Soot가 디젤엔진오일에 미치는 영향 2007. 9. 14 S-Oil R&D Lube Section 박기수*, 정도곤

목 차 Introduction Soot 개요와 영향 Soot Concern & Control Soot 측정법 목 차 Introduction Soot 개요와 영향 Soot Concern & Control Soot 측정법 Soot와 점도증가 & 마모 사례 Summary

Introduction 배기가스 규제강화 엔진오일의 Soot control 요구조건 Soot가 엔진에 미치는 영향 이해 EGR 장착 등에 따른 Soot 발생 증가 배기가스 후처리 장치의 한계 엔진오일의 Soot control 요구조건 엔진오일 규격에 Soot Control 조건 강화 Soot가 엔진에 미치는 영향 이해 정확한 Soot 함량 측정 Soot가 엔진과 엔진오일에 미치는 영향 파악

Soot 개요 Soot 란 디젤 엔진에서의 Soot 연료의 불완전 연소생성물로서 Dark Powdery Deposit 산소가 충분하지 못한 상황에서 생성 Sticky하여 쉽게 달라붙거나 침적됨 디젤 엔진에서의 Soot 연소과정에서 생성되어 Crankcase로 유입 Mainly - 실린더 라이너에 축적된 후 피스톤링의 Scraped Down Partly - 연소가스의 Blow-by에 의해 탄소가 98%이고 near spherical shape Size: 초기 생성 때는 10~50nm이고 서로 달라 붙어 large Particle로 되는 경향이 있음

Soot 개요 Soot의 생성 Mechanism - 연속적인 몇 개의 화학반응을 거치는 Complex Process Fuel-pyrolysis : Fuel 분자가 다양한 Fragment로 Break down Pre-soot chain :라디칼이 새로운 구조를 형성하고 Precursors가 중합되어 Large Pre-soot을 형성 Soot-inception : Pre-soot chain이 모여 Hydrogen-rich spheres 형성 Soot-growth : Hydrogen을 Diffusion을 통해 방출하고 몇 개가 모여 Solids를 형성 완전연소 구간에서는 Soot가 Break down되어 CO2, H2O로 전환 불완전연소 구간에서 Soot가 형성됨

Soot 개요 Soot의 Size 분포

Soot 영향 Soot의 생성원인 디젤 엔진오일의 Soot 함량 측정은 엔진의 연소효율을 판단하는 훌륭한 수단 Improper Air to Fuel Ratio Others Injector Adjustment Incorrect Improper Equipment Operation Clogged Air Filters Poor Fuel Quality Defective Injector Stuck Rings …… 디젤 엔진오일의 Soot 함량 측정은 엔진의 연소효율을 판단하는 훌륭한 수단

Soot 영향 Soot가 미치는 영향 Viscosity 증가 Oil Flow 제한 High Engine Temperature Clogged Filters Lacquer Build-up Loss of Power / Performance Oil Drain 주기 단축 Engine Life May be Shortened ..… Soot의 영향은 Soot의 조성, 생성원인에 의해 달라지고 엔진의 종류나 적용에 따라서도 달라짐

Soot 영향 Soot 영향 Mechanism Effect Mechanism Viscosity 증가 Soot 입자의 Colloidal Suspension Deposit & Oil Flow Blocking Soot deposit와 Sludge가 Oil 통로를 막음, 점도 증가 Dispersancy 저하 흡착을 통한 분산제 제거 내마모성 저하 흡착을 통한 내마모제 제거 Sludge 생성 Soot와 Sludge 입자의 엉김 Filter 막힘 Soot 입자 제거물, Filter 흡착

Soot 영향 엔진에서의 Soot 영향

U.S. Emission Standard (Heavy-Duty Vehicle) Soot Concern Soot의 중요성은 엔진 배기가스 규제 강화 U.S. Emission Standard (Heavy-Duty Vehicle)

Soot Concern EGR 적용 보편화 Exhaust Gas Recirculation NOx 저감방안 한번 연소된 가스를 연소실로 재순환시켜 다시 연소시키는 시스템

