윤활기유 공정, base oil, 기유, 윤활유, 엔진오일 종류

 

안녕하세요. EnerTravel입니다. 

 

우리가 일상생활에서 주기적으로 교환하는 자동차 엔진오일은 사실 85% 이상의 윤활기유(Base Oil)에 여러 가지 첨가제 등을 더하여 차종/엔진에 맞게 Customizing 된 제품입니다. 세계적인 정유/석유화학 강국인 한국은 윤활기유/윤활유 관련하여서도 세계적인 기술 경쟁력을 보유하며 시장을 선도하고 있는데요. 오늘의 EnergyTok 주제 "윤활기유, 윤활유 제품 종류"에 대하여 상세하게 알아봅시다.

 

윤활기유(Base Oil) 이란?

윤활유의 종류는 매우 다양하지만 모든 윤활유는 ‘기유(Base oil)’를 기본 원료로 만듭니다. 기유의 종류로는 크게 원유의 정제 공정을 통해 나온 기유와 인공적으로 합성해서 만든 합성기유가 있습니다. 기유는 윤활유의 80~90% 이상을 차지합니다. 자동차 엔진오일 또는 기어오일의 경우는 기유 비율이 80~85%, 유압 작동유나 터빈 오일과 같은 산업용 오일의 경우 무려 95~99%를 기유가 차지합니다. 기유의 비중이 큰 만큼, 기유의 품질과 성능은 윤활유 전체의 성능과 품질을 결정하며, 안전하고 오랫동안 쓸 수 있는 윤활유를 만들기 위해서는 ‘산화 안정성’과 ‘열 안정성’이 좋은 기유가 필요합니다. 파라핀이 많은 기유는 강한 파라핀의 단일결합력으로 인해 열 산화 반응에 안정적입니다. 반면 아로마틱 탄화수소는 열 산화 안정성이 좋지 않아 윤활유를 빠르게 산화시킵니다. 또한 파라핀 기유는 온도 변화에 따른 점도 변화가 낮아, 즉 VI(Viscosity Index) 값이 높기에 상대적으로 파라핀이 많은 기유는 엔진오일에서 많이 사용됩니다.

 

 

윤활기유는 미국 석유협회(API)의 윤활기유 분류기준에 따라 Group Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, 로 나뉘는데, Group Ⅰ은 동남아, 인도 등 개발도상국 등지에서만 현재는 사용을 하고 있으나, 점차 그 수요가 감소하고 있고 세계적으로는 탁월한 저온유동성과 고점도 지수를 갖춘 Group Ⅱ와 최고급 자동차용 및 산업용 윤활유를 위한 고품질 프리미엄 베이스오일인  Group Ⅲ 시장으로 나뉘어 통상적으로 점도지수가 120보다 높으며, 황 함량은 0.03% 보다 낮고 포화물 함량 또한 9% 이상을 유지하는 제품입니다. 산업이 고도화/정밀화되며 고점도지수(HVI) 유압 작동유 등 다양한 Spec을 요구하는 산업용 윤활유의 수요도 점차 증가하고 있어 이러한 요구를 충족시켜 줄 수 있는 프리미엄 윤활기유 시장은 꾸준히 성장할 전망입니다. 국내 윤활기유 제품 중에서는 SK의 Yubase, GS칼텍스의 Kixx Lubo는 세계 시장에서 존재감 있게 자리매김한 최고의 고급 기유 브랜드가 되었으며, 국내를 포함한 아시아 시장에서 쉘, 토탈에너지스, Exxon Mobil 등 글로벌 메이저들 또한 전략적으로 진출하여 치열한 경쟁을 펼치고 있습니다.

 

윤활기유(광유) 생산공정

 

Step 1.

무거운 잔사유에서 기유를 얻기 위해서는 우선 진공에 가까운 압력 하에 잔사유를 감압증류 처리하고. 이때 나오는 감압 가스 오일(VGO)을 수첨탈황 분해공정을 통해 등유, 경유와 같은 경질 석유제품과 왁스유로 전환시킵니다. 이 왁스유가 다시 공정을 거쳐 윤활기유로 다시 태어날 준비를 마칩니다.

Step 2.

왁스유를 Solvent에 대한 용해도 특성을 활용하여 윤활기유의 원료(Group Ⅰ)와 아스팔트의 원료인 Pitch로 분리

Step 3. 

왁스유를 용제 추출공정을 거치지 않고, 수소를 이용한 촉매반응을 통해 다중결합을 깨고 수소와 결합하며 Wax 성분을 제거한 윤활기유를 Group Ⅱ, 이를 한번 더 반복하며  방향족 성분을 포화시켜 윤활유 고점도 지수(Very High Viscositiy Index) 초고점도지수 VHVI의 Group ||| 기유 제품을 생산합니다.

 *그룹Ⅳ와 그룹Ⅴ는 합성 기유이며, 그룹Ⅰ에서 Ⅲ로 갈수록 고급 윤활유로 취급됩니다.

 

합성기유

합성기유는 원유에서 얻은 기유와 달리 불순물이 적고, 산화 안정성이 월등히 좋습니다. 특히 지방산을 갖고 합성하는 폴리올 에스테르 기유는 좋은 용해도와 산화 안정성을 가진 데다가 자연에서 분해되는 친환경 윤활유로도 각광받고 있습니다. 합성기유는 에스테르, 폴리부텐, 폴리알킬렌글리콜 등을 인공적으로 합성하고, 작용기를 몇 개 붙이느냐에 따라 성능과 물성을 다르게 만들 수 있다는 장점도 있습니다.

