윤활 및 윤활 장치

내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

흡·배기 밸브 장치

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흡입행정과 배기행정 때 밸브를 열고, 압축행정과 팽창 행정 때 밸브를 닫아 실린더 내의 연소가스를 밀폐시키 는 장치를 밸브장치(valve train)라고 한다.

포핏 밸브의 구조

포핏밸브(poppet valve)는 밸브의 헤드와 페이스 및 스템으로 되어 있다. 밸브헤드는 고온 고압의 연소가스가 접촉하는 부분 이므로 내열성이 큰 재료로 만들어야 하며, 부식성이 없어야 한다. 밸브헤드의 모양은 부식성과 마모성을 고려하여 여러 가 지 형태로 만든다.

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 밸브의 재료

밸브의 재료는 고온에서 강도와 경도가 높아야 하고 열전도가 잘되어 야 하며, 열팽창계수가 작아야 한다. 또 충격력에 강해야 하고 내마모 성이 커야 한다.

이와 같은 성질 때문에 현재는 Si-Cr강이나 Ni-Cr-W강을 주로 사용 하며, 밸브의 헤드와 스템을 각각 제작하여 용접이나 조립할 때는 스 템 부분을 금속 스텔라이트(Co-Cr-W강)를 사용한다. Si-Cr강은 부 식에 강하고 내마모성이 크며 열팽창계수가 작으나 내열성이 나쁘다.

Ni-Cr-W강은 내열성과 내식성이 크고 열팽창계수도 작으나 가공성 이 나쁘고 내마모성이 작다.

 밸브 재료의 구비 조건

1) 고온에서 강도와 경도가 클 것

2) 내열성, 내부식성 및 내마모성이 클 것 3) 충격에 강하고 피로에 강할 것

4) 열전도가 좋고 열팽창계수가 작을 것 5) 비중량이 가벼울 것

6) 단조가공 및 용접이 용이할 것

 타이밍 기어(timing gear)

타이밍 기어는 크랭크축의 기어와 캠축의 기어를 말한다. 피 스톤이 흡입행정 때 캠이 작용하여 흡기밸브를 개폐하고, 피 스톤이 배기행정 때 정확히 캠이 작용하여 배기밸브를 개폐 해야 한다. 밸브의 개폐시기가 잘못되면 기관 성능에 커다란 영향을 미치기 때문이다. 이 시기를 정확히 맞춘다고 하여 타이밍 기어라고 한다.

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 슬리브밸브의 장단점

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윤활 및 윤활 장치

윤활 이론

두 물체가 접촉하여 왕복운동이나 호전운동을 할 때 두 물체 사이에는 저항력이 생긴다. 이 저항력은 힘의 방향과 반대방향 으로 작용한다. 이와 같이 두 물체 사이에 작용하는 저항력을 마찰력이라고 한다.

마찰력은 두 물체의 재질, 접촉면, 형상 등에 따라 다르다. 또 마찰력은 접촉면에 작용하는 수직하중에 비례하여 증가한다.

이 비례상수를 마찰계수라고 한다. 마찰계수는 작용하는 힘에 비례하고, 수직하중에 반비례한다. 고체와 고체 사이에 작용하 는 마찰을 고체마찰이라고 하는데 마찰계수가 대단히 크다. 그 러므로 구동할 때 동력손실이 크고 마찰열이 증가한다.

마찰열을 냉각시키지 않고 계속 운전하면 재질이 변형되고, 심 하면 재료가 녹아 융착된다. 그러므로 마찰계수를 감소시켜야 한다. 마찰계수를 감소시키기 위하여 마찰 면에 어떤 조치를 해야 하는데 이것을 윤활(lubrication)이라고 한다. 마찰계수를 감소하기 위하여 접촉면에 넣는 물질을 윤활제(lubricant)라고 하며, 고체, 반도체, 액체, 기체가 있다.

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 윤활유가 하는 역할

 윤활 작용: 고체마찰은 마찰계수가 크므로 마찰면에 점성유 체를 주입하여 점성 마찰로 바꾸어 마찰계수를 감소시키는 것을 말한다. 마찰계수를 감소시킨다고 하여 감마(reduce friction) 작용이라고도 한다. 즉, 마찰 면에 점성유체를 주입 하면 마찰 면에 유막(oil film)이 형성되어 유막 중간에서 분 리되므로 점성마찰이 이루어진다. 그러므로 마찰계수가 감 소한다.