Soot Concern NOx와 PM의 “Trade-off” EGR 장착에 따라 NOx는 저감되나 PM이 증가하게 됨

Soot Concern PM (Particulate Matters) PM의 정의 (미국 CARB) “ 51.7℃ 이하의 공기로 희석되어 필터에 포집된 자동차 배출 성분 중 응축수분을 제외한 모든 배출 성분(Dust, Soot, Mist)” PM 구성 - SOL (Solid Fraction, 대부분이 Carbon 즉, Soot 임), - SOF (Soluble Organic Fraction), - SO4 (Sulfate Particles) < PM 구성 비율 >

Soot Concern Soot은 어디로? 엔진오일의 Soot Control 요구 성능 배기규제에 따라 공기 중 방출 제한 차량 후처리 장치에서 제거 나머지는 Oil로 흡수 “Trash-Can” 엔진오일의 Soot Control 요구 성능 엔진제조업체는 Soot이 엔진고장의 주원인으로 파악 분산제를 통한 Soot Control 성능 향상 필요

Soot Control Increased Soot Control Capability Viscosity Wear Control Mack T-11 Mack T-10 Mack T-8E Wear Control Cummins M11 EGR Cummins M11 HST Cummins M11

Soot Control 분산제 역할 : Soot 입자를 미세하게 나누어진 상태로 유지하고, 기계의 표면에 접촉하지 못하게 함 Soot 입자는 Van der Waals type의 힘에 의해 서로 잡아당겨서 큰 입자로 뭉쳐서 시스템의 위험요소가 됨

Soot Control 분산제의 성능에 따라 점도증가 효과가 크게 차이남 동점도(Mack T8E)증가 10 20 30 40 10 20 30 40 50 60 100 200 300 400 500 동점도 KV 100℃ Hours CH-4 분산제 기술 CI-4 분산제 기술

Soot 측정법 시험법 이용장비 비고 TGA법 Thermogravimetric Analyzer 많이 사용 FT-IR법 Fourier Transformed Infrared Analyzer 사용 증가 Insoluble법 고속 Centrifuge - LEM법 Light Extinction Measurement Botter법 Chromatography Paper 정량곤란

Soot 측정법 TGA법 시료를 질소분위기로 650℃까지 올린 후 산소분위기로 바꾸고 다시 750℃ 까지 올린 후, 산소분위기로 바꾸고 다시 750℃ 까지 올린 후, 산소분위기에서의 무게감량을 측정 Soot는 질소분위기에선 증발하지 않고 산소분위기에서 산화되는 원리 이용 ASTM D-5967에 규정 (Appendix 4)

Soot 측정법 FT-IR법 Soot는 적외선에너지를 흡수하여 Broadband change 발생 즉, Baseline shift를 이용하여 측정 2000 wavenumber region에서는 오일의 다른 Peak의 영향을 받지 않으므로, 대개 이 영역에서 측정, On-site 측정가능 DIN-51452에 규정

Soot 측정법 Insouble법 LEM법 Botter법 Soot 입자는 미세하기 때문에 회전속도도 높아야 하고 용매 주입을 계속 하여 반복시험 실시 (rpm 10,000∼20,000, 용매 : 펜탄 or 헥산) LEM법 가시광선이나 근적외선 영역의 빛을 시료에 주사하여 시료에 의해 빛이 어두워지는 정도를 평가 Botter법 크로마토그래피 종이에 시료를 한두방울 떨어뜨린 후 분리되는 불용분을 관찰, 정량분석은 어려움

Soot와 점도증가 Soot의 점도 Thickening Effect는 매우 높음 Soot의 점도 Thickening 이론 Not Clear till now Soot 입자는 Agglomeration되고 Colloidal Suspension Colloidal aggregates의 gelation이 thickening 원인 점도증가는 Soot의 함량, size에 비례 Soot의 함량은 weight보다는 effective volume에 더 영향 Effective volume은 Soot의 Shape와 관련 (Sphere가 1 일 때 Diesel soot은 5~6 정도로 커짐)

Soot와 점도증가 <출처 : SAE 971693> <Base Oil 별 점도변화 >

Soot와 마모 Soot와 마모 마모관련 이론 Soot 함량과 항상 비례적이지는 않음 Soot함량 보다는 분산성과 관련 Chemical Effect on Antiwear Additive Soot 입자에 의한 Abrasion 마찰면에서의 윤활유 흐름의 방해에 의한 윤활유 부족에 의한 마모

