Transcript 승용디젤엔진오일

자동차 윤활유 연구개발 동향
(Fuel Economy)
현대· 기아 연구개발본부
윤활 W/Group
유성춘/배대윤
목
차
1. 자동차 윤활유의 동향
2. 연구개발 방향
3. 엔진오일
4. 변속기유
5. 승인제도
1. 자동차 윤활유의 동향
√ Co2 저감
- 연비향상
√ 교환주기 증대
- Cost of Ownership 대응
- 폐유 저감
Passenger
cars
1995
2003
2009
Long-haul
trucks
2009
0
10
20
30
40
50
60
평균엔진오일교환주기 (kkm=1000km)
√ 환경규제 대응
- Low SAPS 엔진오일
70
1-1 CO2 저감
□ 전세계 연비규제 강화
- DI 엔진(>45mpg), Hybrid(>70mpg)
- CO2 30g/km 대응을 위해 Power train은 Hybrid → EV → Fuel Cell 순으로 발전
국내
□ 2012
: 29 → 34mpg
(12.4→14.3km/ℓ;1600cc 이상)
□ 고유가
- 1015년 $100 이상
북미
□ 2016
: 25 → 35mpg
유럽
□ ~2015(CO2 120g/km)
: 58mpg(디젤), 52mpg(가솔린)
□ 2015~(CO2 30g/km)
1-2 교환주기 증대
□ 소비자 보유비용 절감
1)15,000km → 30,000km 증대시 €870.9 절감(10만km 주행시)
- 관련부품간 교환주기 일치
2) 연비 개선으로 유류비 절감 효과
▷ 보유비용 (CoO : Cost of Ownership)
1) 차량 운행시 발생되는 비용을 지표화 한 것으로 소비자가 지불하게 되는 각종 경비
- 보험료, 세금, 유류비용과 차량의 감가 상각비등
2) 유럽의 잡지사와 자동차 협회 등에서 소비자에 정보 제공 목적으로 평가 및 발표
정기
세금 점검
3~8 2~8%
%
보험료
11~15%
유류비
11~25%
감가상각비
39~53%
1-3 환경규제 대응
□ 배기가스 규제 강화 (NOX 및 PM 저감)
00
일본
Emission
(Gasoline)
01
02
03
04
New Short Term
(Diesel)
New Short Term
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
New Long Term
Post New Long Term
New Long Term
Post New Long Term
18
19
20
21
2010 FE (Gasoline)
Fuel Economy
2015 All Passenger Cars
2005 FE (Diesel)
유럽
Euro 3
Emission
Emission
Euro 5a/5b
CO2 120g/km
Fuel Economy
북미
Euro 4
Tier 1
Fuel Economy
Euro 6
CO2 120g/km
Tier 2
CAFE (27.5mpg)
CAFE (35mpg by 2020 MY)
▷ 배기가스 후처리 장치 장착 → Low SAPS 엔진오일
- 후처리 장치 : EGR + DPF + SCR
- HKMC 엔진오일
가솔린
ILSAC GF-4 /API SM
승용디젤
w/o DPF : API CI-4
with DPF : ACEA C3
대형디젤
W/O DPF : API CI-4
W DPF : ACEA E6, DH-2
2. 연구개발 방향
□ 엔진오일
1) 연비향상
: 저점도화 및 Valve Train계, Piston-Cylinder윤활에서의 마찰저감
2) 환경규제 대응
: 촉매 피독저감, 오일소모 저감
3) 내구성 향상
: 엔진 다운 사이즈, DI 연소방식에 의한 오일 열화 증가 대응
4) 대체연료 대응
: Bio Fuel 적합성
□ 변속기유
1) 연비향상
: 저점도화 및 동력전달 효율 향상
2) 변속성능 향상
: 변속부품의 상대 재질에 따른 마찰특성 연구
