지난 포스팅에 이어 엔진 윤활 시스템을 조금 더 디테일하게 정리해보겠습니다.
윤활 시스템의 구성 요소 그리고 윤활유에 대해 알아봅시다.
엔진 윤활 시스템의 구성 요소
엔진 윤활 시스템의 구성 요소는 오일 섬프(Oil sump), 오일 펌프(Oil pump), 오일 필터(Filter), 스트레이너(Strainer), 오일 쿨러(Cooler), 압력 게이지 및 표시등(Pressure gauge, Pressure Indicating light) 등이 있습니다.
오일 팬/섬프(Oil Pan/Sump)는 그릇과 비슷한 모양으로 엔진 하부에 위치하여 엔진이 작동하지 않을 때 압력/중력에 의해 윤활유를 모아 저장하는 역할을 합니다. 일종의 저장 탱크로 볼 수 있으며 윤활유를 저장해뒀다가 다시 엔진 내부로 보내 순환을 시작하게 하죠. 엔진 가장 하부에 있는 부품이기 때문에 노면 상태에 따라 손상이 발생할 수 있으므로 보호 커버, 가드를 설치하여 도로의 충격을 흡수하고 손상이 발생하지 않게 합니다.
오일 펌프(Oil pump)는 윤활유에 압력을 가해 엔진 내부를 순환하며 부품들에 오일을 공급합니다. 엔진 전체에 적절한 윤활을 할 수 있도록 충분한 압력을 지속적으로 토출해야 하죠. 일반적으로 오일 섬프에 가까운 크랭크케이스 내부에 위치 하며 여기에서 윤활유의 순환이 시작됩니다. 오일 펌프는 윤활 시스템에서 핵심 역할을 하는 구성품이며 오일 펌프가 막히면 엔진에 치명적인 손상을 입히거나 엔진이 완전히 고착될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 스트레이너와 바이패스 밸브가 장착되어 있습니다. 차량의 엔진 오일과 필터를 정기적으로 교환 하는 것도 오일 펌프의 고장을 방지하기 위함으로 볼 수 있습니다.
윤활유는 엔진을 순환하면서 먼지, 금속 입자, 슬러지 등 수많은 이물질로 인해 오염됩니다. 이러한 불순물을 제거 하기 위해 윤활 시스템에서는 오일 필터(Oil filter)가 꼭 필요하며 모든 윤활유가 엔진을 순환하기 전 필터를 통과하여 이물질을 걸러냅니다. 오일 필터는 천, 종이, 펠트 등 여과 역할을 할 수 있는 재질로 제작되며, 엔진 오일과 마찬가지로 일반적으로 제조업체에서 지정한 주기에 따라 교체를 하는 소모품입니다. 오일 필터의 관리를 통해 부품의 마모, 오일 소모 등을 줄일 수 있고 엔진 고장을 미리 방지할 수 있습니다.
스트레이너(Strainer)는 오일 펌프의 입구(흡입 라인)에 부착되는 메쉬 스크린으로 오일에 불순물이 유입되는 것을 방지 합니다. 오일 필터와 비슷한 역할을 하지만 미세한 이물질을 제거하는 필터와는 다르게 스트레이너는 눈에 보이는, 상대적으로 큼지막한 이물질을 걸러낸다는 점에서 차이가 있습니다. 또한 필터는 주기적으로 교체해야 하지만 스트레이너는 세척 후 재사용이 가능 합니다.
오일 쿨러(Oil Cooler)는 순환으로 뜨거워진 윤활유를 식혀주는 역할을 합니다. 윤활유에서 발생한 열을 핀을 통해 주변 공기 또는 냉각수와 교환하여 윤활유를 식혀주는데 냉각 시스템의 라디에이터와 비슷하다고 볼 수 있죠. 엔진 오일 냉각을 통해 윤활유를 일정한 온도로 유지시키고 윤활유의 점도를 제어할 수 있으며 엔진 과열 및 마모를 방지 할 수 있습니다.
오일 압력 게이지(Oil Pressure Gauge)와 오일 압력 표시등(Oil Pressure Indicating Light)은 현재 윤활유의 압력을 표현함으로써 시스템의 현황을 파악하고 문제가 발생 했을 경우 운전자에게 알려줍니다. 게이지는 윤활유가 흐르는 호스 사이에 연결되어 시스템 내 윤활유의 현재 압력을 측정하여 나타내고, 표시등은 회로로 구성 되어 엔진 공급에 필요한 오일 압력에 따라 아이콘을 표현합니다. 자동차 계기판에서 쉽게 볼 수 있는 경고등이 바로 이것이죠.
