연료와윤활 관련 용어

[스타나다인]

1. 개념 및 정의

1) 자동차연료공학의 개념 및 정의

연료(燃料, fuel)란 연소(燃燒)하여 에너지를 만들어 내는 물질을 말하며 내연기관(內燃機關) 자동차의 동력을 얻기 위한 동작유체(動作流體)로서 가솔린, 경유, 액화석유가스, 천연가스 등을 말한다. 이러한 연료와 관련하여 연료의 성질, 특성, 구비조건 및 연소이론 등과 관련한 이론적 지식과 학문을 연구하는 분야가 자동차연료공학(自動車燃料工學, automotive fuel engineering)이다.

내연기관을 적용한 자동차의 연료는 대부분 원유(原油)로부터 얻어지는 석유(石油)제품으로서 원유의 정제과정을 통해 완성된다. 연료의 품질은 원유의 종류에 따라 많은 차이를 보이기 때문에 정유 공장에서는 고품질의 원유를 얻기 위해 많은 노력을 하고 있으며 도입 원유의 최적처리조건을 선정하여 품질 및 경제성을 동시에 만족시키기 위해 노력한다.

연료의 효과적인 연소는 자동차의 에너지 효율을 증가시키고 이에 따라 미연소 유해물질의 감소를 가져오게 된다. 연료를 완전 연소시키는 기술의 발전은 상당한 연소기술의 진보를 만들어 내고 있으며 연료의 품질 개선은 환경보호를 위해 미국, 유럽 등의 선진국에서 지속적으로 이루어지고 있다.

2) 자동차윤활공학의 개념과 정의

윤활(潤滑, lubrication)이란 일반적으로 상대운동을 하는 고체 사이에 전단력(剪斷力)이 적은 윤활유막(潤滑油膜)을 형성하여 고체를 분리시킴으로서 표면의 손상을 방지하는 것이다. 또한 다양한 마찰(摩擦)현상으로 발생할 수 있는 여러 문제점을 보완하여 기계 부품 등의 내구성 향상 및 소음(騷音) 개선, 진동(振動) 개선, 자동차의 경우 연비(燃比) 개선에 이르기까지 여러 측면에서 매우 중요한 역할을 한다.

내연기관 자동차는 동력을 발생시키는 엔진과 발생된 동력을 전달 또는 가속, 감속을 하도록 하는 변속장치(變速裝置, transmission)를 포함한 동력 전달 계통을 비롯하여 많은 구성 부품들이 매우 다양한 환경 및 조건에서 상대운동을 하고 있다. 이러한 상대운동을 원활하게 하기 위해서는 반드시 여러 가지 형태의 윤활재가 필요하다. 최근 소형화 및 고속, 고 하중 운전조건, 운전의 편의성, 효율성 등에 대한 요구에 대응하기 위해서는 고기능의 윤활 재료 및 윤활 시스템의 개발은 필수적이며, 특히 환경과 관련한 규제가 강화되면서 다양한 요구조건을 만족시키는 윤활 재료의 개발이 매우 중요시 되고 있다. 이러한 윤활과 관련되어 자동차의 윤활 시스템을 크게 분류하며 엔진 윤활 시스템, 변속장치 윤활 시스템, 각종 기계적 구동장치의 윤활 시스템 등으로 분류할 수 있고 이러한 각 분야에 대한 학문을 연구하는 분야를 자동차윤활공학(自動車潤滑工學, automobile lubrication engineering)이라 한다.

2. 연료의 특성 및 종류

내연기관 자동차에 적용되고 있는 연료는 휘발성, 점도, 밀도, 황 함량, 유동성 및 윤활성에 이르기까지 여러 종류의 성질이 있으며 각 내연기관의 특성에 맞는 연료의 선정이 중요하다. 일반적으로 내연기관에서 사용되는 석유계 연료와 알코올계 연료의 종류와 특성을 보면 다음과 같다.

1) 가솔린

휘발유가 담긴 병가솔린은 휘발유라고도 한다.

