KR20080041870A

KR20080041870A - 내연기관용 윤활유 조성물

Info

Publication number: KR20080041870A
Application number: KR1020060110016A
Authority: KR
Inventors: 류재곤; 박철우
Original assignee: 에스케이에너지 주식회사
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2008-05-14

Abstract

본 발명은 내연기관용 윤활유 조성물에 관한 것으로 좀 더 구체적으로는 윤활기유와 청정분산제, 무회분산제, 부식방지제, 소포제, 마모방지제, 산화방지제, 점도지수향상제, 유동점강하제와 같은 윤활유 첨가제와 함께 미세금속입자를 사용하여 내연기관의 퇴적물 생성을 획기적으로 억제하는 윤활유에 관한 것이다.

본 발명에 의해 제조된 윤활유는 내연기관에 사용시 퇴적물을 줄여 엔진 수명보호에 큰 기여를 한다.

내연기관, 윤활유 조성물, 나노, 미세 금속입자, 첨가제

Description

내연기관용 윤활유 조성물{Lubricating oil composition for internal combustion}

본 발명은 내연기관용 윤활유 조성물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 윤활기유와 청정분산제, 내마모작용제, 점도지수향상제, 금속불활성제, 소포제와 같은 윤활유 첨가제와 함께 미세 금속입자를 사용하여 내연기관의 퇴적물 생성을 획기적으로 억제하는 윤활유 조성물에 관한 것이다.

내연기관에 사용되는 윤활유는 피스톤링, 실린더 라이너, 크랭크 샤프트와 케넥팅 로드의 베어링, 밸브 트레인과 같은 엔진의 기계적인 구동부의 마찰을 줄이는 역할을 할 뿐만 아니라 엔진을 냉각하고 연소생성물을 부유시켜 엔진을 청정하게 유지하고 부식을 방지하는 작용도 한다. 그러므로 내연기관에 사용되는 윤활유는 다양한 성능을 지녀야 한다. 그런 성능들로는 예를 들면 내마모성, 열 안정성, 분산성, 증발성이 적고, 연비가 좋은 특성들을 들 수 있다.

한편 엔진과 자동차 제작사(Original Equipment Manufacturer, 이하 "OEM"이라 함)들은 날로 증대되는 사용자의 욕구를 충족시키기 위해 엔진의 출력을 높이고, 많은 기능을 부여하는 등 성능을 높이기 위한 시도를 하고 있다. 미국 환경보 호협회(EPA: Environmental Protection Agency)에서 조사한 바에 따르면, 1975년부터 2001년에 걸쳐 승용차의 단위 배기량 당 출력이 높아지고 엔진이 정밀해짐에 따라 이에 사용되는 윤활유도 보다 향상된 성능을 지닐 것을 요구되고 있다. OEM들이 특별히 요구하는 윤활유의 성능으로서는 엔진의 퇴적물 생성을 방지하고, 마모를 줄이며 윤활유의 사용 수명을 연장하는 것을 들 수 있다.

엔진의 효율을 향상시키기 위해서 엔진의 가공 정밀도는 향상되고 있다. 엔진이 정밀하게 가공되면 적은 양의 엔진 퇴적물에 의해서도 엔진 작동 불량이 생길 수 있다. 한편 엔진의 출력의 증대로 윤활유가 처한 환경은 더욱 나빠지게 된다. 윤활유가 종래에 비해 고온을 접하게 되면서도 윤활유의 사용 기간을 늘리는 시도가 증대되고 있다. 이런 가혹한 환경에서 엔진의 성능 유지시키는 것이 엔진유의 역할이라 할 때 퇴적물의 생성을 줄이는 기능은 더욱 중요해지고 있다.

종래의 내연기관용 윤활유는 엔진 내부의 퇴적물 생성을 줄이기 위해 주로 계면활성제를 사용하였다. 그러나 최근 가혹한 엔진의 조건에서는 계면활성제만으로 엔진 내부의 퇴적물 생성을 줄이는 데 한계가 있다.

최근 나노 기술이 새로운 기술 분야로 각광을 받음에 따라 나노 크기 금속 입자를 윤활유에 사용하여 마찰과 마모를 줄이고자 하는 시도가 있다. 마찰면 사이에서 구형의 나노 입자가 일종의 볼 베어링 역할을 하여 마찰을 감소시킨다는 가설이다. 또 연질의 나노 입자가 두 마찰면의 상대 운동에 따른 압력으로 마찰면에 소결 도포되면서 일종의 보호막(tribo-film)을 만들어 마찰면을 보호하고 마찰을 줄이는 시도도 있다. 특히 고분자 조성물에 나노 크기의 알루미나(Al₂O₃)를 필러(filler)로 충진하여 내마모성을 향상시키는 연구가 이루어지고 있다.