이외에 오일 레벨을 확인하고 점검하는 오일 레벨 표시기(Oil Level Indicator), 시스템 내 상대적으로 먼 거리에 있는 경로에 오일을 공급하는 통로인 오일 갤러리(Oil gallery), 오일 레벨 위의 공간을 외부 대기와 연결하는 크랭크 케이스 브리더(Crankcase breather), 오일 순환량을 제어하고 윤활 시스템의 압력을 유지하게 하는 릴리프 밸브(Relief valve) 등이 있습니다.
자동차 엔진 오일(윤활유)의 이해
흔히 자동차 엔진 오일이라고 부르는 엔진 윤활유는 엔진이 작동 하면서 발생하는 열과 마찰을 해소하고, 이물질 제거 및 밀폐 효과 등의 역할을 합니다. 윤활유는 이러한 다양한 기능을 수행하면서 엔진 내에서 오랫동안 안정적인 상태로 유지되어야 하기 때문에 요구되는 특성도 까다로운데요, 일반적으로 아래와 같은 성질이 요구 됩니다.
- 적당한 점도
- 온도에 의한 점도의 변화가 적어야 함
- 안정한 기름막을 형성하는 성질이 있어야 함
기름막이 파괴되지 않아야 함
- 인화성이 없어야 함
- 열과 산에도 안정적이어야 함
윤활유는 베이스 오일(윤활기유)라고 하는 80~90%의 기초 오일에 첨가제를 혼합하여 만들며, 해당 엔진에서 필요로 하는 최적화된 성능을 낼 수 있도록 합니다. 베이스 오일에 어떤 첨가제를 어느 정도 섞느냐에 따라 점도, 기름막 형성 등의 성질이 달라지는 것이죠. 윤활유의 성질은 점도, 점도지수, 유동점, 인화점 이 네 가지 항목으로 파악합니다.
점도 (Viscosity)
점도는 액체가 유동할 때 나타나는 내부 저항으로, 끈적끈적한 정도를 수치화한 값으로 이를 통해 유체인 윤활유의 흐름의 정도를 알 수 있습니다. 점도가 높을수록 끈적끈적하고 (저항이 높고) 낮을수록 끈적이지 않음 (저항이 낮음)을 의미하며, 점도에 의해 엔진 부품 사이의 오일 층의 두께가 달라지므로 엔진의 마찰 손실, 마찰열, 기계적 효율이 결정됩니다. 차량 및 기계의 종류와 운전 조건에 따라 윤활유의 적정한 점도를 선정해야 하죠. (ex 고속으로 회전하는 엔진은 저점도, 강한 힘이 필요한 엔진은 걸리는 고점도 사용)
점도 지수 (Viscosity index)
점도 지수는 윤활유의 온도에 따른 점도의 변화를 나타냅니다. 점도는 온도가 상승하면 떨어지고 반대로 온도가 떨어지면 상승하는, 반비례 관계를 가지는데 점도 지수를 활용하여 이와 온도에 따른 점도 변화 관계를 지수로 나타내죠. 동일한 점도를 가진 두 윤활유를 같은 온도에서 비교 했을 때, 점도 지수가 더 높은 윤활유는 엔진 내부의 마찰이 낮기 때문에 낮은 온도에서는 엔진 시동에 더 유리하고 고온에서는 오일막의 안정성이 더 높음을 알 수 있습니다.
유동점 (Pour point)
유동점은 온도를 낮추어도 윤활유가 계속 흐를 수 있는 최소한의 온도, 흐름 상태를 유지할 수 있는 최저 온도를 의미합니다. 액체는 온도를 낮추게 되면 점점 유동성을 잃고 결국에는 응고 되어 유동성을 잃는데, 이 시점의 온도를 바로 유동점이라고 하죠. 물의 어는 점과 비슷하며 유동하지 않게 되었을 때의 온도를 응고점이라고 합니다. 일반적으로 원유에서는 파라핀(Paraffin) 함량이 유동점을 결정합니다.
인화점 (Flash point )
인화점은 공기에 가연성 물질을 만들어내어 인화를 시작하는 온도, 외부로부터 불씨를 접촉하여 연소를 시작하게 하는 최저 온도를 의미하며 주로 상온에서 액체 상태로 존재하는 인화성 물질(윤활유)을 대상으로 해당 액체가 얼마나 연소하기 쉬운지를 측정하는 데 사용합니다. 혼합물이 점화될 때까지 점차 가열하면서 발생한 증기에 불꽃을 접근 시켰을 때 순간적으로 불이 붙는지 보는 방식으로 인화점을 확인하죠. 엔진 작동 시 상당한 열이 발생하기 때문에 폭발 및 화재의 위험을 방지하기 위해 윤활유의 인화점을 파악하는 것이 상당히 중요합니다. 또한 불순물의 혼입을 판단하는 데도 유용합니다.