가솔린(gasoline)은 무색의 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화성(氣化性)이 크다. 세부적 특성은 저위 발열량(低位發熱量)이 11,000~11,500kcal/㎏, 비중(比重) 0.69~0.77, 인화점(引火點) -50℃~-43℃, 착화점(着火點) 400~500℃, 증류온도(蒸溜溫度) 40~200℃이다. 이러한 가솔린의 중요한 성능으로는 엔진의 노킹(knocking)을 억제 할 수 있어야 하는 성질이 요구되며 엔진의 노킹 발생에 대한 저항을 나타내는 수치로 옥탄가(octane number)를 사용하고 있다. 가솔린에는 옥탄가를 향상시켜 노킹을 억제하기 위하여 첨가제를 넣었는데 초기의 가솔린에는 테트라에틸납(tetraethyl lead, (CH₃CH₂)₄Pb)을 첨가하여 옥탄가를 높인 유연휘발유(有鉛揮發油)를 사용하였다. 그러나 유연휘발유는 자동차 배기계통에 장착되어 있는 촉매(觸媒)장치의 손상과 납 성분의 배출로 인하여 기존 옥탄가 향상제인 테트라에틸납 대신 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether)를 대체 물질로서 첨가하며 무연휘발유(無鉛揮發油)라 부르게 되었다. 현재에는 MTBE의 환경문제가 제기되면서 에탄올을 첨가하여 옥탄가를 높이기도 한다. 이외에도 1990년대 미국에서 벤젠, 황의 함유량 등과 관련하여 개질 가솔린의 개발도 이루어졌다.

2) 경유

경유

경유(輕油, light oil, diesel fuel)는 거의 무색 또는 엷은 청색을 띠며 특유의 냄새가 나는 연료이다. 착화온도(着火溫度)가 낮아 고속 디젤기관인 디젤 자동차의 연료로 사용되고 있으며 순수 경유는 황 성분의 함량이 높아 현재 저 유황 경유나 바이오 디젤과 같은 황 함량이 적거나 없는 경유로 대체하여 디젤 자동차에 사용되고 있다.

이러한 경유의 세부적인 특성은 저위 발열량(低位 發熱量) 10,500~11,000kcal/㎏, 비중(比重) 0.84~0.89, 인화점(引火點) 45~80℃, 착화점(着火點) 340℃, 증류온도(蒸溜溫度) 250~300℃이다. 자동차용 경유의 품질은 우수한 착화성, 적당한 점도(粘度)와 휘발성, 저온 유동성(低溫 流動性) 및 윤활성 등이 우수해야 하는 성질이 요구되며 특히 세탄가의 특성이 중요시 된다.

세탄가(cetane number)는 연료의 압축착화거동의 판단기준으로 사용되며 냉시동성, 배출가스 및 연소소음 등 자동차의 성능이나 대기환경에 영향을 미치는 중요한 수치이다. 따라서 경유의 중요한 특성은 연료가 얼마나 쉽게 자발점화 하는가를 나타내주는 세탄가이다. 디젤엔진에 너무 낮은 세탄가의 연료를 사용하여 운전할 경우 디젤 노크(knock)가 발생하는데 이는 너무 빠른 연소시기 때문에 일어난다. 세탄가가 클수록 연료 분사 후 착화지연(着火遲延)이 짧아지고 소음저감과 연비를 향상시킨다. 이러한 세탄가를 증가시키기 위해 경유에 첨가하는 물질을 착화 촉진제라고 한다.

3) 액화석유가스

액화석유가스

액화석유가스(LPG, Liquefied Petroleum Gas)는 석유(石油)나 천연가스의 정제 과정에서 얻어지며 한국, 일본 등의 나라에서 수송용 연료로 점차 사용이 확대되고 있다. LPG는 프로판(propane)과 부탄(butane)이 주성분으로 이루어져 있고, 프로필렌(propylene)과 뷰틸렌(butylene) 등이 포함된 혼합가스로 상온에서 압력이 증가하면 쉽게 기화되는 특성이 있다. 국내에서 수송용으로 사용되는 LPG는 부탄을 주로 사용하나 겨울철에는 증기압(蒸氣壓)을 높여주기 위해서 프로판 함량을 증가시켜 보급한다.

