자동차 윤활유 연구개발 동향 (Fuel Economy) 현대· 기아 연구개발본부 윤활 W/Group 유 성 춘 / 배 대 윤

목 차 1. 자동차 윤활유의 동향 2. 연구개발 방향 3. 엔진오일 4. 변속기유 5. 승인제도

1. 자동차 윤활유의 동향 √ Co2 저감 - 연비향상 √ 교환주기 증대 √ 환경규제 대응 - Cost of Ownership 대응 - 폐유 저감 √ 환경규제 대응 - Low SAPS 엔진오일 2009

1-1 CO2 저감 □ 전세계 연비규제 강화 □ 고유가 - DI 엔진(>45mpg), Hybrid(>70mpg) - CO2 30g/km 대응을 위해 Power train은 Hybrid → EV → Fuel Cell 순으로 발전 □ 고유가 - 1015년 $100 이상 국내 북미 유럽 □ 2012 : 29 → 34mpg (12.4→14.3km/ℓ;1600cc 이상) □ 2016 : 25 → 35mpg □ ~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 감가상각비 보험료 세금 유류비 정기 점검 39~53% 11~25% 11~15% 3~8% 2~8%

1-3 환경규제 대응 □ 배기가스 규제 강화 (NOX 및 PM 저감) ▷ 배기가스 후처리 장치 장착 → Low SAPS 엔진오일 - 후처리 장치 : EGR + DPF + SCR - HKMC 엔진오일 Tier 1 12 13 14 15 16 17 18 19 2010 FE (Gasoline) Post New Long Term 21 20 02 03 04 05 06 07 08 09 11 10 01 00 New Long Term New Short Term 일본 2005 FE (Diesel) 2015 All Passenger Cars Emission (Gasoline) Euro 3 Euro 4 Euro 5a/5b Euro 6 CO2 120g/km Tier 2 CAFE (35mpg by 2020 MY) 유럽 북미 CAFE (27.5mpg) (Diesel) Fuel Economy 가솔린 승용디젤 대형디젤 ILSAC GF-4 /API SM w/o DPF : API CI-4 with DPF : ACEA C3 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 : 저점도화 및 동력전달 효율 향상 2) 변속성능 향상 : 변속부품의 상대 재질에 따른 마찰특성 연구 [씽크로나이저링, 다판클러치, 벨트-풀리] : 기어 Pitting 방지 및 베어링 수명 연장 □ 평가방법 1) 실차와 상응하는 대상내구 평가

2-1 윤활유 연비 향상 방안 연비향상 유체저항 저감/ 마찰/유체저항 저감 동력전달효율 향상 마찰조정제 : 경계윤활 영역에서의 마찰조정 □ 엔진유 : 마찰계수 저감 - Vave Train, - 피스톤 상, 하사점 □ 변속기유 : 적정 마찰 유지 - ATF : 클러치 마찰계수↑ - CVT : 밸트-풀리 마찰계수↑ 마찰/유체저항 저감 유체저항 저감/ 동력전달효율 향상 Metal surface Friction Modifier film Oxide layer 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 - 바이오 연료유 사용 증가 : Soot 및 연료유 혼입↑ 연비향상 극 복 극 복

3. 엔진오일 ■ 엔진마찰 분배율 차량 System별 열량 배분 Slipper follower Engine의 마찰분배율 배기계 13% 33% 29% 냉각계 25% 브레이크 차량 System별 열량 배분 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 ☞ 마찰조정제 √ 혼합윤활, 유체윤활 ☞ 저점도화 - Valve Train - 피스톤 상사점, 하사점 ☞ 마찰조정제 √ 혼합윤활, 유체윤활 - 피스톤, 베어링 ☞ 저점도화 ■ Valve Train 종류별 엔진마찰저감 방안 Slipper follower Engine - 2000cc 이하 가솔린엔진 ☞ 저점도화 + 마찰조정제 Roller follower Engine -3000cc 가솔린엔진, 디젤엔진 ☞ 저점도화

3-2 가솔린 엔진오일 종류별 마찰시험 ■ 평가용 엔진오일 ■ SRV 마찰시험(Ball on Block) 엔진오일 점도등급 성능등급+FM 100℃ 동점도 HTHS A 5W-20 GF-3 8.9 2.8 B GF-4+Mo 8.6 2.6 C GF-4+FM(ester) D 5W-30 A5+Mo 10.2 3.2 ■ SRV 마찰시험(Ball on Block) - 시험조건 : 50Hz x 50N x 1mm √ MoDTC 함유한 엔진오일 - 점도등급에 관계 없이 저마찰 구현 √ Ester계 FM의 경우 마찰계수는 낮아지나 MoDTC 대비 높음

