연 비가 우수한차량을 구입하는 데에 활용하도록 함과 동시에

,

우리나라의목표연비제도나미국의

CAFE

제도 에서와같이정부차원에서자동차제작사의평균연비 를관리하는데에사용되기도하기 때문에차량들사 이의객관성있는비교척도로사용될수있도록일정 한룰에의해측정된다

.

본 연구에서는 엔진오일의 저점도화가 차량연비에 미치는영향을파악하기위하여우리나라대기환경보

전법의승용차배출가스규제시험모드인

CVS-75

모

드로 차량시험을수행한후공인연비를계산함으로써 엔진오일의점도와연비와의관계를규명하고자한다

.

2. 실험조건 및 방법

2-1. 엔진제원 및 엔진오일

본 연구에서 사용한 디젤 엔진은

4

^기통

2000 cc

^의

직접분사식연료분사시스템을채택하고있으며디젤

엔진의 구체적 사양은

Table 1

^에 ^{나타내었다}

.

^또한

,

Table 2

에는 실험에사용된

10 W40, 10 W30, 5 W40

엔진오일의물성치를나타내고있다

.

2-2. 배출가스 측정 장치

배출가스측정은섀시다이나모미터

(Chassis dynamo-

meter)

에서실시하였다

.

측정장치는섀시다이나모미터

,

냉각팬

(Cooling fan),

운전 모니터링장치

(Driving

controller),

^희석터널

(Dilution tunnel),

^송풍기

(Blower),

정용량 시료채취장치

(CVS : Constant volume sampler),

입자상물질여과장치

(PM filter),

시료채취백

(Bag),

배

출가스분석기

(Gas analyzer)

^등으로^구성되어^있다

.

섀시다이나모미터는자동차가실제도로를주행할 때정지

,

^가속

,

^정속

,

^감속^등을^반복하는^과정을^대표

화한실측 주행모드를사용하여모사주행할수있도

록 자동차에 부하를주는 장치로그 제원은

Table 3

에나타내었다

.

배출가스측정은시험 자동차가섀시다이나모미터 의롤러위에서각모드별로주행할때배기관으로부터 배출되는 가스를 정용량 시료채취장치

(CVS : Constant

volume sampler)

에서일정량의공기로희석한 후시료

채취백

(Bag)

^에^채취하여^배출가스^분석기로^{분석하였다}

.

운전모니터링장치

(Driving monitor)

는 운전자가자 동차를 도로에서 주행하는 상태로운전할 수 있도록 화면에운행상태를표시해주는장치이다

.

시료 채취장치

(Constant volume sampler)

는 자동차 배출가스를공기와희석하여채취할수있는장치이며

kg/m

Viscosity 40

^o

C, cSt 91.7 72.3 82.5 100

^o

C, cSt 14.3 10.8 14.4

Viscosity index 162 138 -

Table 3. Specification of chassis dynamometer Chassis Dynamo Clayton (USA) DC-80

Roller Type Twin (

^F

220 mm)

Max. Power, HP 40

Max. Speed, km/h 145

ETW Range, lbs 1000 ~ 6875

(3)

희석터널

(Dilution tunnel)

은고온에의한입자상물질의 변화를배제시키고대기조건으로제어하기위해시료 채취온도가항상

52

^o

C

이내로유지되도록외부공기와 배출가스를희석시키는 기능을한다

. Fig. 1

은섀시다 이나모미터를 이용하여 시험하는 장치도를 보여주고 있다

.

2.3. 배출가스 측정모드

배출가스측정에사용하는주행모드는

,

차량이도로 상을 실제로주행할 때와 유사한 여건을시험실에서 재현하도록 하는 것으로서

,

가능한한 실제의주행흐 름을 최대한반영하는것이바람직하기때문에

,

^미국

,

일본

,

유럽등지에서는자기나라의실제도로주행상 황을대표할수있는주행흐름을실측

·

분석에의해도 출하여

,

공인측정모드로서사용하고있다

.

현재 우리나라 대기환경보전법의 승용차 배출가스 규제시험 모드로 측정모드이기도 한

CVS-75

^모드

(Constant Volume Sampler 75)

는

1954

년로스앤젤레 스스모그사건이일어난 주

(

州

)

이고자동차배출규제 의 선도적인 역할을 하여 항상 미국연방정부보다 한 단계 앞서배출가스규제를하고있는 캘리포니아주 의자동차배출가스시험모드로

1975

^년에^{제정되었다}

.