나노 입자의 윤활유 적용 연구는 마찰 마모를 줄이기 위한 목적뿐만 아니라 열매체액 또는 냉각유체에서 열전도를 향상시키기 위해서도 수행되고 있다. 열매체액의 열전도도와 열용량은 에너지 효율이 높은 열전달 장치의 개발에 중요한 요소이다. 고형물 특히 금속이 유체 보다 열전도도가 높기 때문에 부유 고형물 또는 금속 입자를 함유하는 유체의 열전도도가 일반 유체보다 높을 것이라는 가정 하에 연구가 이루어지고 있다.

또한 풀러렌(fulleren)을 활용하여 해당 유체를 사용하는 기계의 소음을 줄이려는 시도도 있다.

그러나 종래기술은 내연기관용 윤활유에 요구되는 내마모성, 열안정성, 분산성 및 높은 연비 등의 특성을 갖으면서, 동시에 내연기관의 퇴적물 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 윤활유 조성물을 제시하지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 종래의 윤활기유에 첨가제로서 청정분산제, 무회분산제, 부식방지제, 소포제, 마모방지제, 산화방지제, 점도지수향상제, 유동점강하제 등을 혼합하고, 여기에 미세금속입자를 일정량 첨가함으로써 우수한 내마모성, 열안정성, 분산성 및 높은 연비를 갖으면서, 동시에 퇴적물 방지성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였고, 본 발명은 이를 기초로 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 내연기관용 윤활유에 요구되는 내마모성, 열안정성 및 분산성을 가지면서, 내연기관의 퇴적물을 효과적으로 억제할 수 있는 내연기관용 윤활유 조성물을 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내연기관용 윤활유 조성물은 윤활기유 60.0~99.0 중량%, 평균입자크기가 1~1000 nm인 미세금속입자 0.01~0.5 중량%, 청정분산제 0.1~6 중량%, 무회분산제 0.1~20 중량%, 부식방지제 0.01~3 중량%, 소포제 0.001~0.3 중량%, 마모방지제 0.01~5 중량%, 산화방지제 0.01~5.5 중량%, 점도지수향상제 0.1~20 중량% 및 유동점 강하제 0.01~1.5 중량%를 포함한다.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용된 윤활 기유는 원유를 상압 증류하여 남은 잔사유를 다양한 공정, 즉 증류, 용제 정제, 수소첨가 등으로 더욱 더 정제하여 얻은 것 모두를 사용할 수 있다. 기유는 파라핀계 기유, 납센계 기유, 합성유로 폴리알파올레핀, 에스테르를 사용할 수 있다. 통상적으로 윤활기유는 100℃에서 동점도가 2 mm²/sec에서 20 mm²/sec인 것이 많이 사용되며, 본 발명에 따른 윤활유 조성물에는 60.0~99.0 중량%의 윤활기유가 사용된다.

본 발명에 사용된 미세금속입자는 구리, 금, 철, 니켈, 은, 철-백금 합금, 알루미늄의 순수 금속 또는 금속의 산화물로 이루어진다. 금속의 산화물로는 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화아연 및 산화철 등이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 산화티타늄 또는 산화아연이 사용된다.

이들 미세금속입자의 평균입자크기는 1 에서 1000 나노미터(nonometer)가 바람직하다. 평균입자크기가 1 나노미터 미만인 경우에는 작업성이 떨어지는 문제가 있으며, 평균입자크기가 1000 나노미터 보다 큰 경우에는 윤활유 조성물 내에서 서로 응집하여 가라앉게 되는 문제가 있다. 보다 바람직하게는 미세금속입자의 평균입자크기는 1에서 100 나노미터이다. 미세금속입자의 모양은 완전 구형을 이루는 것이 좋다. 미세금속입자는 윤활유 조성물의 총중량에 대하여 0.01~0.5 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 미세금속입자의 양이 0.01 중량% 보다 적으면, 얻고자 하는 엔진 퇴적물 방지의 효과를 기대하기 어렵고, 0.5 중량% 보다 많으면, 분산이 양호하지 못하게 되는 문제가 있다.

상기 미세 금속 입자를 제조하기 위한 방법으로는 종래의 미세 금속 입자의 제조방법을 포함하는 다양한 제조방법이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 윤활유 조성물에는 청정분산제, 무회분산제, 부식방지제, 소포제, 마모방지제, 산화방지제, 점도지수향상제, 유동점강하제 등의 첨가제가 사용되며, 상기 성분들 이외에도, 구체적인 용도 및 요구되는 기능에 따라, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서, 통상적으로 첨가되는 기타 첨가제가 더 포함될 수 있다.