[씽크로나이저링, 다판클러치, 벨트-풀리]
3) 내구성 향상
: 기어 Pitting 방지 및 베어링 수명 연장
□ 평가방법
1) 실차와 상응하는 대상내구 평가
2-1 윤활유 연비 향상 방안
마찰/유체저항 저감
유체저항 저감/
동력전달효율 향상
마찰조정제 : 경계윤활 영역에서의 마찰조정
□ 엔진유 : 마찰계수 저감
- Vave Train,
- 피스톤 상, 하사점
Friction Modifier film
Oxide layer
Metal surface
□ 변속기유 : 적정 마찰 유지
- ATF : 클러치 마찰계수↑
- CVT : 밸트-풀리 마찰계수↑
저점도화 : 유체윤활 영역에서의 유체저항 감소
□ 습동부 유체 Drag Force 저감
- 엔진 : 피스톤, 베어링
- 변속기 : 기어, 유압펌프
□ 신규 시스템 적용 증대
→ 내구성 저하
- 배기가스/연료유 함량/Soot↑
: 열화촉진
- DLC등 신표면처리기술 도입
: 첨가제 효율 저하
□ 연료유의 다양화
→ 점도/산화안정성저하
극복
연비향상
극복
- 바이오 연료유 사용 증가
: Soot 및 연료유 혼입↑
3. 엔진오일
■ 엔진마찰 분배율
100
엔진마찰
13%
분배율(%)
80
배기계
33%
냉각계
29%
60
40
20
25%
0
500
브레이크
차량 System별 열량 배분
Pumping + 압축일
Valve Train
보기류
Piston Ass'y
Crank Shaft + O/P
1500
2500
3500
ENG. Speed(rpm)
Slipper follower Engine의 마찰분배율
■ Slipper follower Engine의 마찰
저속영역 : Valve Train계의 마찰력 증가
고속영역 : Valve Train계의 마찰력 감소, Piston의 마찰력 증가
3-1 엔진부품과 윤활영역
■ 윤활영역과 엔진마찰
√ 경계윤활, 혼합윤활
Valve Train
Piston, Bearing
- Valve Train
☞ 마찰조정제
마찰조정제
마찰계수
- 피스톤 상사점, 하사점
저점도화
경계윤활
고정제기유
혼합윤활
√ 혼합윤활, 유체윤활
유체윤활
EHL
- 피스톤, 베어링
점도X속도/하중
☞ 저점도화
■ Valve Train 종류별 엔진마찰저감 방안
Roller follower Engine
Slipper follower Engine
- 2000cc 이하 가솔린엔진
☞ 저점도화 + 마찰조정제
Rolle r
-3000cc 가솔린엔진, 디젤엔진
☞ 저점도화
3-2 가솔린 엔진오일 종류별 마찰시험
■ 평가용 엔진오일
엔진오일
점도등급
성능등급+FM
100℃ 동점도
HTHS
A
5W-20
GF-3
8.9
2.8
B
5W-20
GF-4+Mo
8.6
2.6
C
5W-20
GF-4+FM(ester)
8.6
2.6
D
5W-30
A5+Mo
10.2
3.2
■ SRV 마찰시험(Ball on Block)
SRV 마찰시험
- 시험조건 : 50Hz x 50N x 1mm
0.20
- 점도등급에 관계 없이
저마찰 구현
마찰계수
√ MoDTC 함유한 엔진오일
0.15
0.10
0.05
0.00
√ Ester계 FM의 경우 마찰계수는
낮아지나 MoDTC 대비 높음
0
50
100
150
온도(℃)
A
B
C
D
3-3 가솔린 엔진오일 종류별 연비시험
■ 대상 연비
1) 기준유 : 엔진오일 A
엔진오일
점도등급
성능등급+FM
A
5W-20
GF-3
B
5W-20
GF-4+Mo
- 북미 : Sequence 6 초기 연비
C
5W-20
GF-4+FM(ester)
- 유럽 : M111FE
D
5W-30
A5+Mo
2) 엔진 : 감마 1.6
3) Mode : 당사 엔진에 적합 하도록 변경
4) 결과
감마 1.6 엔진연비
- MoDTC
- Ester FM
: 북미 Mode에서 1%↑
- 북미와 유럽 Mode 비교시
: 저점도화는 유럽 Mode에서
연비 향상율(%)
: 북미/유럽 Mode에서 1%↑
