KR20160044306A - 연비 및 내구향상형 디젤엔진오일 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연비 및 내구향상형 디젤엔진오일 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기유; 칼슘계 또는 마그네슘계 술포네이트 청정분산제; 디엔 공중합체, 폴리스티렌-디엔 공중합체 및 수소화 폴리스티렌-디엔 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 점도지수향상제; 및 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 일정 중량비로 포함된 저마찰제; 가 일정 조성비로 포함되어 있음으로써 금속표면에서의 윤활막 형성을 활성화하여 마찰저항 및 내마모성을 극대화되고, 엔진 보호성능이 우수하여 엔진 오일의 교환주기를 연장시키고 마찰저감에 의한 연비를 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 디젤엔진오일 조성물에 관한 것이다.

Description

연비 및 내구향상형 디젤엔진오일 조성물 {Diesel Engine Oil Composition for Improving Fuel Efficiency and Endurance Performance}
본 발명은 연비 및 내구향상형 디젤엔진오일 조성물에 관한 것이다.
엔진오일은 크랭크 기구, 각종 엔진 부위의 윤활 기능 및 냉각 기능을 수행하기 위하여 사용되는 것으로, 적당한 점도 특성, 고하중에서의 윤활 성능인 극압성, 산화안정성 및 마찰 특성 등이 요구된다. 이러한 성능을 향상시키기 위하여, 엔진오일은 적당한 특성을 가지는 기유와 첨가제들이 알맞게 배합되어야 한다.
최근에는 에너지의 효율적 이용과 지구온난화 방지를 위해 이산화탄소 등 자동차 배기가스에 대한 규제가 엄격해지고 있으며, 이러한 환경규제에 대응하기 위해 엔진의 에너지 손실을 줄일 수 있는 연비향상형 엔진오일 개발이 활발히 이루어 지고 있다. 특히 엔진 밸브나 피스톤 부분의 혼합윤활 영역에서 마찰을 저감시키기 위해 저마찰 첨가제를 적용하여 마찰계수를 낮춰 효율을 향상시키는 노력들이 지속되어 왔다.
한국공개특허 10-2011-0051852호에는 기유에 점도지수향상제, 청정분산제 이외에 아연디티오포스페이트(ZnDTP)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)를 내마모제로 포함시킨 디젤엔젠오일 조성물이 개시되어 있다. 그러나 아연 디티오포스페이트는 고온에서 쉽게 분해되어 애쉬(ash) 성분의 발생량이 증가하여 엔진내의 퇴적물(Valve Deposit)로 인하여 오히려 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 한국등록특허 제559,632호에서는 몰리브덴 함량이 9 ~ 15 중량%인 고농축 몰리브덴디티오카바메이트(MoDTP)와 아연-디알킬디티오포스페이트 및 칼슘계 또는 붕산칼슘계 살리실레이트를 일정 함량비로 포함시킨 엔진오일 조성물이 개시되어 있다. 그러나 살리실레이트 금속염 청정분산제와 몰리브덴디티오카바메이트를 함께 사용하면 고온에서 연소되어 금속염의 퇴적물(Deposit)을 발생시키게 되므로 엔진오일로 적용하기에는 한계가 있다.
또한, 한국공개특허 10-2010-0049350호에는 아연디티오포스페이트(ZnDTP)의 내마모제와 함께 몰리브덴디티오카바메이트(MoDTP) 또는 글리세롤 모노올레이트(GMO)의 마찰조정제를 포함하는 가솔린 엔진오일조성물이 개시되어 있다. 상기 한국공개특허 10-2010-0049350호에서는 ZnDTP 단일종으로 썼을 때 마찰저감이 되지않는 문제를 개선하기 위하여 MoDTP 또는 GMO를 보조첨가제로 사용하는 기술이 개시되어 있는데, MoDTP 또는 GMO의 시너지 작용에 의해 마찰저항, 내마모성 및 연비를 동시에 향상시키는 효과를 얻을 수 있음에 대해서는 전혀 고려치 않고 있다.
특히나 대형 디젤엔진의 경우 하중이 크고 속도가 낮아 상대적으로 혼합 및 유체윤활영역 부분이 많아 저마찰제 첨가만으로 마찰계수를 낮추는데 한계가 있으며, 추가 연비 개선을 위하여 점도를 낮추게 되면 점도저하에 의한 유막두께 또한 저감되어 내마모성이 악화되는 문제점이 있다.
