러시아 볼가 자동차 공장에서의 구리 나노입자의 연구

[[서울] 다간다]

VOLZHSKY AUTOMOBILE PLANT
볼가 자동차공장(VAZ)
SCIENTIFIC-TECHNICAL CENTER
과학기술센터

승  인 :
엔진설계부장 M. A. Korzhov(코르조프)
1989. 12

기술보고서 No. 0-0738 / VAZ-00

VAZ-엔진의 엔진오일 첨가제로서의 엔진치료제 『니코』의 효능 평가

City of Tolyatti(톨랴치)
1989

1. 개요

   마찰되는 강철표면에 얇은 막을 형성할 수 있는 구리(cu)의 성능과 관련한 Selective
Transfer Effect는 1966년 이미 발견되었으나 이 effect를 내연기관 및 기타 자동차용
NODE에 이용 하려는 시도는 오랫동안 실패만 거듭해왔다.

   소련의 대다수 연구자들은 이른바 Metal plating lubricant의 개발에 많은 노력을 기울여
왔으며, 마찰부위에 구리막을 형성하기 위하여 윤활유에 구리분말과 구리합금분말을 첨가
하는 신첨가제의 개발을 오랜 기간동안 시도하여왔다.

   그러다가 80년대 초기에 프랑스와 이탈리아에서 구리합금 세분산 분말(fine dispersed
powder)을 기본으로 하는 내연기관 오일 첨가제에 대한 개발이 진전이 있기 시작했고
볼가 자동차공장은 1985년에『메탈-5』라는 그 첨가제 견본을 프랑스『소디헹』회사로
부터 제공 받았다. 이 회사의 안내서에 의하면 1개의 봉지 속에 10억개의 입자가 들어
있는 이 구리합금을 엔진의 가장 심하게 마모되는 부위에 발라놓게 되면 엔진의 성능이
나아진다 한다. 입자들은 오일과 함께 마찰부위에 와닿게 되면 압력에 의하여 표면층에
침투되는데, 입자는 size가 작기 때문에 오일필터에 자유로이 스며들 수 있는 한편 또한
특수처리가 되어 있기 때문에 시동 후『위로 떠오른다』고 주장하였다.
실제로 메탈-5의 작용효과는 그것을 오일에 첨가했을 때와 하지 않았을 때의 실린더 내
compression에 많은 차이가 났고, 메탈-5를 첨가했을때 실린더내의 compression이 증가
증가되고 또 균등화되는 효과가 있었다.
그러나 메탈-5는 필터에서 적지않은 양의 구리합금 입자가 검출되었고, 침전현상이 심했
으며, 극압 및 극온실험에서 바람직하지 않은 결과가 나왔다.
유럽에서 메탈-5등의 개발이 진행될 때, 소련에서도 여러 기관에서 유사한 첨가제 개발이
진행되었는데, 그중 소련과학아카데미 우랄지부 기술센터에서 개발한 첨가제인『니코』가
  구성성분 및 공정상 가장 우수한 첨가제로 평가되었고, 기타 첨가제들은 메탈-5 수준정도
의 품질이었다.
1989년에 이 첨가제는 볼가 자동차공장에서 직접 VAZ-엔진에 시험되었다.
(부록참고)
본 보고서는 그 시험결과에 대하여 기술한다.

2. 실험실시험

2.1 우선 구리합금분말이 VAZ-엔진의 오일필터 제작에 쓰이는 필터 보드지 (filtering
    cardboard) 를 어떻게 통과하는지를 평가하였다. 그래서 먼저 엔진오일에 첨가제인
    『니코』를 보태어 혼합물을 만들었는데 분말의 농도는 0.10%였다.
    다음, 분말이 첨가된 오일250ml를 직경60mm의 필터로 여과 시킨 후 다시 오일의
    분말농도를 측정해보니 그 역시 0.10%였으며, 현미경으로 필터를 검사했더니 필터에
    서는 극히 소량의 무시해도 좋을 정도의 구리합금 입자가 발견되었다.
 
