급가속 주행 시 엔진오일 내 기포 발생 유동 해석과 거품 완화 첨가제 연구

현대의 고성능 엔진은 가혹한 조건에서의 동작이 요구되는 장면이 많아지고 있으며, 특히 급가속 주행에서의 엔진오일의 거동이 주목받고 있습니다. 그 중에서도, 오일 내부에 발생하는 기포(에어레이션)는, 윤활 성능의 저하나 금속 부품의 마모를 초래하는 원인으로서 엔지니어링 분야에서 큰 관심을 모으고 있습니다.

목차

• 급가속 시 발생하는 기포의 메커니즘이란?
• CFD에 의한 기포거동 유동해석
• 거품 억제를 목적으로 한 첨가제의 역할과 연구 동향
• 실주행시험과 시뮬레이션의 융합을 통한 개발
• 향후 전망: 차세대 엔진에 적용 가능
• 정리

급가속 시 발생하는 기포의 메커니즘이란?

급가속 시 엔진 내부에서는 오일펌프에 의한 고유량의 순환이 이루어지고, 또 크랭크샤프트의 고속회전에 의해 오일이 심하게 교반됩니다. 이 상황에서는 오일에 녹아든 공기가 해방되어 미세한 기포가 되어 분산됩니다.

이러한 기포는 일시적으로 윤활성을 손상시킬 뿐만 아니라 오일의 점도 변화, 냉각 능력 저하, 베어링 표면의 캐비테이션 손상 등의 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다.

CFD에 의한 기포거동 유동해석

이 문제의 본질을 해명하기 위해 최근에는 CFD(수치유체역학)를 이용한 시뮬레이션이 활발하게 이루어지고 있습니다. CFD는 다음과 같은 점에서 우수한 해석 도구입니다:

오일 유로 내 압력 분포와 유속 벡터 가시화

기포의 생성 지점이나 체류·확산의 경향을 분명히 하다

엔진 회전수, 오일 온도, 펌프 양정 등의 파라미터 최적화에 기여

특히 VOF(Volume of Fluid)법이나 LES(대와시뮬레이션)와 같은 방법에 의해 미세기포의 거동이나 계면장력의 영향까지 고정밀도로 재현 가능합니다.

거품 억제를 목적으로 한 첨가제의 역할과 연구 동향

기포를 근본적으로 제어하기 위해서는 물리적 설계 개선뿐만 아니라 화학적 수단으로서의 첨가제 활용이 효과적입니다. 거품 억제에 특화된 첨가제는 다음과 같은 메커니즘으로 기능합니다:

표면장력 제어: 기포생성 기점 감소

거품의 파열 촉진: 생성된 기포를 조기에 소멸시킴

분산성 향상: 거품을 균일하게 분산시켜 국소 윤활 장애 방지

현재 연구에서는 폴리 메타 크릴 산에스테르류, 실리콘계 화합물, 폴리 머 표면활성제 등이 시험되었으며, 내산화성과 고온에서의 안정성을 겸비한 복합첨가제 개발이 진행되고 있습니다.

실주행시험과 시뮬레이션의 융합을 통한 개발

이론적인 연구뿐만 아니라 실차 주행을 통한 필드 테스트도 중요합니다. 구체적으로는

고회전, 고부하 조건에서의 기포량 측정(광학 센싱 기술)

오일샘프내온도·압력변화와기포생성의상관분석

첨가제 처방 유무에 따른 마모량 및 윤활 지속성 비교

이러한 데이터는 CFD 모델의 타당성 검증에도 활용되며 실험과 시뮬레이션 피드백 루프가 개발 효율을 비약적으로 높이고 있습니다.

향후 전망: 차세대 엔진에 적용 가능

향후의 과제로서는, 전동화의 진전에 의해 엔진의 사용 조건이 다양화하는 가운데, 종래의 거품 억제 기술을 어떻게 적응·진화시켜 나갈지가 추궁 당합니다. 또, 환경 부하가 적은 바이오 베이스 오일과의 궁합이나, 저점도 오일에서의 기포 발생 경향이라고 하는 새로운 변수에도 주목이 필요합니다.

정리

급가속 주행 시 엔진오일 내에서 발생하는 기포 문제는 윤활 성능과 엔진 신뢰성을 좌우하는 중요한 기술 과제입니다. 유체역학적 해석 기술과 첨가제 화학의 융합으로 향후 보다 고성능이고 지속 가능한 엔진 설계가 기대됩니다.

엔진 보호를 목적으로 한 연구는 단순한 성능 향상뿐만 아니라 보다 안전하고 효율적인 모빌리티 사회 구축에도 크게 기여할 것입니다.