본 발명의 발명자들은 대형 디젤엔진에 적용되는 엔진오일 조성물에서 점도저하에 의한 마모방지 성능의 문제점을 해결하고 마찰저감을 극대화하여 연비를 개선하고자 하였다. 그 결과 기유, 청정분산제 및 점도지수향상제 이외에 저마찰제로서 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)를 일정 혼합비로 포함시켜 상기한 저마찰제 성분간 시너지 효과를 발생시켜 금속표면에서의 윤활막 형성을 활성화하여 마찰저항 및 내마모성을 극대화시킴을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 기존 엔진오일 대비 점도가 동일하여 유막두께 저하에 의한 내마모 저하의 우려가 없고 엔진 보호성능이 우수하여 엔진 오일의 교환주기를 연장시키고 마찰저감에 의한 연비를 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 디젤엔진오일 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제 해결을 위하여, 본 발명은 기유; 칼슘계 또는 마그네슘계 술포네이트 청정분산제; 디엔 공중합체, 폴리스티렌-디엔 공중합체 및 수소화 폴리스티렌-디엔 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 점도지수향상제; 및 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 일정 중량비로 포함된 저마찰제; 가 일정 조성비로 포함되어 있는 디젤엔진오일 조성물을 그 특징으로 한다.
본 발명의 디젤엔진오일 조성물은 기유, 청정분산제, 점도지수향상제 및 저마찰제를 포함하고 있으며, 상기 저마찰제로서 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)를 최적의 혼합비로 함께 사용하여 이들 저마찰제간의 시너지 효과를 극대화한데 그 특징이 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 디젤엔진오일 조성물은 기유 75 ~ 85 중량%; 칼슘 술포네이트 및 마그네슘 술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 청정분산제 5 ~ 20 중량%; 디엔 공중합체, 폴리스티렌-디엔 공중합체 및 수소화 폴리스티렌-디엔 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 점도지수향상제 1 ~ 10 중량%; 및 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 1: 1 ~ 3의 중량비를 이루고 있는 저마찰제 0.5 ~ 2 중량%; 를 포함한다.
본 발명에 따른 디젤엔진오일 조성물을 구성하는 각 성분에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에서 사용하는 기유는 기어장치의 윤활에 사용하는 윤활유의 총칭이며, 치면간의 접촉을 방지하고, 마찰, 마모를 저하시켜 녹아 붙는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 상기 기유는 100℃에서 동점도가 3 ~ 10 센티스톡(cSt) 범위이고, 점도지수가 100 이상 바람직하기로는 100 ~ 140 범위인 것을 사용한다. 기유의 100℃에서 동점도가 3 cSt 미만인 경우는 고온 사용 조건하에서 증발량이 과대하여 오일 사용량을 증대시킬 수 있고, 10 cSt를 초과 시에는 저온에서의 점도증가가 심해 저온 시동성을 저하시킬 수 있다. 상기 기유는 고정제 광유 및 합성유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 기유는 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 75 ~ 85 중량% 범위로 포함될 수 있는데, 그 함량이 75 중량% 미만이면 상대적으로 첨가제의 함량이 과대하여 점도증가가 심하고, 특히 저온에서의 점도증가가 심하게 나타나는 문제가 있을 수 있고, 85 중량%를 초과하면 상대적으로 첨가제의 함량이 과량이 과소하여 엔진오일로서의 제 기능을 발휘할 수 없는 단점이 있다.
본 발명에서 사용하는 청정분산제는 칼슘계 또는 마그네슘계 분산제를 포함한다. 상기 청정분산제는 전염기가가 400 이상, 바람직하기로는 400 ~ 600 범위인 칼슘 술포네이트 및 마그네슘 술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 만약 청정분산제로 사용되는 금속염의 전염기가가 400 미만이면 오일의 산화안정성 저하를 초래할 수 있으므로 전염기가가 400 이상인 것을 사용하는 것이 좋다. 이러한 청정분산제는 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 5 ~ 20 중량%, 바람직하기로는 12 ~ 17 중량% 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 디젤엔진오일 조성물에 포함된 청정분산제의 함량이 5 중량% 미만이면 극압성과 내마모성이 저하되고, 20 중량%를 초과하면 애쉬(Ash) 성분을 다량 발생시킬 수 있는 문제가 있다.