2.2 다음, 4개 볼 짜리 마찰기계로 엔진오일의 윤활성에 분말이 어떤 영향을 미치는지를
    평가하였다. 그 결과는 표1에서 보는 바와 같다.

표1
 
Parameter 오일 M-63 / 12 Г1 M-63 / 12 Г1 +『니코』   
Scoring load, kgf 80 80   
Sticking load, kgf 200 200   
Scoring index 36 37   
Contact mark diameter, mm (마모얼룩직경) 0.46 0.47 

ø 역주 : 3agup[Zadir]란 용어에 관하여
        영.러 대기술사전에는 scratch(ing) 란 3agup란 뜻도 가진다고 되어 있고, 또
        反 3agup 性을 antiwelding properties(extreme pressure properties)라고도
        한다고 되어 있음.

3. 엔진오일의 성능에 대한 첨가제 작용의 평가

3.1 시험은 이미 약200시간 동안 작동을 한 VAZ-2106형 엔진을 가지고 시행하였다.
   그 이유는 1만km주행전에는『니코』첨가제 이용이 권장되지 않기 때문이다.
   시험은 시내에서의 주행을 imitation하는 특별 조건 하에서 진행되었다.
   시험은 총180시간, 즉 4시간씩 45회 진행되었다.
   매 회의 시험조건은 표2와 같다.

표2
 
회전율
  하중
  온  도 (℃) 작동시간
분    
    입구의 물 오    일     
3000 68 40 ±2 65 ±2 120   
3000 68 80 ±2 93 ±2  75   
 800 공회전(무부하) 30 ±2 46 ±2  45 

   엔진에는 oilsamp gas를 냉각시키기 위한 냉각.응축기가 추가적으로 설치되었다.
   응축물은 냉각장치에서 엔진의 crankcase로 되돌아 온다.
   시험과정에 15회 마다 한번씩 오일 샘플을 실험실에서 분석하여 엔진의 성능을
   평가하였다.

3.2 시험이 끝난 후 엔진을 해체해서 엔진의 오염도와 세부의 마모상태를 평가하였다.
   평가 결과는 표3.4에서 볼 수 있다. 표에는 또한 비교 삼아 오일 M-63 / 12 Г1에
  『니코』를 첨가하지 않고 진행한 시험결과도 기술하였다.

표3
 
No Parameter description 측정
단위 기준
시간 M-63 / 12 Г1 M-63 / 12 Г1 +
『니코』   
1 camshaft 동체에의 침적물 Number 2.0 1.0 1.8   
2 스프링쪽 실린더헤드에의 침적물 “ 2.0 0.5 0.5   
3 PM drive cover에의 침적물 “ 2.0 1.4 1.7   
4 block헤드 커버에의 침적물 “ 2.0 0.9 2.0   
5 lower crankcase에의 침적물 “ 2.0 0.9 1.9   
6 엔진에의 침적물 평균치 “ 2.0 0.94 1.58   
7 피스톤의 varnish carbon침적물 평균치 “ 6.0 3.7 4.7   
8 oil drainage hole의 막힘 % 10.0 5.0 10.0   
9 oil-control ring hole의 막힘     

   표에서 보다시피 첨가제『니코』는 엔진세부에 가라 앉는 앙금을 얼마간 증가
   시키지만 총체적으로는 그것이 허용된 한계를 능가하지 않으며, 또 엔진오일의
   세척성, 분산성은 악화시키지 않는다고 평가된다.