 냉각 작용 : 냉각 작용은 마찰 면에서 발생하는 마찰열을 제 거하는 작용이다 내연기관에서 윤활유는 순환한다. 순환과 정은 윤활유실 윤활유펌프 윤활유여과기 마찰면 윤활유실이 다. 이와 같이 순환하여 마찰 면에 있는 열을 냉각시킨다.

 청정 작용 : 청정 작용은 금속과 금속이 마찰하면 금속 분말이 발 생하는데, 이 금속 분말을 제거하는 작용이다. 이 분말이 마찰 면 에 쌓여 있으면 마모가 급속도로 증가한다. 그러므로 제거시켜야 하는데, 윤활유가 순환하면서 오일 필터에 흡착시키거나 윤활유 탱크에서 침전시키는 작용을 말한다.

 기밀 작용 : 기밀 작용은 실린더와 피스톤 링 사이에 압축가스나 연소가스가 누설되는데, 이 가스의 누설 을 막는 작용을 말한다. 즉, 윤활유가 공급되어 실린 더와 피스톤링 사이에 유막이 형성되므로 실린더 내 의 가스를 밀폐시킬 수 있다.

 방청 작용: 방청작용은 산소와 기타 물질로 인한 부 식을 방지하는 작용을 말한다. 즉, 윤활유가 급유되 면 유막이 형성되어 산소의 침입을 차단하므로 산화 를 방지할 수 있다.

 소음방지 작용(응력분산 작용) : 소음방지 작용은 운 동 부분에 충돌 음이 발생하는 데, 윤활유를 급유하 면 유막이 형성되어 응력을 분산시키고, 금속면에 닿 는 충돌 음을 흡수하여 소음을 적게 하는 작용이다.

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그림(a), (b)는 모두 마찰면 사이에 점성액체가 주유되 어 유막이 형성되고, 마찰면의 한 면이 움직일 때 점성 액체에서 나오는 저항력을 나타낸 것이다 .점성액체의 저항력을 전단응력이라고 한다. 이 전단응력은 힘의 방 향과 반대 방향으로 작용한다.

뉴턴(Newton)의 점성 법칙에 의하면 전단 응력은 점 성 액체의 점성 계수(coefficient of viscosity)와 속도 에 비례하고, 유막 즉 마찰 면 사이의 간극에 반비례 한다. [그림 8-1](b)에서

　 　 　　 여기서,

　τ : 전단응력[kg/m²]

　μ : 점성계수[kg-sec/m²] 　n : 축의 회전수[rpm]

　ν : 원주 속도 혹은 속도[m/min] 　　　　

　r : 축의 반지름[m]

x

　A : 단면적[m²]

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 윤활유의 성질 및 첨가제

윤활유는 마찰면에 주유되어 두 면 사이에 부착되어 유 막을 형성해야 한다.

윤활유가 유막을 형성하는 것은 점성이 있기 때문이다.

점성이 큰 유체는 유막 형성이 좋고 큰 하중에 견딜 수 있으나 내부저항, 즉 전단응력이 증가하므로 마찰손실 이 증가한다. 점성유체는 온도에 따라 점성이 변화하고 고온에서 부분적으로 분해되거나 고분자 탄화수소를 형성하여 슬러지(sludge)를 만든다. 또 화학적으로 다 른 물질과 섞이고 공기 중의 산소를 흡수하여 열화 (deterioration)된다.

(1) 점성

점성(viscosity)은 유체가 흐를 때 나타나는 내부저항의 크기를 말한다. 내부 저항이 큰 유체는 점성계수가 큰 유체라고 하고, 점성계수는 유체의 내부저항을 수치적 으로 나타낸 것이다. 점성계수는 온도에 따라 변화한다.