LPG의 세부 특징으로는 저위 발열량(低位發熱量) 11,850~12,050kcal/㎏, 기체비중(氣體比重) 1.52이며, 다른 연료에 비해 열량이 높고 냄새나 색깔이 없으나 누설될 때 쉽게 인지하여 사고를 예방할 수 있도록 불쾌한 냄새가 나는 메르캅탄(mercaptan)류의 화학 물질을 섞어서 공급한다.

안전성 측면에서 LPG는 CNG보다 낮은 압력으로 보관하고 운반할 수 있다는 장점이 있으나 공기보다 밀도가 커서 대기 중에 누출될 경우 공중으로의 확산이 어려워 누출된 지역에 화재 및 폭발의 위험성이 있다. 또한 가솔린이나 경유에 비해 에너지 밀도가 70~75% 정도로 낮아 연료의 효율이 낮다는 단점이 있다.

4) 등유

등유

등유(燈油, kerosene)는 무색이며 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화가 어렵고 연소속도가 느리며 완전연소가 불가능하다. 세부 특성으로는 저위 발열량(低位 發熱量) 10,700~11,300kcal/㎏, 비중(比重) 0.77~0.84, 인화점(引火點) 40~70℃, 착화점(着火點) 450℃, 증류온도(蒸溜溫度) 200~250℃이다. 상온에서 위험성이 적고 난방용 연료와 등유기관 및 디젤기관의 연료로 사용된다.

5) 중유

중유

중유(重油, heavy oil)는 검정색을 띠고 특유한 냄새가 나며 점성(黏性)이 크고 유동성(流動性)이 나쁘다. 회분 성분과 황 함량이 많고 저급 중유는 벙커C유라 하여 보일러용 연료로 사용되고 있다. 세부 특징으로는 저위 발열량(低位 發熱量) 10,000~10,500kcal/㎏, 비중(比重) 0.84~0.99, 인화점(引火點) 50~90℃, 착화점(着火點) 400℃, 증류온도(蒸溜溫度) 300~350℃이다.

6) 제트연료

제트연료(jet fuel)의 특성은 등유와 비슷하나 온도가 낮은 고공(高空)에서 연료를 분사시켜 연소시키므로 응고점(凝固點)이 -60℃로 낮고 비중도 낮으며 발열량이 크다는 특징이 있다. 램제트(ramjet)기관과 펄스제트(pulse jet)기관에 사용된다.

7) 메틸알코올

메틸알코올(methyl alcohol)은 메탄올(methanol)이라고 하며 목재의 타르(tar)를 분류하면 생성되어 목정(木精)이라고도 한다. 현재에는 원유에서 정제하여 제조하고 있으며 세부 특성으로는 저위 발열량(低位 發熱量) 4,700kcal/㎏, 비중(比重) 0.8, 인화점(引火點) 9~12℃, 착화점(着火點) 470℃, 비등점(沸騰點) 64℃이며, 빙점(氷點)은 -97.8℃이다. 또한 메탄올은 알루미늄(aluminum) 금속을 부식시키는 성질이 있다.

8) 에틸알코올

에틸알코올(ethyl alcohol)은 곡물류를 발효시켜 정제한 것으로 주정(酒精)이라고도 한다. 또한 원유에서 정제하여 얻은 공업용 알코올을 에탄올(ethanol)이라 하며 세부 특성은 저위 발열량(低位 發熱量) 6,400kcal/㎏, 비중(比重) 0.8, 인화점(引火點) 9~13℃, 착화점(着火點) 423℃, 비등점(沸騰點) 78℃, 빙점(氷點) -130℃이고 메탄올과 마찬가지로 알루미늄 금속을 부식시키는 성질이 있다.