표4
 
No Parameter description 측정
단위 M-63 / 12 Г1 M-63 / 12 Г1  +
『니코』   
1 Camshaft의 평균마모  um 12.2 0.3   
2 Valbe lever의 평균마모 mg 14.6 0.0   
3 제1피스톤 링의 평균마모
제2피스톤 링의 평균마모
제3피스톤 링의 평균마모 
mg 27.4
23.3
46.4 19.1
14.0
20.8   
4 제1피스톤 링 lock의 scratch 증가
제2피스톤 링 lock의 scratch 증가
제3피스톤 링 lock의 scratch 증가 
um 30
70
120 17.5
17.5
67.7 

   표4는 부하를 가장 많이 받는 엔진세부의 마모 측정 결과인데, 보다시피 오일에의
  『니코』첨가는 엔진세부의 마모를 감소시킨다.
   단 한가지 염두에 둬야 할 것은, 순 오일 M-63 / 12 Г1을 새 엔진으로 시험하였으므로
   그의 보다 심한 마모가 엔진세부의 breaking-in과 관련되었을 수 있다는 점이다.

 첨가제『니코』의 유효성을 확인하기 위해서는 새 엔진들로 보다 장시간적인
 상대적 시험을 하는 것이 합리적이라고 인정되었다. VAZ-2106형 엔진으로 진행한
 이 시험결과는 제4장에 기술되었다.

  3.3 표5는 오일의 실험실 시험 결과를 보여 준다.

표5
 
  기준
오일  60 시간 120 시간 180 시간   
    오일 니코 오일 니코 오일 니코   
섭씨100시 점도, cSt 12.2 8.92 7.4 8.9 9.7 7.96 9.3   
물 함유량    % - 0.06 흔적 0.12 0.91 0.18 0.12   
연료함유량   % 1.2 7.2 6.0 10.0 6.8 9.6 6.0   
알칼리 수, mg KOH/g 8.85 5.82 6.72 2.95 5.15 2.14 2.75   
Ash content,  % 1.22 1.09 1.07 0.75 0.90 0.65 0.80   
총 sludge 함유량% - - 0.89 1.80 2.46 1.84 1.82   
침전 sludge 함유량% - - 0.08 0.95 0.20 0.54 0.40 

   표에 따르면,『니코』 가 첨가된 오일 M-63 / 12 Г1 의 성능이나 첨가되지 않은
   것의 성능이나 그 변화는 대체로 한가지라는 결론을 내리게 된다.

4. 새 엔진의 장기간 시험시 엔진세부의 마모, 침적 상태에 미치는 첨가제
  『니코』의 영향 평가

4.1 시험은 본 과학기술센터 윤활유실험실 전문가들의 기술적 지도 하에 M과학기술
     센터『Radical』의 시험 스탠드로 진행하였다.
     VAZ-2106 모델의 새 엔진2개로 시험을 했는데, 한 엔진으로는 순 오일 M-63 / 12 Г1
     을, 다른 것으로는 그 오일에다『니코』를 첨가해서 시험을 하였다.
     각기 시험시간은 280시간이었다.
     그중 첫180시간은 1항에 따라 oil samp gas응축기를 이용함이 없이 시험하였으며
     그후 오일과 필터를 교체한 뒤 STP 37.101.9647-84 규칙에 의거 100시간 동안 시험
     하였다.
 
 엔진회전율                                 3500 min-1
   제동기에의 하중                            full throttle
   오일 온도                                  101 ±2℃

   첨가제『니코』는 180시간 시험시와 100시간 시험시 2번 주입되었다.
4.2 시험 후 엔진들을 해체하고 침적물 유무를 평가하였으며 피스톤 링 및 밸브lever
   의 마모량이 측정되었다. 측정 결과는 검사서에 기술되었다. (부록과 표를 참조)
   거기에서 볼 수 있는 바와 같이 시험 후 엔진세부에는『니코』의 첨가로 인한 침적물
   증가 현상이 발생되지 않았으며 또, 양 엔진의 세부에 저온 앙금(winter sludge)도 생기
   지 않았는데 이것은 두가지로 설명될수 있다. 즉 oil samp gas 냉각및 응축기가 없었기
   때문이거나, 아니면 180시간 시험 후 생성된 저온 앙금이 100시간 시험시의 고온 침
   적물에 의해 세부표면에서 세척된 것으로 설명될 수 있다. 피스톤 표면에 와니스나
   와니스나 카본이 침적된 양에 따라서 판단을 한다면 첨가제『니코』의 사용은 그런
   침적물을 감소시킨다. 또한 이 첨가제가 엔진세부의 마모를 감소시킨다는 것도 확증
 되었다. 그러나 대체적으로 마모의 크기가 첫 시험시보다 작은데, 이것은 아마도 이번
   시험시 oil samp gas 냉각응축기가 없었기 때문으로 사료된다.