청정분산제는 한 종류 이상의 청정제로 구성된다. 청정분산제는 엔진에서 고온 바니쉬나 락커와 같은 피스톤 퇴적물을 줄이는 역할을 하는 첨가제로서, 동시에 산 중화 작용도 하며, 작은 고체 입자를 유중에 부유시키는 역할을 한다. 윤활유에 는 주로 유기산과 금속염으로 이루어진 계면활성제가 청정분산제로 사용된다.

청정분산제는 예를 들면 술폰산 금속염과 페놀 금속염(페네이트)와 같은 하나 또는 하나 이상의 유기산 금속염성으로 구성될 수 있으며, 특히 칼슘 또는 마그네슘 살리실레이트 및/또는 칼슘 또는 마그네슘 페네이트를 사용하는 것이 바람직하고, 윤활유 조성물 총중량에 대하여 0.1 ~ 6 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 4 중량%가 사용된다.

무회 분산제는 오일 사용중 산화로 생성된 오일 불용해 물질들을 유중에 잘 분산시켜 이들이 서로 뭉쳐 커지거나, 금속 표면에 퇴적물로 쌓이지 않도록 한다. 소위 무회분산제는 연소시 회분을 남기지 않는 유기물로, 금속을 함유함으로 인하여 회분을 남기는 청정분산제와는 대조된다. 적절한 무회분산제는 분자량이 15,000 이하, 더욱 더 좋게는 5,000이하의 폴리알케닐 숙신이미드, 폴리알케닐 숙신산 에스테르 등이 있으며, 그 사용량은 윤활유 조성물 총 중량에 대하여 0.1 ~ 20중량 %, 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 8중량%이다.

부식 방지제는 윤활유와 접촉하는 금속의 부식을 방지하는 역할을 하는 첨가제이다. 티오디아졸과 같은 화합물이 윤활유의 전형적인 부식 방지제이며, 0.01 ~3 중량% 더욱 바람직하게는 0.01 ~ 1.5 중량%가 사용된다.

소포제는 폴리 실록산 형의 소포제를 사용할 수 있다. 구체적으로는 실리콘 오일 또는 폴리 디메틸 실록산을 들 수 있으며, 바람직한 사용량은 0.001~0.3중량 %이다.

마모방지제는 금속 부품의 마모를 줄여주는 역할을 한다. 디알킬디티오인산 아연(Zinc dialkyl dithiophosphate, ZDDP)이 매우 널리 사용되는 마모방지제이다. ZDDP는 Zn[SP(S)(OR¹)(OR²)]₂ 와 같은 구조식을 가지며 여기서 R¹과 R²는 탄소수 1~18, 더 바람직하게는 탄소수 2~12인 탄화수소이다. 황 과 몰리브덴을 함유한 화합물도 마모방지제로 사용될 수 있다. 무회분인 인화합물, 황화합물도 마모방지제로 적합하다. 마모방지제는 0.01~5 중량% 바람직하게는 0.01~3 중량%가 사용된다.

산화방지제는 윤활유가 사용 중에 열화(deteriration)되는 것을 방지하는 역할을 한다. 윤활유가 산화되면 엔진 내부의 금속에 바니쉬와 슬러지를 축적시키며 점도가 상승한다. 적절한 산화방지제로는 디알킬디티오인산아연, 디아릴디티오인산아연, 알킬화된 디페닐 아민, 알킬화된 페놀, 황화 페놀과 디머켑토디티아디아졸 또는 올레인산 구리 또는 무수 폴리이소부틸렌 숙산산 구리를 기본으로 한 산화방지제가 있다. 본 발명에는 0.01 ~ 5.5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01~1.5 중량%의 산화방지제가 사용되며, 효과를 높이기 위해 두 가지 이상의 산화방지제가 조합되어 사용될 수도 있다.

점도지수향상제는 윤활유가 넓은 온도 범위에서도 사용될 수 있게 한다. 본 발명에서는 OCP(Olefincopolymer)형의 점도지수향상제를 사용하는 것이 바람직하다. 사용량은 0.1 ~ 20 중량% 더욱 바람직하게는 0.1 ~ 15 중량%이다.

유동점 강하제는 유체가 흐를 수 있는 최저 온도를 낮춰주는 역할을 한다. 본 발명에 따른 윤활유 조성물에는 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드가 유동점 강하제로서 사용될 수 있으며, 바람직한 사용량은 0.01~1.5중량%이다.

윤활유 제조에 있어서 첨가제 사용하는 경우에는, 사용되는 첨가제를 윤활 기유 또는 적절한 용매에 용해시킨 첨가제 농축물의 형태로 만들어 사용하는 것이 일반적이다. 첨가제 농축물은 앞서 설명한 각 첨가제를 하나의 농축물로 만들 수도 있다. 보통 첨가제 농축물 중에서 실제 첨가제의 총량은 1~90 중량%, 더욱 바람직하게는 20~80 중량%, 더욱 더 바람직하게는 30~60중량%이다.