3. 자동차 윤활이론

내연기관은 왕복운동하는 부분과 회전하는 부분이 많기 때문에 윤활유와 윤활장치가 필요하며 윤활유는 일반적으로 점성(黏性), 유성(油性), 유동점(流動點), 점도지수(粘度指數), 탄화성(炭化性), 산화안정도(酸化安定度), 안정성(安定性), 기포성(氣泡性) 등의 기본적인 성질이 있으며 이러한 윤활유의 성질은 윤활유 첨가제에 의해 향상될 수 있다. 다음은 윤활유의 기본적인 작용과 내연기관의 윤활장치를 설명한다.

1) 윤활 작용

윤활 작용이란 고체 마찰 시 마찰계수(摩擦係數)가 커져 마모 등의 문제가 발생할 수 있는 마찰 면에 점성 유체를 주입하여 유체마찰로 바꾸어 마찰계수를 감소시키는 것을 말한다. 마찰계수를 감소시킨다고 하여 감마(reduce friction) 작용이라고도 한다. 즉 마찰 면에 점성유체를 주입하면 마찰 면에 유막(oil film)이 형성되고 유막이 중간에서 마찰 면을 분리하게 되어 점성마찰이 이루어지면 마찰계수가 감소한다.

2) 냉각 작용

냉각 작용은 마찰 면에서 발생하는 마찰열을 제거하는 작용이다. 내연기관에서 윤활유는 순환하며 마찰 면 또는 기관에서 발생한 열을 냉각시키는 작용을 한다. 윤활유의 순환과정은 윤활유실⟶윤활유 펌프⟶윤활유 여과기⟶마찰 면⟶윤활유실의 순서로 순환하며 마찰 면에 있는 열을 흡수하여 냉각시킨다. 이러한 작용을 윤활유의 냉각작용이라 한다.

3) 청정 작용

청정 작용은 금속과 금속이 마찰하여 발생한 금속 분말이나 불순물 등을 제거하는 작용이다. 이러한 금속 분말 또는 불순물 등이 마찰 면에 남아 있으면 마모가 급속도로 진행되며 내구성 등의 측면에서 매우 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 이러한 불순물 등을 제거해야 하며 윤활유가 순환하면서 오일 필터에 흡착시키거나 윤활유 탱크에서 침전시켜 청정도를 유지하는 작용을 윤활유의 청정작용이라 한다.

4) 기밀 작용

기밀 작용은 실린더와 피스톤 링 사이에 압축가스나 연소가스가 누설되는데, 이 가스의 누설을 유막에 의하여 막는 작용을 말한다. 즉 윤활유가 공급되어 실린더와 피스톤링 사이에 유막이 형성되므로 실린더 내의 가스를 밀폐시킬 수 있다.

5) 방청 작용

방청 작용은 산소와 기타 물질로 인한 부식을 방지하는 작용을 말한다. 즉 윤활유가 급유되면 유막이 형성되어 산소의 침입을 차단하므로 산화를 방지할 수 있다.

6) 소음방지 작용(응력분산 작용)

엔진의 구동 부품들의 작동 시 운동 부분에 충돌 음이 발생하는데, 이러한 운동부에 윤활유를 급유하면 유막이 형성되어 집중응력을 분산시키고, 금속 면에 닿는 충돌음을 흡수하여 소음을 적게 하는 작용을 소음방지 작용이라 한다.

4. 자동차 연료계통

일반적으로 자동차의 연료계통은 연료가 연료 탱크에서 출발하여 연료 여과기를 거쳐 연소실까지 들어가는 연료의 이동경로를 말하며 크게 가솔린기관과 디젤기관 연료계통으로 구분할 수 있다.

1) 가솔린기관의 연료계통

가솔린기관의 연료계통은 연료 탱크, 연료 펌프, 연료 여과기, 연료 파이프, 연료 분사장치, 리턴 라인 등으로 구성되며 분사된 연료가 흡기 라인 또는 연소실에 직접 분사된다. 연소에 필요한 연료량을 컴퓨터가 계산하고 연료 분사장치에 의해서 정밀제어 하여 분사시키는 구조이다.