본 발명에서 사용하는 점도지수향상제는 점도지수의 향상과 저온에서의 유동성을 증대시키는 특성이 있다. 점도지수향상제는 분자량에 관계없이 저온 유동성, 내마모성 및 연비성능을 향상시키는 효능이 있으나, 좋기로는 중량평균분자량(Mw)이 100,000 ~ 500,000 범위, 보다 좋기로는 중량평균분자량(Mw)이 180,000 ~ 400,000 범위, 특히 좋기로는 중량평균분자량(Mw)이 80,000 ~ 250,000 범위인 공중합체를 사용하는 것이다. 이러한 점도지수향상제로는 디엔 공중합체, 폴리스티렌-디엔 공중합체 및 수소화 폴리스티렌-디엔 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 디엔 공중합체는 구체적으로 에틸렌-프로필렌 공중합체가 포함될 수 있다. 상기 폴리스티렌-디엔 공중합체는 구체적으로 폴리스티렌-이소프렌 공중합체이 포함될 수 있다. 이러한 점도지수향상제는 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 1 ~ 10 중량%, 바람직하기로는 3 ~ 7 중량% 범위로 포함될 수 있다. 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 포함된 점도지수향상제의 함량이 1 중량% 미만이면 저온유동성이 나빠져 저온에서의 시동성이 저하될 수 있고, 10 중량%를 초과하면 점도지수향상제의 전단에 의한 점도저하 및 산화에 의하여 점도가 상승하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 저마찰제는 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)의 혼합물을 포함한다. 본 출원인에 의해 공개된 한국공개특허 10-2010-0049350호에서는 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 하이드록시 극성부가 금속표면에 조밀하게 흡착되고, 올레이트 비극성부가 윤활적용을 하는 것으로 개시되어 있다. 하지만, GMO 단독 사용에 의해서는 대형디젤엔진과 같이 하중이 크고 상대적으로 혼합 및 유체윤활영역 부분이 많아 원하는 정도로 마찰계수를 낮추는데는 한계가 있다.
이에 본 발명에서는 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)를 일정 혼합비로 함께 저마찰제로 포함시킴으로써, 금속표면에서의 윤활막 형성을 보다 활성화하여 마찰저항 및 내마모성을 극대화시킬 수 있었다. 즉, 저마찰제로 사용되는 MoDTC와 GMO는 극성부(polar part)와 비극성부(nonpolar part)를 동시에 포함하고 있고, 이들 저마찰제는 윤활조성물에 함께 포함되어서는 극성부가 금속표면에 흡착되고, 비극성부는 잔디같은 역할을 하게 되어 유체의 마찰을 저감하고 마모방지 역할을 할 수 있게 된다.
Figure pat00001
본 발명자들의 오랜 연구결과에 의하면, 저마찰제로서 MoDTC와 GMO가 1: 1 ~ 3의 중량비를 이루도록 하는 바, 상기의 혼합비를 유지할 때 내구후 금속마모분(Fe, Cu)의 적게 검출되고 피스톤 내구성 실험에서 좋은 결과를 얻을 수 있다. 반면에, MoDTC 및 GMO의 혼합비가 상기 범위를 벗어나게 되면 금속표면에 흡착되는 조밀도가 떨어지고 또한 비극성부간의 강한 상호작용으로 인하여 오히려 마찰을 증가시킬 수 있다. 특히 좋기로는 MoDTC와 GMO가 1: 1.1 ~ 1.5 중량비를 유지하는 경우, GMO 단독 사용에 대비하여 연비가 2배 이상 증가되는 각별한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 디젤엔진오일 조성물은 통상의 첨가제로서 산화방지제, 소포제 등이 추가로 포함될 수 있다.
상기 산화방지제는 엔진오일의 산화 방지를 목적으로 사용된다. 상기 산화방지로는 3-히드록시디페닐아민, 페닐-알파-나프틸아민 등과 같은 아민계 산화방지제를 사용할 수 있으며, 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 0.05 ~ 3 중량% 범위로 포함될 수 있는데, 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 산화방지성능이 약해질 수 있고, 3 중량%를 초과하면 경쟁흡착, 금속부식 등의 부작용이 발생시킬 수 있다.
