KR20190076604A

KR20190076604A - 마찰특성 및 연비향상형 수동변속기유 조성물

Info

Publication number: KR20190076604A
Application number: KR1020170178529A
Authority: KR
Inventors: 오정준
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02
Also published as: CN109957439A; CN109957439B; KR102586425B1; US10808201B2; US20190194570A1

Abstract

본 발명은 (A) 폴리알파올레핀(PAO) 합성 기유 75 ~ 85 중량%; (B) 에스테르계 점도 조정제 3 ~ 10 중량%; 및 (C) 내마모제, 청정분산제, 마찰조정제, 극압제 및 산화방지제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하 는 첨가제 8 ~ 15 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동변속기유 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수동변속기유 조성물은 종래의 수동변속기유와 대비하여 저점도임에도 불구하고, 변속기의 내구 성 확보, 래틀노이즈 저감 및 차량의 연비 효율을 1 ~ 2%을 더 향상시킬 수 있다.

Description

마찰특성 및 연비향상형 수동변속기유 조성물{Manual transmission oil composition having enhanced frictional property and fuel efficiency}

본 발명은 마찰특성 및 연비향상형 저점도 수동변속기유 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 (A) 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide); 및 (B) 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA); 를 포함하는 수동변속기유 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 변속기는 클러치와 추진축 또는 클러치와 종감속기어장치 사이에 설치되어 엔진의 동력을 자동차의 주행상태에 알맞도록 회전력과 속도를 바꾸어 구동바퀴에 전달하는 장치를 말한다. 수동변속기는 동력을 단속하기 위하여 필요한 클러치 조작과 주행조건에 따라 기어변속을 통해 엔진으로부터 전달되는 회전속도 및 회전력을 변화시켜 구동륜에 전달하여 운전자가 요구하는 속도와 토크를 얻게 된다.

최근 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 엔진/변속기오일 개발이 활발히 이루어 지고 있다.

특히 엔진/변속기오일의 점도를 낮추게 되면 동력이 전달될 때 유체저항으로 손실되는 에너지를 최소화 할 수 있다. 하지만 그에 반해 점도가 낮아지게 되면 유막두께도 얇아져 금속간 마찰이 증가하게 되어 내구성에는 불리할 수 있다.

즉, 기존 엔진/변속기 오일에 있어서는 오일의 점도가 과도하게 상승하면 접촉시 마찰에 의한 동기를 방해하여 변속감이 떨어져 연비가 악화된다. 또한, 오일의 점도가 과도하게 하락하면 유막이 저감되어 기어 마모성이 증대되어 내구성이 떨어지게 된다.

그리하여 수동변속기오일의 고/저온 점도를 저감하면서도 내구성을 유지하며, 이와 더불어 수동변속기의 싱크로나이저의 마찰계수를 높여 변속효율 향상을 할 수 있는 수동변속기 오일 조성물의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

한국등록특허 제10-298035호 한국등록특허 제10-706434호 한국공개특허 제2008-0109877호

이에 본 발명자들은 수동변속기오일의 고/저온 점도를 저감하면서도 내구성을 유지하며, 이와 더불어 수동변속기의 싱크로나이저의 마찰계수를 높여 변속효율 향상을 통한 수동변속기 차량의 연비향상을 할 수 있는 수동변속기유 조성물에 대한 연구를 하여 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명의 일측면은 수동변속기유 조성물에 있어서, (A) 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide); 및 (B) 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA); 를 포함하는, 수동변속기유 조성물을 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면은 상기 (A) 및 (B) 성분과 관련하여, 통상의 기술자가 전혀 예상할 수 없는 조합비 또는 함량을 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면은 40℃ 에서 평균 동점도 19 ~ 22 cSt이고, 1200 rpm, 41kgf 및 80℃ 조건에서 동마찰계수가 0.083 ~ 0.095인 것을 특징으로 하는 수동변속기유를 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하기와 같은 해결 수단을 제공한다.