즉 온도가 증가하면 점성계수가 작아지고, 온도가 낮으 면 점성계수는 커진다. 보통윤활유는 -20 정도이면 반 고체 상태가 되므로 이때는 특수 윤활유를 사용해야 한 다. 점성을 측정하는 기구는 여러 가지가 있으나 미국 에 서 는 Saybolt 점 도 계 를 사 용 하 고 , 영 국 에 서 는 Redwood 점도계를 사용하며, 독일에서는Engler 점도 계를 사용한다. 이들 점도계는 일정한 형상의 용기에 시료를 넣고 용기 밑에 있는 세공으로 유출하는 시간을 초로 표시한 것이다.

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(2) 유성

유성(oiliness)은 윤활유가 금속표면에 부착하는 친화력 을 말한다. 유성이 클수록 금속표면에 잘 부착한다. OH 기, COOH기는 친화력이 강하다. 또 식물성은 광물성보 다 친화력이 강하다.

(3) 유동점

유동점(pour point)은 흐를 수 있는 최저온도이다. 액체 가 고체로 상태 변화되는 온도를 응고점 혹은 빙점이라 고 한다. 고체 상태에서는 흐를 수 없으므로 고체가 되 기 전의 온도를 말한다. 유동점은 빙점보다 2.5 높은 온 도를 말한다. 유동점이 낮을수록 좋은 윤활유이다.

(4) 점도지수

점성은 온도에 따라 변화한다. 이 변화하는 정도를 수치 로 나타내는 것을 점도지수(viscosity index)라고 한다.

점도지수는 다음 식으로 계산한다.

(5) 탄화성

탄화성(carbonization)은 고온에서 윤활유가 부분적으로 분 해되거나 고분자 탄화수소를 형성하여 슬러지 화하는 성질을 말한다. 슬러지는 반고체 상태로 변화하므로 유동성이 작아 져서 마찰력이 증가하고, 마찰열을 흡수할 수 없다. 또 슬러 지가 피스톤링 사이에 쌓이게 되면 링을 교착시켜 링의 기능 을 손상시킨다.

(6) 산화 안정도

산화안정도(oxidation stability)는 윤활유가 고온에 노출되었 을 때 연소되지 않는 성질을 말한다. 피스톤링이나 실린더에 서 윤활유가 고온에 노출되면 연소한다. 윤활유가 연소할 때 발생한 연소생성물이 배기관으로 나가면 별문제가 없으나, 실린더 내에 쌓여서 윤활유에 흡수되면 윤활유를 노화시키고, 슬러지로 변화하여 플러그 돌출부나 배기밸브의 필릿 부분 및 피스톤링에 쌓이게 된다. 또 실린더 내의 연소실에 쌓이게 되어 조기점화 현상이나 플러그에서 브리지 현상이 발생하게 된다.

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(7) 안정성

안정성(stability)은 다른 물질과 접촉했을 때 윤활유가 변화하 지 않는 성질을 말한다. 즉, 화학적인 안정성을 말한다. 실린 더 내의 연소가스가 피스톤링 사이로 누설되어 윤활유실로 흘 러가는 경우가 있다. 이 경우, 윤활유가 연소가스를 흡수하여 변화되거나 마찰 면에서 발생한 금속분말을 흡수하여 윤활유 의 성질이 변하면 안 된다. 또 인화점이 너무 낮아 윤활유실로 들어온 연소가스에 의해서 점화되면 폭발한다. 그러므로 인화 점이 높아야 한다. 이러한 성질을 안정성이라고 한다.

(8) 기포성

기포성(forming character)이란 점성액체에서 생기는 거품 현 상을 말한다. 즉, 윤활유는 점성액체이므로 윤활유를 교반시 킬 때 혹은 윤활유 관을 흘려보낼 때 공기를 흡수하여 거품 현 상이 발생한다. 윤활유 펌프나 윤활유 관

에서 거품이 형성되면 유량이 불규칙하고 흐름을 방해하므로 방지시켜야 한다.

 윤활유의 구비 조건

 적당한 점성을 가질 것

 유성이 양호할 것

 온도 변화에 점성의 변화가 적을 것

 열이나 산에 강할 것

 카본 형성, 즉 슬러지 형성이 적을 것

 금속의 부식성이 적을 것

 내하중성이 크고 기포가 발생하지 않을 것

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 윤활유 첨가제

윤활유는 사용목적에 따라 여러 가지 화학물질을 첨가하여 사용한다.