이 측정모드는 공회전

(Idle),

가속

(Acceleration),

감속

(Deceleration),

정속

(Cruising)

이되풀이되는과정을시 험목적상대표화한주행패턴이다

.

또한

, Fig. 2

에나타 낸주행곡선은

phase 1

은저온시동단계로서

505

초동

안운전되며

, phase 2

^는^{저온시동의}^{안정화단계로}

865

초동안운전된다

. Phase 2

가끝나면

10

분동안엔진

을 정지시킨 후

phase 3

은 고온운전조건에서

505

초

동안운전된다

. Phase 1

^과

3

^은^{주행패턴과}^{주행시간이}

똑같으며단지 시동단계의엔진온도차이를나타내고 있다

.

평균차속은

34 km/h,

총주행거리는

17.85 km

이 다

[5,6].

Fig. 1. Chassis dynamometer.

Fig. 2 Driving cycle of CVS-75 mode.

(4)

이온화검출

(HFID : Heated Flame Ionization Detection)

방법을사용하여농도를분석한다

.

^{분석원리는}^화염에

탄화수소가 섞여 타면서탄소이온이 발생한다

.

이 때 이온감지기가탄소의이온을감지하여전기적신호로 변화시켜탄화수소를분석한다

.

질소산화물의 경우는 화학발광검출

(CLD : Chemi- Luminescent Detection)

^방법을 ^사용한다

.

^{분석원리는}

일산화질소

(NO)

가이산화질소

(NO

²

)

로변할때발생하 는화학적빛을빛감지기가감지하여전기적신호로 변화시켜서질소산화물의농도를분석한다

.

^이때^이산

화질소중에

10%

만화학적발광을일으킨다

.

일산화탄소와이산화탄소의경우는비분산적외선분 석

(NDIR : Non-Dispersive Infra Red)

방법을 사용한다

.

분석원리는 적외선발생기에서 발생된적외선이분석 가스가 들어 있는 관을 지나면서 일산화탄소와이산 화탄소에 흡수되고 그 나머지 적외선만 검출기에 감 지된다

.

^이때^참조^셀을^통과한^적외선과^분석셀을 ^통

과한 적외선의차이를 검출기의 센서에서 전기적 신 호로 변화하여일산화탄소와이산화탄소의농도를분 석한다

.

2-5. 공인연비 계산방법

배출가스중에서 탄소성분을함유한

HC, CO, CO

²

의 단위 주행 거리당 배출량

(g/km)

을 이용하여 카본

밸런스법에의해공인연비를계산하게된다

.

^이와^같이

카본밸런스법에의해구한연비는연료유량계를사용 하여직접측정한연비와거의차이가없으며

,

^연료유

량계를사용하는방식보다간편하기때문에전세계적 으로모드연비는이러한방법을사용하여계산된다

.

카본밸런스법에서사용하는공인연비계산식은가

솔린

,

경유

, LPG

연료에따라서물성이다르기때문에

연료의종류에따라다른계수값을사용한다

.

연료에 따른공인연비를계산하는식은다음과같다

.

여기서

, CH

^비는

1.85

^이고

HC, CO, CO2

^는^각각의

단위주행거리당배출가스량

(g/km)

이다

.

■

LPG

여기서

, CH

비는

2.5

이고

HC, CO, CO2

는 각각의 단위주행거리당배출가스량

(g/km)

^이다

.

3. 실험결과 및 고찰

Figs. 3

∼

7

에는공인연비측정시배출되는

HC, CO,

NOx, PM, CO

²^의 ^단위 ^주행 ^거리당^배출량

(g/km)

^을

각각의엔진오일에대하여나타내었다

.

Fig. 3

에는 각각의엔진오일에 대한

HC

의 단위 주

행거리당배출량

(g/km)

을보여주고있다

. 10 W30

엔

483

( )g l⁄

0.866 HC

×

( )

+

(

0.429 CO

× )

+

(

0.273 CO

× 2)

---

Fig. 3. HC emission for CVS-75 mode with SAE

viscosity grades.

(5)

진오일인경우가장적은

HC

배출량을나타내고있으 며

5 W40

엔진오일이

10 W30

보다

4

배 정도 많은

HC

^배출량은 ^타내고 ^있다

.