첨가제 농축물의 제조예는 표 1과 같다

첨가제 농축물

첨가제	중량 %
윤활기유	Balanced
금속 청정제(청정 분산제)	0.2~4
무회 분산제	1~5
디알킬디티오인산아연	0.1~4
산화방지제 (디알킬디티오인산아연 제외)	0.01~1.5
부식방지제	0.01~1.5
소포제	0.001~0.3
마모방지제 (디알킬디티오인산아연 제외)	0.01~1.0

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 하기의 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 발명의 윤활 기유와 윤활유 첨가제 및 미세금속입자를 사용하여 제조한 고성능 내연기관용 윤활유의 제조예는 표 2과 같다. 엔진오일의 퇴적물 생성 경향을 알 수 있는 패널 코킹 테스트(Panel Coking Test)에서 미세금속입자를 사용할 경우 퇴적물의 발생량이 현격히 감소함을 표 2의 실험 결과로부터 알 수 있다.

	실시예	비교예
SAE 점도 등급	10W-30℃	10W-30℃
첨가제 농축물, wt%	11.00	11.00
점도지수향상제, wt%	5.00	5.00
유동점 강하제, wt%	0.20	0.20
기유, wt%	83.74	83.80
미세금속입자(Ti0), wt%	0.05	0
미세금속입자(ZnO), wt%	0.01	0
동점도 40℃, cSt	70.45	70.43
동점도 100℃, cSt	10.83	10.81
점도지수	143	143
CCS 점도 -25℃	5620	5630
패널 코킹 테스트, mg	20	96

표 3은 가솔린엔진오일의 산화안정성과 퇴적물 발생 경향을 평가하는 JASO(Japan Automobile Standards Organization) M 333 엔진 시험 결과이다. 본 발명에 따른 실시 예에서는 미세금속입자를 포함하지 않은 비교 예에 비해 피스톤 퇴적물의 생성이 크게 감소하였다. 시험에 사용한 엔진은 현대자동차에서 제조한 베타엔진이다.

JASO M 333 엔진 시험 결과

피스톤 퇴적율	실시예	비교예
제1 랜드	7.48	5.41
제2 랜드	9.33	6.73
이랫부분	9.75	9.65
고온 소착된 링	0	0

* 10: 퇴적되지 않음, 1: 퇴적물이 많음

실시예에서 수행한 시험은 다음의 방법으로 하였다.

1) 동점도는 ASTM D 445 방법으로 하였다.

2) 점도지수는 ASTM D2270방법으로 하였다.

3) CCS점도는 ASTM D 5293방법으로 하였다.

4) 패널 코킹 테스트(Panel coking test)는 FTMS 791로 시험하였다.

5) 엔진 시험은 JASO M 333 방법으로 수행하였다.

본 발명에 따른 윤활유 조성물은 윤활기유에 청정분산제, 무회분산제, 부식방지제, 소포제, 마모방지제, 산화방지제, 점도지수향상제 및 유동점 강하제를 포함함으로써 내연기관용 윤활유에 요구되는 내마모성, 열안정성, 분산성 및 높은 연비 등의 특성을 갖으며, 동시에 미세금속입자를 포함함으로써 내연기관의 퇴적물 생성을 효과적으로 억제할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

윤활기유 60.0~99.0 중량%, 평균입자크기가 1~1000 nm인 미세금속입자 0.01~0.5 중량%, 청정분산제 0.1~6 중량%, 무회분산제 0.1~20 중량%, 부식방지제 0.01~3 중량%, 소포제 0.001~0.3 중량%, 마모방지제 0.01~5 중량%, 산화방지제 0.01~5.5 중량%, 점도지수향상제 0.1~20 중량% 및 유동점 강하제 0.01~1.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 미세금속입자는 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화아연 및 산화철로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미세금속입자의 평균입자크기는 1~100 nm인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 청정분산제는 하나 또는 하나 이상의 유기산 금속염으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 무회분산제는 분자량 15,000 이하의 폴리알케닐 숙신이미드 또는 폴리알케닐 숙신산 에스테르인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 부식방지제는 티오디아졸인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 소포제는 실리콘 오일 또는 폴리 디메틸 실록산인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 마모방지제는 디알킬디티오인산아연인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 산화방지제는 디알킬디티오인산아연, 디아릴디티오인산아연, 알킬화된 디페닐아민, 알킬화된 페놀, 황화페놀, 디머켑토디티아디아졸, 올레인산 구리 및 무수 폴리이소부틸렌 숙신산 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 점도지수향상제는 OCP(olefincopolymer)형태인 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.
제1항에 있어서, 상기 유동점강하제는 폴리메타아크릴레이트, 폴리아크릴레 이트 및 폴리아크릴아마이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 윤활유 조성물.