그러므로 종류가 다른 윤활유와 혼합하여 사용하면 윤활유의 성질이 변화한다.

 산화 방지제 : 윤활유의 산화를 방지하기 위하여 유기아민류, 황화 합물, 수산화 유기물 등을 0.2~3% 정도 첨가시킨다.

 점도지수 향상제: 윤활유의 점도지수를 향상시키기 위하여 중합올 레핀 또는 부틸 중합물, 섬유 에스테르, 수산화고무 등을 0.5~1.0%

정도 첨가한다.

 유성 향상제 : 윤활유가 금속표면에 잘 부착되도록 에스테르, 비누 류 파라핀, 산화물 등을 0.1~5% 정도 첨가한다.

 유동점 강하제 : 윤활유의 빙점을 낮추기 위하여 고분자의 유기화 합물, 메타크릴염의 중합체 등을 0.1~1% 첨가한다.

 청정제 : 금속분말을 흡수하기 위하여 윤활유에는 칼슘, 바륨, 아연, 알루미늄 등을 2~10% 첨가한다.

 부식 방지제 : 윤활유가 금속표면에 부착하여 금속을 부식시키는 것을 방지하기 위하여 인의 유기화합물을 0.4~2% 정도 첨가한다.

 소포제 : 윤활유가 유동할 때 기포가 발생하는 것을 방지하기 위하 여 규소유 등을 0.0002~0.07% 정도 첨가한다.

 윤활유의 종류

윤활유의 종류에는고체 윤활유와 액체 윤활유가 있고, 반고체 상태인 그리스(grease)가 있다. 그리스는 주유하 기 어려운 베어링 부분에 사용한다.

또 윤활유에는 식물성 윤활유와 광물성 윤활유가 있다.

식물성 윤활유로 사용하는 것은 피마자유(castor oil)와 해바라기 유(sunflower oil)가 있다. 식물성윤활유의 특 징은 점도가 높고 내압성이 양호하나 고온에서 유성과 점성이 변화한다. 주로 정밀기계에 사용한다.

내연기관에서 주로 이용하는 윤활유는 원유에서 제조한 광물성 윤활유이다. 광물성 윤활유는 원유를 온도 차이 에 의해서 분류할 때 중유와 아스팔트 사이에서 정제한 것이다. 여기서 정제한 윤활유를 사용 목적에 따라 여러 가지 첨가제를 혼합하여 사용한다.

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1) SAE(Society of Automotive Engineers)의 분류

SAE에서 분류하는 방법은 윤활유의 점성의 크기에 따 라 분류한 것이다.

여기서 W 자는 겨울(winter)용이라는 뜻이다. 숫자의 크기가 크면 그만큼 점성이 커진다.

 SAE등급 : 5W, 10W, 20W, 20, 30, 40, 50⇒엔진오 일, 75, 80, 90, 140, 250 ⇒ 기어오일

겨울철 ⇒ 10W, 20W 여름철 ⇒ 30 40

 다등급(multi grade motor oil) : 사계절용(all season oil) 이 라 고 도 한 다 . 10W/20, 10W/30, 20W/20, 20W/30, 20W/40 등이다.

다등급 오일에서 10W/20이 뜻하는 의미는 저온에서는 10W와 같은 성질이 있고, 고온에서는 20과 같은 성질 이 있는 윤활유라는 의미이다.

2) API(American Petroleum Institute)의 분류

API 분류는 기관의 종류와 사용 조건에 따라 분류한다.

즉,

 가솔린기관 : ML, MM, MS

 디젤기관 : DG, DM, DS 등이다.

 ML(Motor light) : ML급 윤활유는 가솔린기관에 사용 하는 윤활유로서 기관을 가장 좋은 조건에서 운전할 때 사용하는 윤활유이다. 즉 자가용처럼 일정한 경부 하에서 운전하며, 기관의 마멸이 작은 기관에서 사용 한다.