^하지만

HC

^의 ^경우 ^다른

배출가스보다상대적으로매우 적은량을배출하므로 공인연비에큰영향을미치지않는것을알수있다

.

Fig. 4

에는각각의엔진오일에대한

CO

의단위주행

거리당배출량

(g/km)

. 10 W30

엔진오

일인 경우 가장 적은

CO

^배출량을 ^나타내고^있으며

5 W40

엔진오일이가장많은

CO

배출량은타내고있

지만각각엔진오일의

CO

배출량이거의비슷하게나 타나는것을알수있다

.

또한

HC

와마찬가지로다른 배출가스보다 상대적으로매우 적은량을 배출하므로 공인연비에큰영향을미치지않는것을알수있다

.

Fig. 5

에는각각의엔진오일에대한

NOx

의단위주

행거리당배출량

(g/km)

. HC

와

CO

의 배출량과는다르게

10 W30

^{엔진오일인}^경우^가장^많은

NOx

배출량을나타내고있지만각각엔진오일의

NOx

배출량이거의비슷하게나타나는것을알수있다

.

Fig. 6

에는요즘경유차량에서큰관심분야인

PM

의

단위 주행 거리당배출량

(g/km)

을 보여주고있다

.

역

시각각의엔진오일의

PM

^배출량은^거의^비슷하게^나

타나고 있으며 특히

10 W30

엔진오일이 가장 많은

PM

배출량을나타내고있다

.

Fig. 7

에는배출가스중에서가장많은배출량을나

타내고있는

CO

²의단위주행거리당배출량

(g/km)

을

각각엔진오일에대하여보여주고있다

. 10 W40

^엔진

Fig. 4. CO emission for CVS-75 mode with SAE

viscosity grades.

Fig. 5. NOx emission for CVS-75 mode with SAE viscosity grades.

Fig. 6. PM emission for CVS-75 mode with SAE viscosity grades.

Fig. 7. CO

²

emission for CVS-75 mode with SAE

viscosity grades.

(6)

오일이 가장 많은

CO

² 배출량을 나타내고 있으며

5 W40

엔진오일이가장적은

CO

2배출량을나타내고

있다

.

특히

, CO

²는배출가스중에서가장많은부분을 차지하고있기때문에공인연비에매우큰영향을미 친다는것을알수있다

.

Fig. 8

에는 시험에서측정한

HC, CO, CO

²의단위

주행 거리당배출량

(g/km)

을이용하여카본 밸런스법

에의해공인연비를산출한값을나타내고있다

.

시험

에 사용한엔진오일 중 점도가가장 낮은

5 W40

^엔

진오일의경우점도가가장높은

10 W40

엔진오일보

다연비가약

2%

정도개선되는것을알수있다

.

4. 결 론

엔진오일의저점도화로상대마찰운동이발생하는엔 진부품에 대한 마찰손실감소가 차량 연비에 미치는 영향에대하여실험적으로알아보았다

.

공인연비를구하기위한시험은우리나라대기환경

보전법의 승용차 배출가스 규제시험 모드인

CVS-75

모드로 차량시험을 수행하여 공인연비를 계산하였다

.

그결과는다음과같다

.

차량배출가스중

HC

^와

CO

^의^배출량이^매우^미비

하였으며그중에서도

HC

의배출량이가장적은양을

지구온난화가스인

CO

²의배출량도줄일수있다는것 을알수있었다

.

결과적으로저점도엔진오일을사용할경우상대마 찰운동이발생하는엔진부품의마찰손실을줄임으로써 차량의연비가개선되는것을알수있었고지구온난 화가스인

CO

²의배출량도감소한다는 것을알수 있 었다

.

^따라서

,

^{엔진오일의}^{저점도화는}^{차량연비의}^향상

과 지구온난화가스인

CO

²의 배출량 감소에 기여 할 것으로판단되어진다

.

참고문헌

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40th Proceedings of KSTLE Conference

, pp.

202-207, 2005.

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“The Effects of Engine Oil Viscosity and Composi- tion on Fuel Economy,”

^{SAE 841389}

, 1984.

3. Tanaka, H., Nagashima, T., Sato, T., and Kawauchi.

S., “The Effect of 0W-20 Low Viscosit Engine Oil on Fuel Economy,”

SAE 1999-01-3468

, 1999.

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J. KOSAE