Soot와 마모 윤활영역에 따른 마모 경향 유체윤활 / 혼합윤활 영역 경계윤활 영역 Soot에 의한 점도 증가로 윤활막의 Bearing 능력이 강해짐 Soot 입자에 의한 Abrasive 마모 증가 경계윤활 영역 Soot에 의한 점도증가는 윤활막을 형성하는 시간을 늦추기 때문에 Adhesive 마모가 증가 Soot 입자에 의한 Abrasive 마모도 증가 경계윤활이며 Highly Transient Load Condition Valve Train은 유체윤활의 베어링보다 Soot에 의한 마모 영향을 크게 받음

Soot 관리규격 Soot 함량 관리규격에 대한 명확한 규정 없음 Soot 관련 자료 첨가제사 자동차 제조사 USA Patent 5549393 : 0.5~4% 관련저널 : Warning 4%, Critical 6% for EGR 첨가제사 규격 변동에 따른 요구 성능까지 Control 되게 첨가제 공급 자동차 제조사 GM이 발표한 UEIL Congress Report : 4% 이하 국내 : Normal 1~3%, Critical 4~5% 이하

사례 1 CF급 디젤 엔진오일 - 엔진 내구시험 엔진 내구 시험 중 엔진오일의 과도한 점도 증가 현상 발생 엔진시험 조건 2,500cc 디젤엔진, 3800 rpm Full Throttle, 오일온도 130℃, 50시간(10,000 km 주행량) 엔진오일 구분 CF급 1 (*) CF급 2 시험엔진 2,500cc 상용 2,500cc 승용 EGR 유무 EGR장착 EGR 없음 점도비(@40℃) 3.50 1.57 2.08 Fe 마모량 110 ppm 41 ppm 51 ppm Soot 함량 9.0 % 3.9 % 5.8 % (*) CF급 1은 동일 제품, CF급 2는 다른 제품

사례 1 결과 검토 엔진 및 엔진운전 조건(EGR율 등)이 정상적이지 못할 때, 과도한 Soot의 유입으로 점도가 크게 증가하고 마모가 많아짐. 엔진오일 자체의 문제는 아님 - 엔진오일의 산화가 진행되지 않음 (FT-IR 결과) - TAN 증가량 적음 - Sim-Distillation의 신유, 사용유의 비점범위가 거의 동일하므로 기유의 증발도 없음

사례 2 CI-4급 디젤엔진오일 - 엔진 내구시험 Test Mode Cold start & Part load City Mode RV용 차량 엔진에 CI-4급 엔진오일로 내구시험 Cold Start & Part Load 조건에서 시간 경과에 따라 Soot가 증가 City Mode에서는 절대값이 작아 변화 확인이 어려움 엔진시험 조건이 정상적일 경우 과도한 Soot 유입은 없음 Test Mode Cold start & Part load City Mode 시험누적시간 100 1000 200 500 엔진오일 사용시간 50 Soot 함량 0.9% 2.36% 0.6% 0.7%

사례 3 실제 운행 차량 사용유 분석 차 량 국산 RV차량 1 국산 RV차량 2 차량 주행거리, km 159,000 Car Center에서 개인 소유 실제 운행차량의 사용유를 평가 엔진오일은 RV용 디젤엔진오일임 실제 운행 차량에서는 운행조건이 Mild하여 Soot의 과도한 유입은 적은 것으로 보임 차 량 국산 RV차량 1 국산 RV차량 2 차량 주행거리, km 159,000 90,000 엔진오일 사용거리, km 18,000 9,000 Soot 함량 0.7% 0.5%

Summary 엔진에서의 Soot 발생 증가와 미치는 영향 엔진오일의 Soot control 성능 다양한 Soot 분석 방법 배출가스 저감방안에 따른 EGR 장착 등 점도증가, 유동성 저하, 마모증가 엔진오일의 Soot control 성능 규격이 변할 때마다 높은 Soot 함량의 Control 요구 다양한 Soot 분석 방법 TGA법, FT-IR법, Insoluble법 등 Soot 함량과 엔진오일의 점도 및 마모 이해 Soot 함량에 따른 점도 증가 및 마모에 대한 이론적 고찰 Soot 발생사례 연구