본 발명의 일측면은 수동변속기유 조성물에 있어서, 상기 조성물은 (A) 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide); 및 (B) 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA); 를 포함하는, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 (A)는 수동변속기유 조성물 전체 중량에 대하여 1중량% 내지 5중량%로 포함되며, 상기 (B)는 수동변속기유 조성물 전체 중량에 대하여 4중량% 내지 12중량%로 포함되는, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 (A) : (B)의 중량비는 1~5 : 4~12의 중량비로 포함되는, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 (B)는 올레핀 아마이드 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin aminde Comb　Polymethacrylate)인, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 수동변속기유 조성물은 내마모제, 마찰조정제, 극압제 및 산화방지제로 이루어진 첨가제군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 내마모제는 징크알킬디티오포스페이트이며, 조성물 전체 중량에 대하여 상기 징크알킬디티오포스페이트가 3중량% 내지 5중량%로 포함되는, 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 일측면에서, 상기 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 기유 80 내지 90 중량%; 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide) 1 내지 5중량%; 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA) 4 내지 12중량%; 및 내마모제로 징크알킬디티오포스페이트 3 내지 5 중량%;를 포함하는 수동변속기유 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 측면은, 상기 조성물 중 어느 하나의 조성물로 이루어지며, 40℃ 에서 평균 동점도 19 ~ 22 cSt이고, 1200 rpm, 41kgf 및 80℃ 조건에서 동마찰계수가 0.083 ~ 0.095인 것을 특징으로 하는 수동변속기유를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 수동변속기유 조성물은 마찰특성을 향상시킴과 동시에 연비를 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 수동변속기유 조성물은 40℃ 동점도 저감 극대화를 통한 유체저항 저감과 수동변속기 싱크로링에 사용되는 마찰재와 기어간 마찰계수를 높여 전달효율 및 연비향상(0.5%↑)을 극대화하는 효과가 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 수동변속기유 조성물은 상기 (A) 및 (B) 두 물질의 작용기가 싱크로마찰재 흡착되어 상대기어를 잡아줄때 미끌림(Slip)에 의한 에너지 손실을 최소화하는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본원발명 일측면에 따른 조성물의 A 및 B 성분이 수동변속기에 미치는 영향을 도식화한 것이다.
도 2는 본원발명의 (B) 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA)성분을 도식화한 것이다.

본 발명의 일측면에서는 도 1에서와 같이 기존품에 사용하지 않았던 마찰조정제의 일종인 Polyisobutenyl succinimide와 고/저온 점도저감 특성이 우수한 Olefin Amide Comb PMA 점도조정제를 조합하여 특정 혼합비율에서 40℃ 동점도 저감 극대화를 통한 유체저항 저감과 수동변속기 싱크로링에 사용되는 마찰재와 기어간 마찰계수를 높여 전달효율 및 연비향상(0.5%↑)을 극대화 하였다. 두 물질의 작용기가 싱크로마찰재 흡착되어 상대기어를 잡아줄때 미끌림(Slip)에 의한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다. 본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.

본 명세서에서, “기유”는 윤활유 조성물의 기본 구성물질이다.

본 명세서에서, “청정분산제”는 엔진/변속기 시스템에서 산화물이나 일부 슬러지등의 퇴적, 마모를 억제하며, 마찰특성등에 영향을 미친다.

본 명세서에서 “점도조정제”는 고/저온 점도를 증대시키며, 종류에 따라 저온유동특성이 달라질 수 있다.

본 명세서에서 “내마모제”는 마찰금속표면에 보호막을 형성하여 마모방지를 할 수 있다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 (A)는 하기 화학식 1과 같은 화학식을 가질 수 있다.

[화학식 1]

상기 (B)는 일반적인 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 형태이며, 도 2와 같이 도식화할 수 있다.

상기 (A) 및 (B)의 함량이 상기 범위를 만족할 때, 마찰특성 및 연비향상을 동시에 달성할 수 있다. 또한, 상기 (A)가 1% 미만시 청정성이 악화될 수 있으며, 5% 초과시 마찰계수 저하에 의한 내구성이 악화될 수 있다. 또한, 상기 (B)가 4% 미만시 점도저감 효과가 적어 연비효과 미비할 수 있으며, 12% 초과시 저온점도 높아져 저온작동성 악화될 수 있다.

상기 (A) 및 (B)의 중량비가 상기 범위를 만족할 때, 마찰특성 및 연비향상을 동시에 달성할 수 있다.

상기 올레핀 아마이드 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin aminde Comb　Polymethacrylate)는 하기 화학식 2와 같은 구조식을 가질 수 있다.

[화학식 2]

상기 징크알킬디티오포스페이트의 함량이 3중량% 내지 5중량%를 만족할 때, 마찰특성 및 연비향상을 동시에 달성할 수 있다. 또한, 상기 징크알킬디티오포스페이트의 함량이 3% 미만시 마모방지성 악화되며, 5% 초과시 마찰성능 악화될 수 있다.