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
B
C
북미 Mode
D
유럽 Mode
효과적임
■ SRV 마찰시험 : FM 종류에 따라 대상 연비 시험결과의 경향성이 일부 벗어남
■ 가솔린 엔진오일의 연비 향상 : FM 사용이 효과 적임
3-4 승용디젤 엔진오일 종류별 마찰시험
■ 평가용 엔진오일
엔진오일
A
B
C
D
E
점도등급
5W-30
5W-30
5W-30
5W-30
0W-20
성능등급+FM
C3
C3+FM1
C3+FM2
A5+Mo
C2+Mo
100℃ 동점도
HTHS
11.5
3.4
10.2
10.2
3.2
3.2
■ 마찰시험(Cylinder on Disk)
- MoDTC 사용시 마찰저감
0.14
0.14
0.12
0.12
0.12
0.10
0.10
0.10
0.08
0.06
0.08
0.06
0.04
0.04
0.02
0.02
0.00
0.00
0.01
0.1
1
10
마찰계수
0.14
마찰계수
마찰계수
마찰시험(20kgx110℃)
마찰시험(20kgx80℃)
마찰시험(20kgx30℃)
B
C
D
0.06
0.04
0.02
0.00
0.01
0.1
1
10
0.01
0.1
속도(m/S)
속도(m/S)
A
0.08
E
A
B
C
D
1
10
속도(m/S)
E
A
B
C
D
E
3-5 승용디젤 엔진오일 종류별 마찰시험
■ S엔진 Mortoring Test (기준유 : 오일A)
- 오일B(MoDTC+저점도) : 전 영역에서 마찰저감
- 오일D(Ester FM) : 저온 고속 영역에서 마찰저감
Mortoring Test(60℃)
5.0
0.0
-5.0
0
2000
4000
rpm
D
6000
Mortoring Test(90℃)
10.0
마랓저감(KPa)
10.0
마랓저감(KPa)
마랓저감(KPa)
Mortoring Test(40℃)
5.0
0.0
-5.0
0
2000
4000
6000
10.0
5.0
0.0
-5.0
0
2000
rpm
B
D
4000
rpm
B
D
B
■ MoDTC
: 마찰특성 시험 시험결과 최저 마찰계수를 구현
승용디젤 Mortoring 시험에서는 첨가제 보다는 저점도에 의한 것으로 판단
■ Ester Type FM
: 마찰특성 시험에서는 효과가 없으나 저온/고속 영역에서 마찰저감 효과가 있음.
■ 승용디젤의 경우 경계윤활 보다는 유체윤활 영역 사용 비율이 많음
=> 연비 향상의 경우 첨가제 보다는 저점도화가 효과적임
6000
3-6 DLC 코팅재질에 대한 윤활유 마찰특
성■ DLC등 신 표면처리 부품 적용 증가 추세
- 표면 처리에 적합한 윤활유 첨가제 적용 검토 필요
- H-Treat-DLC : 첨가제 종류에 따라 DLC 코팅층 마모
(MoDTC → MoO3 생성에 의해 마모 촉진)
- H-Free-DLC : 첨가제 종류에 영향성 적음
C(sp2)+C(sp3) (%)
C(sp3) (%)
sp3= 100%
sp2= 100%
Diamond
ta-C:H
ta-C
Plasma
Polymer
a-C:H
a-C:H:Me
a-C:H:X
a-C
a-C:Me
Graphite
H: 5%
H: 40%
H (atom %)
H: 80%
3-7 엔진오일 연비 향상 방안
■ 연비평가방법
SRV등 마찰특성 시험
- 저속/고부하 영역(경계윤활)에서의 마찰특성 파악이 효과적이나.
- 고속/저부하(경계-유체윤활)에서는 실제 연비와의 상관성이 저하됨.
=> 대상 및 실차 연비 평가 방법이 효율적임.
■ 마찰조정제
- MoDTC : 가솔린 엔진(Slipper Follower Type)의 경우 연비 개선 효과 크나
승용디젤(Roller Follower Type)에서는 효과가 상대적으로 적음
- 유기계 : 경계-유체 윤활영역에서 연비 효과가 있으며, 저온/고속에서 효과적임.
가솔린엔진의 경우 MoDTC와 동등한 연비 효과가 있음.