5. operational test

5.1 시험은 출고 후 주행거리가 서로 다르고 각각 초기 compression도 다른 승용차 6대
   로 진행되었다. 우선 엔진의 오일과 필터를 교체하고 compression을 측정한후 첨가제
   『니코』를 1 dose씩 주입하였다. compression의 재측정은 약 500km , 1500km 및
   3000km 주행 후 각각 진행하였다. 측정결과는 표6과 같다.

표6
 
자동차
모델명  총주행거리
  측정전
주행거리  실린더별compression 실린더평균
      
      1 2 3 4       

VAZ-21053
 138814
139257
140800 0
443
1986 8
10.5
9.3 7.5
10.5
9.4 9.9
10.5
10.5 9.6
10.5
9.5 8.75
10.5
9.68 
＋1.75
＋0.93   

VAZ-2106
 61770
62379
62820 0
609
1050 9.5
9.5
10.0 8.5
10.0
9.7 10.0
10.0
10.0 10.0
10.4
9.9 9.5
10.0
9.9 
＋0.50
＋0.40   

VAZ-21011
 84540
85261
86003 0
721
1463 7.7
8.0
8.3 7.8
7.9
8.3 7.9
8.5
8.4 7.7
7.8
8.0 7.8
8.05
8.25 
＋0.15
＋0.50   

VAZ-2101
 82314
82828
83837 0
514
1523 5.8
8.2
7.8 7.3
7.8
7.5 6.4
8.3
7.5 7.3
8.0
7.8 6.7
8.1
7.65 
＋1.40
＋0.95   

VAZ-2107
 33738
34281
35735
37716 0
543
1637
3978 10.0
10.9
10.6
10.7 10.2
11.5
10.7
10.8 10.7
11.7
10.7
10.5 9.8
11.0
10.9
11.0 10.2
11.3
10.7
10.7 
＋1.10
＋0.50
＋0.50   

VAZ-2105
 51445
52068
52928
54631 0
623
1483
3186 9.5
11.1
10.7
10.9 10.8
11.0
11.0
10.8 10.9
11.2
11.1
10.4 9.0
10.5
10.7
10.5 10.05
10.95
10.9
10.65 
＋0.90
＋0.85
＋0.60 

   측정자료에서 보다시피 전체6대 승용차의 실린더내 compression이 증가 되었고 이미
   500km주행 후 그것이 균등화되었다. (전체 승용차 평균compression=1.23kg/cm2)
   주행거리가 길어짐에 따라compression은 다소 감축되지만 그래도 첨가제『니코』를 주
   입하기 전보다는 높게 나타난다.
   Compression은 초기 compression이 9kg/ cm2이하인 엔진들에서 최대로 증가되었다.
   한 승용차는 543km주행 후 compression이 10.2kg/ cm2에서 11.3kg/ cm2로 증가하였다.
   승용차 소유자들의 주관적평가에 의하면 첨가제 주입후 엔진의 작동과 차의 dynamic이
   원활해졌다.
   총체적으로 첨가제『니코』는 주관적으로나 객관적으로 100%의 확실성으로 자동차의
   엔진에 긍정적인 영향을 미쳤다.
   500km주행 이후 compression이 떨어지는 원인은 첨가제『니코』의 분말 농도가 불충
   분한데 기인할 수 있다.
   실험실 자료에 의하면『니코』의 분말농도는 윤활시스템의 용량에 따라서 0.15% 내지
   0.20%까지 가능하다고 한다.
   실험에 사용한『니코』의 분말농도는 0.10%였다.