상기 기유는 베이스 오일(base oil)로서, 100℃에서 평균 동점도가 3.8 ~ 4.2 cSt 및 2.8~3.2cSt 이고, 점도 지수가 100 이상인 API에서 규정한 GrⅢ이상의 기유를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기 실험예 및 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실험예 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-10 및 비교예 1-11

하기 표 1 및 표 2에 나타낸 조성물의 함량에 따라 실시예 1-10을 제조하였고, 표 3 및 표 4에 나타낸 조성물의 함량에 따라 비교예 1-11의 수동변속기유를 제조하였다.

표 1은 실시예 1-5에 관한 것으로, 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드를 3중량% 사용하고, 점도조정제로 올레핀 아마이드 Comb PMA를 4, 6, 8, 10 및 12 중량% 사용하여 조성물을 제조하였다.

구분 (중량%)		실시예
구분 (중량%)		1	2	3	4	5
기유	Grlll; Yubase 3, 4 (SK社)	90	88	86	84	82
청정분산제	칼슘 설포네이트 (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
청정분산제	폴리이소뷰티닐석신이미드 (Lubrizol社)	3	3	3	3	3
점도조정제	PMMA (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
	일반 Comb PMA (Rohmax社)	-	-	-	-	-
	올레핀 아마이드 Comb PMA (Sanyo社)	4	6	8	10	12
	SBR (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
내마모제	징크알킬디티오포스페이트 (Lubrizol社)	3	3	3	3	3

표 2는 실시예 6-10에 관한 것으로, 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드를 1, 2, 3, 4 및 5중량% 사용하고, 점도조정제로 올레핀 아마이드 Comb PMA를 8중량% 사용하여 조성물을 제조하였다.

구분 (중량%)		실시예
구분 (중량%)		6	7	8	9	10
기유	Grlll; Yubase 3, 4 (SK社)	88	87	86	85	84
청정분산제	칼슘 설포네이트 (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
청정분산제	폴리이소뷰티닐석신이미드 (Lubrizol社)	1	2	3	4	5
점도조정제	PMMA (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
	일반 Comb PMA (Rohmax社)	-	-	-	-	-
	올레핀 아마이드 Comb PMA (Sanyo社)	8	8	8	8	8
	SBR (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
내마모제	징크알킬디티오포스페이트 (Lubrizol社)	3	3	3	3	3

표 3은 비교예 1-6에 관한 것이다.

표 4는 비교예 7-11에 관한 것이다.

구분 (중량%)		비교예
구분 (중량%)		7	8	9	10	11
기유	Grlll; Yubase 3, 4 (SK社)	84	82	84	88.5	83
청정분산제	칼슘 설포네이트 (Lubrizol社)	-	-	-	-	-
청정분산제	폴리이소뷰티닐석신이미드 (Lubrizol社)	3	3	3	0.5	6
점도조정제	PMMA (Lubrizol社)	10	-	-	-	-
	일반 Comb PMA (Rohmax社)	-	-	10	-	-
	올레핀 아마이드 Comb PMA (Sanyo社)	-	-	-	8	8
	SBR (Lubrizol社)	-	12	-	-	-
내마모제	징크알킬디티오포스페이트 (Lubrizol社)	3	3	3	3	3

실험예 : 물성 측정

상기 실시예 1 ~ 10 및 비교예 1 ~ 11에 따라 제조된 수동변속기유에 대하여 다음과 같은 방법으로 물성을 측정하고 물성 값을 하기 표 5 및 6에 나타내었다.

(1)싱크로 동마찰계수를 1200rpm x 41kgf x 80℃조건에서 마찰재와 steel plate간의 동마찰 측정하였다.

(2) 40℃ 동점도를 ASTM D445에 따라 측정하였다.

(3) 연비개선율을 실차연비인 FTP 75 인증모드로 측정하였다. 상기 연비측정법은 한국 공인연비시험모드인 CVS 75와 동일하다.

(4) 내구후 Fe 마모함량을 엔진 260 ~ 1600rpm의 속도, 300 ~ 2000N 토크 1~6단 변속하면서 700h동안 평가하였다.