■ 신표면 처리
- DLC 종류에 따라 적절한 윤활유 첨가제 선정이 필요
- 신규 표면처리 방법에 따른 첨가제 개발이 필요
■ 엔진오일 연비 향상 방안
- 가솔린엔진오일 : 저마찰화가 효과적임.(저마찰 ≥ 저점도)
- 승용디젤엔진오일 : 저점도화가 효과적임.(저점도 > 저마찰)
4. 변속기유
■ 연비향상 방안
- 유체 윤활영역에서의 유체저항 감소
- 동력전달능력 향상 (ATF, CVT)
변속기유
방안
저점도화
동력전달능력
○
△
- 기어 내Pitting
- 클러치 마찰특성
○
○
- Belt-Pulley 마모방지
- Clamping Force 저감
- 클러치 마찰특성
○
X
- 기어 내Pitting
- 싱크로마찰특성, 변속 Noise
○
X
- 기어 내Pitting
- 싱크로마찰특성
ATF
CVTF
MTF
DCTF
(건식)
요구사항
4-1 B-CVT 동력전달능력 향상
■ 마찰특성 평가
1) 3-element Steel to Steel 마찰평가
- 기존 ATF 단판마찰시험기에 CVT element 장착
To DC Stepping Motor
Element
Friction
Steel Material
Plate Plate
Block
Steel
Running adaptor
Surface Plate
3-element
Holder
/Pin
Heating Element
100C, 3700N
Cooling Lines
Apply Pressure Load Cell
Torque Load Cell
0.16
0.3
0.12
속
0.2 도
Air Piston to Apply Pressure
(m/s)
마
찰 0.08
계
수
0.1
0.04
0
0
- 시험결과
오일
마찰 계수
0
CVTF-A
CVTF-B
ATF
0.130
0.130
0.110
R
R
R
S
S
4-2 B-CVT 동력전달능력 향상
2) LFW-1 마찰시험
LFW-1
Friction Coeff.
0.16
Steel Block
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0
0.2
0.4
0.6
Speed m/s
CVTF-1
■ CVT Rig Test
CVT Slip Torque tester
CVT controller
DC
220kW
Position setting
Oil pressure controller
CVT
DC
150kW
DC
150kW
CVTF-2
0.8
1
ATF
1.2
4-3 B-CVT 동력전달능력 향상
- 시험결과
동일 p-PullyTorque에서 Slip Ratio 저감 => Clamping Force 저감에 의한 전달효율 향상
Slip Rate Vs. Primary Torque (Ratio Switch Off / Desired Torque = 1.0)
6
8.00%
5
4
HCVTF
CVTF-1
SP-III
CVTF-2NS2
7.00%
CVTF-1
6.00%
ATF
HCVTF1
Slip Rate [%]
Slip Ratio %
<Position: Low, Oil Pressure: 15 kg/cm2>
3
2
1
CVTF-2
SP-III
5.00%
NS-2
ATF
4.00%
3.00%
2.00%
1.00%
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.00%
0
20
40
60
80
Absorbing Torque <One Side> Nm
< Slip Limit Torque >
100
120
140
160
180
Primary Torque - Tprim [Nm]
< Transition Torque >
■ 평가방법 결과검토
- LFW-1 : CVT Rig 시험결과와 상이
(평가용 시편 : 실제 CVT 재질과 재질, 표면 조도등 차이)
- 3-element steel to steel : CVT Rig 시험결과와 상관성 높음
200
220
240
260
280
5. 승인제도
■ 승인제도 도입 검토
1) 해외공장 증가에 따른 충전용 현지화 및 Global A/S유 대응
- 당사 차량에 적합한 윤활유 지역별 A/S유 선정 및 배포 → 승인제도 운용
2) Long-Life 윤활유 적용
- 승용 엔진오일(3만km/1년), 변속기유(무교환)
윤활유 인증 시스템
윤활유 인증 요청
시험평가
승인
A/S 판매
[윤활유 Maker]
[평가기관 or 당사]
[당사]
[윤활유 Maker]
■ 평가방법
- 실차조건에 상응하는 대상시험방법 개발(~'09. 10)
엔진오일
평가방법
가솔린
고온 Deposit(250h), 엔진마모(250h)
승용디젤
전부하연속내구(50hx4회), 엔진마모(250h)
CNG 엔진
실차평가(10대)
변속기유
Cycling Test
비고
실시中