2) 디젤기관의 연료계통

디젤기관의 연료계통으로는 연료 탱크, 연료 여과기, 공급 펌프, 분사 펌프, 연료 분사노즐 등으로 구성되며 연료 분사의 3요건(무화, 관통, 분포)에 만족할 수 있도록 고압의 압력을 형성하여 분사시킨다. 또한 CRDI(Common Rail Direct Injection)타입의 디젤 자동차는 초고압 분사를 통하여 연비 향상, 출력 증가 및 유해 배기가스 저감을 이루기 위해 저압 및 고압펌프가 각각 설치되고 연료분사장치 또한 흡입공기량에 맞추어 정밀제어하여 디젤기관의 효율적인 연소를 돕는다.

5. 자동차 윤활방법

내연기관의 운동은 대부분 회전운동과 왕복운동으로 이루어져 있다. 이러한 운동부분에 윤활유가 공급되어 마찰의 감소 및 작동 상태의 원활한 성능을 유지하게 된다. 이러한 기관의 윤활방식에는 크게 비산식, 압송식, 비산 압송식, 혼기식, 중력식으로 구분 할 수 있으며 각각의 특징은 다음과 같다.

1) 비산식

비산식은 비산 주유식이라고도 하며 윤활유실에 일정량의 윤활유를 넣고 크랭크축의 회전운동에 따라 오일디퍼의 회전에 의하여 윤활유실의 윤활유를 비산시켜 기관의 하부를 윤활시키는 방식을 말한다.

2) 압송식

압송식은 강제주유식이라고도 하며 윤활유 펌프를 설치하여 펌프의 압송에 따라 윤활유를 강제 급유, 윤활하는 방식을 말한다. 이 방식은 펌프의 압력을 이용하여 일정한 유압을 유지시켜 기관 내부를 순환하며 윤활하는 방식이며 오일압력을 제어하는 장치들과 유량계 등이 적용되어 있다.

3) 비산 압송식

비산 압송식은 비산식과 압송식을 동시에 적용하는 윤활방식을 말하며 자동차기관의 윤활방식은 대부분 여기에 속한다. 크랭크축의 회전운동으로 오일 디퍼를 사용하여 기관의 하부에 해당하는 크랭크 저널 및 커넥팅로드 등의 부위에 윤활유를 비산하여 윤활 시키며 또한 별도의 오일펌프를 장착하여 윤활유를 압송시켜 기관의 실린더 헤드에 있는 캠축이나 밸브계통 등에 윤활작용을 한다.

4) 혼기식

혼기식은 혼기 주유식이라고도 하며 연료에 윤활유를 15~20:1의 비율로 혼합하여 연료와 함께 연소실로 보내는 방법이다. 주로 소형 2사이클 가솔린기관에 적용하며 기관의 중량을 줄이고 소형으로 제작할 경우 채택하는 윤활방식이다.

연료와 윤활유가 혼합되어 연소실로 보내질 때 연료와 윤활유의 비중 차이에 의해 윤활유는 기관의 각 윤활부로 흡착하여 윤활하고 연료는 연소실로 들어가 연소하는 방식으로 일부 윤활유는 연소에 의해 소비가 이루어진다. 따라서 혼기식은 윤활유를 지속적으로 점검, 보충하여 사용해야 한다는 단점이 있다.

5) 중력식

중력식은 중력 주유식이라고도 하며 석유기관에서 실린더에 주유공을 설치하고 주유공 위에 윤활유 탱크를 설치하여 중력의 힘으로 윤활유를 공급하는 방식이다. 즉 주유공 위에 설치된 밸브에 의해서 기관이 운전될 때 중력의 힘으로 윤활유가 조금씩 실린더 내로 흘러 들어가는 타입으로 이동형 기관에는 적합하지 않고 정치용 기관에 적용하고 있다.