6. 결론

6.1 자동차용 첨가제『니코』의 실험실 시험 결과는 분말이 엔진의 오일 필터를 통과할수
   있음을 보여 주었다.
   Point contact 마찰시 첨가제『니코』는 오일의 윤활 성능에 영향을 미치지 않는다.

6.2 VAZ-엔진을 가지고 진행한 스탠드시험은 첨가제『니코』가 엔진오일의 세척성, 분산
   성능을 거의 악화시키지 않는 한편, 엔진내에서 가장 많이 마찰이 발생하는 부분인
   detail들의 마모는 대폭 감소시킨다는 것을 보여주었다.

6.3 승용차에 직접 주입하여 진행한 operational test에서는 첨가제『니코』가 실린더내
   compression을 증가시키고 엔진의 작동을 원활하게 해준다는 것을 보여주었다.

7. 맺는말

7.1 자동차용 첨가제『니코』는 엔진세부의 마모 감소용 및 엔진성능 회복용 수단으로서
   VAZ 엔진에의 이용이 허용된다.

7.2 첨가제의 유효기간 연장을 위하여 첨가제 분말농도를 0.15%~0.18%까지 높일 것이
   권고된다.

Head of engine diagnostics department        V.L. Mochalov(모찰로프)
( 엔진부장)
Head of POL laboratory                       V.P. Dorfman(도르프만)
(윤활유 실험실장)
Design engineer                              A.V. Klimenko
   (설계기사)

( 부 록 )

   엔진오일 M-63 / 12 Г1 + 첨가제『니코』의 bench 시험 후
   엔진 VAZ-2106 No. 0048328  (사용된 휘발유 : Ethylater gasoline AИ-93)의 검사서

   엔진 검사결과는 다음과 같다.
  1. 엔진세부(밸브cover, 캠축동체, PM cover, lower crankcase 스프링 쪽 실린더헤드)에는
    침적물이 없다.
2. 실린더 block :
 2.1 연소실은 황.회색에서 흑색에 이르는 ash, carbon 침적물로 덮여 있다.
    ash 침적물       - 50% (두께 0.4mm)
    ash 침적물       - 30% (두께 0.4mm이하)
    carbon침적물     - 25% (두께 0.4mm이하)
   2.2 흡입,배출 밸브 seat들은 100%흑색 와니스로 뒤덮였고 곳에따라 그을음이 끼었으며
      점부식이나 blister현상은 없다.
  3. 흡입, 배출 밸브의 스핀들의 마찰부위는 깨끗하며 작동하지 않은 밸브의 표면은 100%
  가 와니스와 카본으로 뒤덮였다. 밸브의 일반 상태는 상당히 양호하다.
4. 오일시스템
  oil drainage net에는 침적물이 없다.
5. 피스톤
 5.1 피스톤 링은 모두 자체 중량에 의하여 움직인다. Oil-controlling hole은 1% 막혀있다.
 5.2 피스톤 헤드는 흑색에서 갈색에 이르는 카본 및 와니스로 덮여 있다.
        ash 침적물             -15% (두께 0.4mm이하)
        와니스 침적물          -45%
        깨끗한 표면            -40%
 5.3 Link 1은 5% 얇고 부드러운 침적물로, 95%는 갈색 와니스로 덮여있다.
 5.4 Link 2는 온통 황갈색 와니스로 덮여있다.
 5.5 Groove 1은 70%가 흑색의 얇고 부드러운 침적물로, 30%는 연갈색 와니스로
    덮여있다.
 5.6 Groove 2는 40%가 흑색의 얇고 부드러운 침적물로, 60%는 연갈색 와니스로
    덮여있다.
   5.7 Groove 3은 온통 황갈색 와니스 침적물로 덮여있다.
   5.8 피스톤 bottom들은 잘고 가는 줄들이 생기고 마찰된 흔적이 보이며 표면의 5%가
      연갈색 와니스 침적물로 덮여 있다.