평가항목	실시예					비교예
평가항목	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	6
싱크로 동마찰계수	0.09	0.09	0.09	0.09	0.09	0.08	0.08	0.08	0.08	0.085	0.085
40℃ 동점도	23	22	20	20	19	25	23	26	23	25	24
연비 개선율 (%)	0.2	0.3	0.5	0.4	0.3	기준	0	-0.1	0	0	0
내구후 Fe 마모함량 (ppm)	140	140	130	140	140	150	160	180	160	150	150

평가항목	실시예					비교예
평가항목	6	7	8	9	10	7	8	9	10	11
싱크로 동마찰계수	0.082	0.083	0.09	0.091	0.089	0.085	0.085	0.083	0.082	0.086
40℃ 동점도	21	21	20	20	20	23	26	23	23	23
연비 개선율 (%)	0.1	0.2	0.5	0.4	0.3	0	0	0	0	0
내구후 Fe 마모함량 (ppm)	120	120	100	120	110	160	160	165	170	155

상기 실험결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 올레핀 아마이드 Comb PMA 함량은 4 ~ 12%일때 (실시예 1~5), 폴리이소뷰티닐석신이미드의 함량은 1 ~ 5%일때 (실시예 6~10) 연비 상승효과 및 내구후 마모량 저감 효과가 나타난다.

특히 올레핀 아마이드 Comb PMA와 폴리이소뷰티닐석신이미드의 비율이 (8:3wt% = 2.67:1) 에서 40℃ 동점도 최소 및 동마찰계수가 최대가 되어 실차연비 개선 및 내구성 강화가 극대화 되었다. (실시예 3, 8)

두 함량이 상기 범위보다 적을 때는 마찰재 흡착력이 떨어져 slip 발생에 의한 연비효과 적어지고 범위보다 클 때는 두 물질간의 저항력이 커져 오히려 연비효과가 반감된다. (비교예 5,6,10,11)

또한 두 물질이 각각 다른 점도조정제(PMA, Comb PMA, SBR등)나 다른 분산제와 작용시에는 40℃ 동점도 저감 및 마찰계수 상승이 미비하여 연비 개선효과가 없다. (비교예 1,2,3,4,7,8,9)

따라서, 본 발명의 일측면은, 메인 체인에 달리는 사이드 체인간의 길이가 달라 저온수축 및 고온팽창성을 극대화 할 수 있는 Olefin Amide Comb PMA (OACP)점도조정제와 청정분산제의 일종인 폴리이소뷰티닐석신이미드 (Polyisobutenylsuccinimide)를 조합하여 특정 혼합비율에서 40℃ 동점도를 낮추면서도 수동변속기 싱크로마찰재의 마찰계수를 높여 전달효율 및 연비향상을 극대화 하였다. 두 물질의 작용기가 싱크로링 마찰재에 흡착되어 동마찰계수를 높여주어 기어변속시 미끄러짐(Slip)에 의한 에너지 손실을 최소화 할 수 있다.

Claims

수동변속기유 조성물에 있어서,
상기 조성물은 (A) 청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide); 및 (B) 점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA); 를 포함하는, 수동변속기유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 (A)는 수동변속기유 조성물 전체 중량에 대하여 1중량% 내지 5중량%로 포함되며,
상기 (B)는 수동변속기유 조성물 전체 중량에 대하여 4중량% 내지 12중량%로 포함되는, 수동변속기유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 (A) : (B)의 중량비는 1~5 : 4~12의 중량비로 포함되는, 수동변속기유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 (B)는 올레핀 아마이드 콤 폴리메타크릴레이트(Olefin aminde Comb　Polymethacrylate)인, 수동변속기유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 수동변속기유 조성물은 내마모제, 마찰조정제, 극압제 및 산화방지제로 이루어진 첨가제군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는, 수동변속기유 조성물.
제 5항에 있어서,
상기 내마모제는 징크알킬디티오포스페이트이며, 조성물 전체 중량에 대하여 상기 징크알킬디티오포스페이트가 3중량% 내지 5중량%로 포함되는, 수동변속기유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여
기유 80 내지 90 중량%;
청정분산제로 폴리이소뷰티닐석신이미드(Polyisobutenyl succinimide) 1 내지 5중량%;
점도조정제로 주쇄(main chain)에 극성 및 비극성의 가지(branch) 중 어느 하나 이상이 연결된 콤 폴리메타크릴레이트(Comb　Polymethacrylate, Comb PMA) 4 내지 12중량%; 및
내마모제로 징크알킬디티오포스페이트 3 내지 5 중량%;를 포함하는 수동변속기유 조성물.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 조성물로 이루어지며,
40℃ 에서 평균 동점도 19 ~ 22 cSt이고,
1200 rpm, 41kgf 및 80℃ 조건에서 동마찰계수가 0.083 ~ 0.095인 것을 특징으로 하는 수동변속기유.