상기 소포제로는 실리콘, 폴리메타크릴레이트 등으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 이러한 소포제는 본 발명의 디젤엔진오일 조성물 중에 0.0005 ~ 2 중량% 범위로 포함될 수 있는데, 그 함량이 0.0005 중량% 미만이면 윤활유내의 기포발생의 효과적으로 억제할 수 없는 문제가 있으며, 2 중량%를 초과하여 사용하면 소포성이 오히려 감소하거나, 윤활유에서 소포제가 석출되는 문제점이 발생할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 각 성분을 혼합하여 본 발명의 디젤엔진오일 조성물을 제조할 수 있다. 이들 성분의 혼합 순서에 특별한 제한을 두고 있지 않지만, 먼저 기유를 준비한 후 활성도가 낮은 첨가제부터 차례로 첨가하는 것이 좋고, 활성도가 동일하다면 투입량이 적은 첨가제부터 혼합하는 것이 좋다. 혼합 후에는 70℃ 이상의 온도에서 교반기를 이용하여 교반하는데, 교반기 의 크기와 설계치에 따라 교반기의 속도를 조정할 수가 있다. 소형교반기의 경우 300 ~ 500 rpm의 교반속도로 교반하는 것이 적당할 수 있고, 대형교반기의 경우는 100 ~ 400 rpm의 교반속도으로 교반하는 것이 적당할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 하기의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3. 디젤엔진오일 조성물의 제조
하기 표 1에 나타낸 성분들을 반응기에 투입하고, 온도 70℃, 교반기의 속도 400 rpm인 조건하에서 혼합하여 디젤엔진오일 조성물을 제조하였다.
[디젤엔진오일 조성물을 구성하는 각 성분]
(1) 기유: 100℃ 동점도 3~10 cSt, 점도지수 120 이상
(2) 청정분산제: 칼슘 설포네이트(Infineum사 제품)
(3) 점도지수향상제: 중량평균분자량(Mw)이 80,000~250,000인 폴리스티렌-이소프렌 공중합체
(4) 저마찰제: ①몰리브데늄 디티오카바메이트(S525, Adeca사 제품)
②글리세롤 모노올레이트(GMO, Lubrizol사 제품)
구분 (중량%) 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3
기유 79.2 79.2 79.2 79.2 79.2 80.2
청정분산제 14.8 14.8 14.8 14.8 14.8 14.8
점도지수향상제 5 5 5 5 5 5
저마찰제 MoDTC 0.4 0.5 0.3 1.0 - -
GMO 0.6 0.5 0.7 - 1.0 -

[실험예]
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에서 제조된 각 디젤엔진오일 조성물은 널리 공지되어 있는 성능 시험방법에 의거하여 성능을 시험하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
[성능 시험 방법]
(A) 동점도: ASTM D 445 방법에 의해 측정하였다.
(B) SRV 마찰계수: ASTM D 6425 방법에 의해 측정하였다.
(C) 연비향상율 : WHTC(인증모드)에 의해 측정하였다.
(D) 금속 마모분 : ASTM D 4951 방법에 의해 측정하였다.
(E) 피스톤 내구성 : CEC (M 02 A 78)에 의해 측정하였다.
평가항목 실시예 비교예
1 2 3 1 2 3
100℃ 동점도 (cSt) 13.5 13.5 13.5 13.4 13.5 13.4
SRV 마찰계수 (100℃) 0.048 0.054 0.055 0.062 0.065 0.120
연비 향상율 (대상연비) 0.6% 0.4% 0.4% 0.3% 0.2% 기준
금속마모량 (ppm) Fe 82 91 90 95 98 120
Cu 75 88 85 90 102 110
내구후 피스톤 Rating (점수) 9.5 9.0 9.0 9.0 8.5 8.0

Claims (5)

  1. 기유 75 ~ 85 중량%;
    칼슘 술포네이트 및 마그네슘 술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 청정분산제 5 ~ 20 중량%;
    디엔 공중합체, 폴리스티렌-디엔 공중합체 및 수소화 폴리스티렌-디엔 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 점도지수향상제 1 ~ 10 중량%; 및
    몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 1: 1 ~ 3의 중량비를 이루고 있는 저마찰제 0.5 ~ 2 중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진오일 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기유는 100℃ 동점도가 3 ~ 10 cSt이고, 점도지수가 100 이상인 고정제 광유 및 합성유로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진오일 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 청정분산제는 전염기가가 400 이상인 칼슘 술포네이트 및 마그네슘 술포네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 디젤엔진오일 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 점도지수향상제는 중량평균분자량(Mw)이 80,000 ~ 250,000 범위의 것으로, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리스티렌-이소프렌 공중합체 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 디젤엔진오일 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저마찰제는 몰리브데늄 디티오카바메이트(MoDTC)와 글리세롤 모노올레이트(GMO)가 1: 1.1 ~ 1.5 중량비를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진오일 조성물.
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