6. 실린더
  작동표면의 상태는 양호하다.
  작동표면에는 와니스 침적물이 있다. 그중 60%는 황색, 10%는 갈색이고 나머지 30%는
  깨끗하다.
7. crankshaft bearing bushing 및 crankpin bushing의 상태는 양호하다.
8. crankshaft의 상태도 양호하다.
9. Camshaft 상태    – 양호함
10. Valve lever 상태  – 양호함
11. 엔진의 일반상태 – 양호함

On behalf of VAZ                On behalf of Republican Engineering Cneter of Ural
                             Department of USSR Academy of Sciences

Head of POL laboratory          Senior engineer ОУДП
V.P. Dorfman                                            Z.G. Amigud
Engineer of POL laboratory
        A.V. Klimenko
Leading engineer of НИЛ-9 ТПИ
        V.P. Sizov
Engineer of МНТЦ center
        S. Akimova

VAZ-2106형 엔진 세부의 평가 결과

 
내      용      명 M-63 / 12 Г1 M-63 / 12 Г1 +『니코』   
valve cover 에의침적물  0.0 0.0   
camshaft 동체   0.0 0.0   
스프링쪽 실린더 헤드   0.0 0.0   
PM 헤드   0.0 0.0   
lower crankcase   0.0 0.0   
oil drainage 의막힘  0.0 0.0   
oil-control ring   1.0 0.0   
냉(cold)상태에서의 피스톤 링의 이동성 손실 1.5 0.2   
피스톤 bottom 에의침적물평균치  0.0 0.2   
link 1   0.3 0.3   
link 2   0.3 0.3   
groove 1   0.4 0.8   
groove 2   0.2 0.4   
groove 3   0.2 0.2   
윗 피스톤링 및 부분   2.7 0.6   
피스톤의 종합적 평가, point 5.6 3.0   
K.C. 에의 침적물,     point 1.5 0.8   
실린더 벽 침적물 1.9 1.1   
밸브 lever의 평균마모 mg 1.7 0   
피스톤 링 1 의평균마모  12.4 4.8   
피스톤 링 2   12.8 8.1   
피스톤 링 3   24.8 10.6 

Ministry of Automobile and Agricultural Machine Building Industry of the USSR

VOLZHSKOYE OB’EDINENIE FOR PRODUCTION OF MOTOR CARS

USSR 50-ANNIVERSARY VOLZHSKY AUTOMOBILE PLANT

결   론

Bench operational test의 긍정적 결과에 의하여 자동차용 첨가제『니코』는
마모된 엔진의 재생 및 엔진 세부마모감소용 첨가제로서 VAZ엔진에 사용이 권장된다.
이 첨가제는 차의 출고 후 2만km 주행 후 (VAZ-2108형 승용차에 한해서는 3만km
주행후), 즉 품질보증거리 주행 완료 후 사용하는 것이 권장된다.
(역주, VAZ는『볼가자동차공장)의 약어임)
 

  Chief engine designer                      M.A. Korzhov

  Head of POL laboratory                    V.P. Dorfman

Official round seal : Volzhskoye ob’ edinenie for production of motor cars.
Scientific-Technical Center. City of Tolyatti

[[서울] 다간다]

엔진의 노후화로 고민되시는 분들은 한번 읽어보세요. 카니발의 경우도 나노구리-니켈 첨가제가 매우 유용합니다. 운영자중 한분이 오늘 저에게 들르셔서 필요한 자료 올려놓습니다. 좋은 효과 보시길...... 20만에 보링하기는 아깝죠. 50만은 타야죠.