3-3 가솔린 엔진오일 종류별 연비시험 ■ 대상 연비 1) 기준유 : 엔진오일 A 2) 엔진 : 감마 1.6 3) Mode : 당사 엔진에 적합 하도록 변경 - 북미 : Sequence 6 초기 연비 - 유럽 : M111FE 4) 결과 - MoDTC : 북미/유럽 Mode에서 1%↑ - Ester FM : 북미 Mode에서 1%↑ - 북미와 유럽 Mode 비교시 : 저점도화는 유럽 Mode에서 효과적임 엔진오일 점도등급 성능등급+FM A 5W-20 GF-3 B GF-4+Mo C GF-4+FM(ester) D 5W-30 A5+Mo ■ 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 ■ 마찰시험(Cylinder on Disk) 엔진오일 점도등급 성능등급+FM 100℃ 동점도 HTHS A 5W-30 C3 11.5 3.4 B C3+FM1 C C3+FM2 D A5+Mo 10.2 3.2 E 0W-20 C2+Mo ■ 마찰시험(Cylinder on Disk) - MoDTC 사용시 마찰저감

3-5 승용디젤 엔진오일 종류별 마찰시험 ■ S엔진 Mortoring Test (기준유 : 오일A) - 오일B(MoDTC+저점도) : 전 영역에서 마찰저감 - 오일D(Ester FM) : 저온 고속 영역에서 마찰저감 ■ 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

3-6 DLC 코팅재질에 대한 윤활유 마찰특성 ■ 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 a-C:H a-C:H:Me a-C:H:X Plasma Polymer ta-C ta-C:H Diamond Graphite H (atom %) C(sp3) (%) C(sp2)+C(sp3) (%) sp3= 100% sp2= 100% H: 80% H: 40% H: 5% a-C a-C:Me

3-7 엔진오일 연비 향상 방안 ■ 연비평가방법 ■ 마찰조정제 ■ 신표면 처리 ■ 엔진오일 연비 향상 방안 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 요구사항 저점도화 동력전달능력 ATF ○ △ - 기어 내Pitting - 클러치 마찰특성 CVTF - Belt-Pulley 마모방지 - Clamping Force 저감 MTF X - 싱크로마찰특성, 변속 Noise DCTF (건식) - 싱크로마찰특성

4-1 B-CVT 동력전달능력 향상 ■ 마찰특성 평가 1) 3-element Steel to Steel 마찰평가 - 기존 ATF 단판마찰시험기에 CVT element 장착 - 시험결과 Steel Plate 3-element adaptor Element Block Holder /Pin 마찰계수 속도(m/s) 오일 CVTF-A CVTF-B ATF 마찰 계수 0.130 0.110

4-2 B-CVT 동력전달능력 향상 ■ CVT Rig Test 2) LFW-1 마찰시험 Steel Block DC 150kW 220kW CVT CVT controller Position setting Oil pressure controller CVT Slip Torque tester

< Slip Limit Torque > < Transition Torque > 4-3 B-CVT 동력전달능력 향상 - 시험결과 동일 p-PullyTorque에서 Slip Ratio 저감 => Clamping Force 저감에 의한 전달효율 향상 CVTF-1 CVTF-2 ATF CVTF-1 CVTF-2 ATF < Slip Limit Torque > < 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

5. 승인제도 ■ 승인제도 도입 검토 ■ 평가방법 윤활유 인증 시스템 윤활유 인증 요청 시험평가 승인 A/S 판매 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) ■ 평가방법 - 실차조건에 상응하는 대상시험방법 개발(~'09. 10) 윤활유 인증 시스템 윤활유 인증 요청 [윤활유 Maker] 시험평가 [평가기관 or 당사] 승인 [당사] A/S 판매 [윤활유 Maker] 엔진오일 평가방법 비고 가솔린 고온 Deposit(250h), 엔진마모(250h) 승용디젤 전부하연속내구(50hx4회), 엔진마모(250h) CNG 엔진 실차평가(10대) 실시中 변속기유 Cycling Test