 MM(Motor Moderate) : MM급 윤활유는 가솔린기관 에서 약간 좋지 않은 조건에서 운전할 때 사용하는 윤활유이다. 즉, 기관이 마멸이 심하여 윤활유실에 침전물이 쌓이고 베어링 부식에 대책이 필요할 때 사 용한다. 승용차, 버스, 트럭 등 장거리용에 사용된다.

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 MS(Motor Severe) : MS급 윤활유는 가솔린기관을 가혹한 조건에서 운전할 때 사용하는 윤활유이다. 즉 시동과 정지가 심한 택시, 배달 트럭, 산업용 가솔린 기관에 사용한다.

 DG(Diesel General) : DG급 윤활유는 디젤기관 윤활 유로서 황성분이 적은 연료를 사용하고, 경부하로 운 전하는 기관에 사용한다. 일정한 거리를 운전하는 버 스나 트럭 등에 사용된다.

 DM(Diesel Moderate) : DM급 윤활유는 중 부하로 운전하는 디젤기관에사용하는윤활유이다. 즉 시동과 정지가 심한 버스나 트럭, 보통연료를 사용하는 디젤 기관에 사용한다.

 DS(Diesel Severe) : DS급 윤활유는 가혹한 조건에 서 사용하는 디젤기관에 사용한다. 즉, 산업용 트럭 과 건설용 기관에 사용된다.

3) SAE 신 분류

SAE와 API 및 ASTM 등이 협력하여 분류한 것이다.

가솔린기관 : SA, SB ,SC, SD, SE, SF, SG 디젤기관 : CA, CB, CC, CD, CE

등이다.

이 분류를 API 분류와 비교하면 가솔린기관에서 ML

= SA, MM = SB와 SC, MS = SD이다. 디젤기관에서 는 DG = CA, DM = Cb와 CC, DS = CD이다.

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4) 윤활유에 첨가제 함유량에 따른 분류

 보통급(regular type) : 광물성 윤활유에 첨가제를 넣 지 않은 윤활유이며, 보통 운전 조건에 사용한다.

 프리미엄급(premium type) : 광물성 윤활유에 산화 방지제 및 방부제를 첨가하여 가혹한 조건에서 운전 할 때 사용한다.

 특급(heavy duty type) : 광물성 윤활유에 산화방지 제와 방부제 및 청정제를 첨가한 것이며, 가혹한 조 건에서 운전하는 고속 디젤기관 및 가솔린기관에 사 용하는 윤활유이다.

(3) 윤활유 교환시기와 점검

기관에서 윤활유 교환 시기는 기관과 사용 조건에 따라 다르나 메이커의 권장 사항에 따르는 것이 좋다. 통상 포 장도로에서는 가솔린기관이 주행거리 12,000~15,000km 마다 교환하고 디젤기관에서는 주행거리 5,000km마다 교환 한다. 겨울철과 먼지가 많은 곳에서는 좀 더 자주 교 환한다. LPG기관에서는 LPG전용 윤활유를 사용하며, 15,000 km에서 교환한다. 윤활유의 점검은 윤활유의 색 깔과 점도 및 금속분말 함유 정도 및 슬러지 혼합 정도를 점검한다.

윤활유의 색깔에 따른 윤활유의 상태는 다음과 같다.

 윤활유에 냉각수가 혼합되면 우유 색을 띤다.

 윤활유에 가솔린의 4 에틸 납이 혼합되면 회색이 된다.

 윤활유가 심하게 오염되면 검은색이 된다.

 윤활유에 휘발유가 혼합되면 검 붉은색이 된다.

 윤활유가 연소되면 백색의 배기가스가 나온다.

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윤활유 압력이 낮은 이유는 다음과 같다.

 엔진오일이 가솔린으로 희석되어 점성이 변화되었을 때

 기관이 너무 과열되어 윤활유 점성이 변화되었을 때

 오일펌프 및 베어링 부분이 마멸되었을 때

 윤활계통이 파손되었을 때

 윤활유실 내의 윤활유량이 너무 적을 때

윤활유 압력이 너무 높은 이유는 다음과 같다.

 윤활계통이 막혔을 때

 기관을 시동할 때 윤활유가 가열되지 않았을 경우