6. 주요 용어 및 관련 직업군

1) 주요 용어

• 내연기관(內燃機關): 연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관이다.
• 전단력(剪斷力): 재료 내의 서로 접근한 두 평행면에 크기는 같으나 반대 방향으로 작용하는 힘이다.
• 옥탄가(octane number): 휘발유의 노킹 억제 수치로 이소옥탄(iso-octane)의 옥탄가를 100으로 노말헵탄(n-heptane)의 옥탄가를 0으로 정한 후, 휘발유 같은 안티 노크성을 갖는 표준연료(이소옥탄과 노말헵탄의 혼합물)에 함유된 이소옥탄의 부피를 %로 표시한다.
• 저위 발열량(低位 發熱量): 연료 중에 포함되어 있는 수증기의 증발잠열(열량)을 고려하지 않은 열량을 의미한다.
• 기화성(氣化性): 액체가 기체로 변하는 정도를 말한다.
• 비중(比重): 어떤 물질의 질량과 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율을 의미한다.
• 인화점(引火點): 연료를 서서히 가열하면 증기가 발생되며 공기와 혼합되는데, 가연 한계(limit of inflammability) 이내이면 불꽃에 의해 인화되며, 인화될 때 가장 낮은 온도를 말한다.
• 증류온도(蒸溜溫度): 액체 혼합물을 각 성분의 휘발도의 차이를 이용하여 각각의 성분으로 분리하는 조작온도이다.
• 연비(燃比): 연료 소비율 즉, 자동차의 주행에 따라 소비되는 연료의 양을 말한다.
• 촉매(觸媒)장치: 화학 반응에 참여하여 반응 속도를 변화시키지만 그 자신은 반응 전후에 원래대로 남는 물질이다.
• MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether): 이소부틸렌(iso-butylene) 형태의 올레핀과 메탄올을 반응시켜 생산되는 화합물이다.
• 착화온도(着火溫度): 연료를 공기 또는 산소와 함께 가열했을 때 일정 온도에서 점화를 하지 않아도 연소하기 시작하는 온도를 의미한다.
• 점도(粘度): 유체의 내부마찰력, 즉 유체가 다른 부분에 대하여 운동할 때 받는 저항력을 말한다.
• 저온 유동성(低溫 流動性): 낮은 온도에서의 유동성을 의미한다.
• 세탄가(cetane number): 디젤기관의 착화성을 정량적(定量的)으로 나타내는 데 이용되는 수치로서 이 값이 클수록 디젤 노크(diesel knock)가 발생하지 않는다.
• 착화지연(着火遲延): 디젤기관에서 압축된 고온 공기 속에 연료를 내뿜더라도 곧 점화하지 않고 폭발하기까지 다소 시간이 걸리는 것을 말한다.
• 증기압(蒸氣壓): 액체 또는 고체에서 증발하는 압력을 의미한다.
• 메르캅탄(Mercaptan): 악취 나는 유기 황 화합물, 도시가스 착취제이다.
• 응고점(凝固點): 어떤 물질이 용액 상태와 고체 상태로서 공존하여 평형을 유지하고 있는 온도이다.
• 유성(油性): 오일이 금속의 마찰 면에 오일 막(유막)을 형성하는 성질 또는 부착하는 성질이다.
• 점도지수(粘度指數): 온도 변화에 따른 윤활유의 점성률(점도) 변화를 표시하는 지수이다.
• 탄화성(炭化性): 탄소와 화합하는 성질을 말한다.
• 산화안정도(酸化安定度): 석유제품의 항 산화성을 말한다.
• 기포성(氣泡性): 액체 내의 기체(기포)가 발생하는 성질을 의미한다.
• 마찰계수(摩擦係數): 수직항력과 마찰력의 비례관계를 주는 수치. 맞닿은 두 표면 사이의 마찰 정도를 뜻한다.
• 응력: 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력을 의미한다.

[네이버 지식백과] 자동차연료/윤활공학 [Automotive Fuel Engineering/Automobile Lubrication Engineering] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)

[스피드왜건]

공부가 됩니다^^ 좋은 정보 감사 합니다~~~
오늘 너무 추운데요, 감기 조심하세요

[seatrain]

좋은 정보 감사합니다.
전부를 이해할수는 없으나 어느 정도 의문과 궁금했던 부분을 조금은 이해할 수 있었습니다.