자동차 엔진 오일(윤활유)의 분류
엔진은 사용 조건과 기후 환경에 필요로 하는 윤활유가 달라지는데요, 최적의 윤활유를 선택하기 위해서는 윤활유를 각 특성에 따라 어떻게 분류하는지 알아야 합니다. 대표적인 분류 방식은 SAE, API, ILSAC 등이며 이들은 국제적으로 규격화 되어있기 때문에 모든 자동차 엔진에서 동일하게 적용 할 수 있습니다.
SAE (Society of Automotive Engineers)
SAE는 미국 자동차 엔지니어 협회에서 제정한 분류법으로 윤활유의 점도에 따라 엔진 오일 분류하는 방법입니다. 온도에 따라 윤활유의 점성이 변화하는 정도를 분류하였으며 10W-40, 5W-20과 같이 ‘oW-oo’으로 표현합니다. 여기서 W는 겨울의 Winter이며 W 앞의 숫자는 저점 온도를, 뒤의 숫자는 고점 온도를 의미하며 숫자가 높을수록 점도가 높음을 나타 냅니다. 예를들어 W 앞의 숫자가 0에 가까울수록 낮은 온도에서 점도가 낮아 유동성이 좋고, W 뒤의 숫자가 높을수록 고온에서 점도가 높아 엔진 보호 능력이 높음을 알 수 있죠. 앞서 설명했지만 엔진에 따라 요구하는 엔진 오일의 성질이 다르기 때문에 제조사에서 제공하는 권장치를 기준으로 점도를 설정하는 것이 좋습니다.
API (American Petroleum Institute)
API는 미국 석유 협회 규격으로 엔진 오일의 내구성 및 촉매 영향 등을 평가하여 사용 조건에 따라 분류하는 방법으로, 표기는 S 또는 C로 시작하며 등급에 따라 영문 알파벳을 순서대로 붙입니다. 여기서 가솔린은 S(Service) 디젤은 C(Commercial)를 의미하죠. 차량 주행 시험 후 엔진을 분해하여 피스톤의 청결 상태, 베어링의 중량 손실, 녹이나 슬러지 생성 정도 등을 점검한 뒤 엔진 오일의 등급을 분류합니다. 초기에는 SA, CA 등급으로 시작하였으나 엔진 기술의 발전과 환경 규제가 더해짐에 따라 엔진 오일 규격 역시 강화되면서 오늘날에는 가솔린은 SJ/SL/SM/SN/ SP, 디젤은 CH/CI/CJ/CK 등을 적용하고 있습니다.
| 등급 | 특징 |
| ILSAC GF-1 | API SH 및 EC-II(에너지 절약 II) 요구 사항을 모두 충족 해야함 1990년에 만들어졌으며 1992년부터 미국과 일본 자동차에서 요구하는 오일의 최소 사항으로 적용 |
| ILSAC GF-2 | 1996년에 GF-1을 대체, API SJ 및 EC-II 요구 사항을 모두 충족 해야함 저온/고온에서 정상 작동 해야함 (0W-30 ~10W-40) |
| ILSAC GF-3 | API SL 및 EC-II 요구 사항을 모두 충족해야 함 차량 배기에 대한 오일 영향 검토, 연비 개선 및 휘발성 개선, 침전물 및 점도 성능 만족 필요 오일 수명 동안 더 적은 첨가제 사용 및 낮은 소비율 만족 필요 |
| ILSAC GF-4 | API SM 만족 및 VIB 연비 테스트(ASTM D6837) 필요 |
| ILSAC GF-5 | 연비 개선, 슬러지 제어, 배기 가스 제어 및 시스템 호환성 향상 엔진 밀폐력 및 엔진 보호 기능 만족 필요 |
| ILSAC GF-6 | 2020년 5월 추가 되었으며 GF-6A와 GF-6B로 분류 ILSAC GF-6A는 ILSAC GF-5와 완전히 하위 호환으로 내구성은 유지하면서 연비 및 엔진 보호 개선 ILSAC GF-6B는 ILSAC GF-5A와 유사하지만 0W-16 저점도 오일을 허용 |
ILSAC(International Lubricant Standardization and Approval Committee)
ILSAC는 미국 자동차 제조 협회와 일본 자동차 제조 협회가 제정한 규격으로 API와 거의 유사하며 유럽 및 아시아 차량 애플리케이션에서 연료 효율 및 내구성 개선 등 11개 이상 평가 항목에 합격한 엔진오일에 대한 등급을 설정한다는 특징이 있습니다. GF-1/GF-2/GF-3/GF-4/GF-5/GF-6 등으로 표기하며 숫자가 높을수록 더욱 성능이 뛰어납니다. 각 등급에 대한 요구 사항은 위의 표를 참고해 주세요.
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