 

윤활유는 자동차 연비에도 긍정적인 영향을 줄수 있습니다. 윤활유의 점도가 높을수록 엔진은 더 많은 에너지를 소모합니다. 윤활유가 끈적거리고 무거울수록 오일을 펌프질 하는데 에너지 소모가 더 많을 것이 분명하기 때문입니다. 즉, 엔진오일을 통해 펌프질 하는 에너지를 줄이고, 엔진을 움직이는 부품들이 더 적은 에너지를 소모하기 위해서는 점도를 낮추는 저점도화가 핵심입니다. 또한 저점도화뿐만 아니라 점도지수를 높여 저온에서 고온까지 점도의 변화를 작게 만드는 것도 연비 향상에 중요한 요소입니다. 윤활유를 저점도화 하기 위해서는 베이스가 되는 기유의 품질이 중요합니다. 이 때문에 API 기준의 그룹Ⅲ 기유와 폴리 알파 올레핀(PAO)나 에스테르계 기유와 같은 고성능 기유 사용이 증가하고 있습니다. 이러한 이유로 PAO 성분이 포함된 합성기유를 기반으로 한 자동차 엔진오일에 대한 관심이 높아지고 있으며, 필자 또한 엔진오일을 고를 때 PAO 성분을 꼭 확인하는 편입니다.

 

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윤활유 제품 이란?

- 도구의 마찰과 손상을 줄이기위해 도포하는 기름

- 과거에는 올리브유, 땅콩기름 혹은 소나 양에서 채취한 동물성 기름을 사용했으나, 산업혁명 이후 석유(광유)나 합성 윤활유 대중화

-화학적으로는 다양한 성분의 첨가제를 함유하고 있는 파라핀계, 나프텐계, 방향족계 탄화수소체 유분

(탄화수소에 대해 좀 더 알아보고 싶으신 분들은 아래 이전 발행글 링크를 참조 부탁드립니다~)

2023.04.19 - [EnergyTok/정유, 화학 Biz] - 탄화수소

탄화수소

 

윤활유 종류

윤활유는 Base가 되는 기유가 무엇인지. 어떤 첨가제를 넣을지 실로 제품의 종류가 매우 다양합니다. 또한 사용하려는 대상의 온도, 압력, 환경 등에 따라 그에 맞도록 세부적으로 다르게 제작된 수많은 Spec의 윤활유제품이 생산되며 고객의 수요를 충족시키고 있습니다. 

 

 점도/상태에 따른 분류

- 시계나 계측기와 같이 정밀한 기계에 사용하는 점도가 낮은 액체 윤활유(정밀기계유)
- 증주제를 첨가한 젤 타입의 반고제 윤활제로 윤활작용이 오래가고 누출이 적은 그리스(grease)   
- 아주 높은 온도와 압력을 견뎌야 하는 베어링에는 안정적이고 마찰을 잘 견딜 수 있는 고체 윤활유

 

기유와 첨가제

제2차 세계대전 이후 산업 설비와 기술이 발전하고, 고온, 고압, 고부하와 같이 까다로운 조건 속에서도 고성능의 윤활유 제품이 필요해지면서 첨가제가 발달했습니다. 널리 사용되는 첨가제는 산화방지제, 분산제, 청정제, 마찰 조정제와 마모방지제, 유화제, 소포제, 점도 지수 향상제, 유동점 강하제, 부식 방지제 등이 있습니다.

대부분의 윤활유에 필수적으로 들어가는 첨가제는 산화방지제입니다. 마찰열 또는 고온의 환경에서 열 산화가 이뤄질 경우, 유기과산화물이나 슬러지와 같은 불순물을 만들어 부품을 망가뜨릴 수 있습니다. 산화방지제는 열로 인해 생기는 산화를 막는 역할을 합니다. 청정제와 분산제는 연소에서 생기는 그을음과 부산물 유기과산화물을 사전에 제거하거나 슬러지로 뭉치는 것을 방지하는 첨가제입니다. 마찰 조정제와 마모방지제는 여러 동력 기관의 부품들 사이에서 마찰과 마모를 줄여줍니다. 유화제는 외부나 내부적으로 발생한 물을 내부에 골고루 퍼질 수 있도록 만드는 첨가제입니다. 물이 뭉치게 된다면 기화 또는 응결할 수 있기 때문에 사전에 이를 막는 것입니다. 소포제는 빠르게 흐르는 오일에서 거품이 생기지 않도록 줄여주며, 점도 지수 향상제는 점도의 변화를 최소화하여 유막을 유지할 수 있도록 돕습니다. 추울 때도 윤활유가 굳지 않도록 만드는 유동점 강하제도 있습니다. 

 

자동차 엔진오일

윤활유의 종류 중 우리에게 가장 익숙한 윤활유는 ‘엔진오일’이라 불리는 자동차용 윤활유입니다. 차량용 엔진오일의 가장 중요한 임무는 ‘윤활’과 ‘냉각’입니다. 엔진 내부의 피스톤이 분당 1,000회에서 3,000회 이상 움직이는 과정에서 마찰열이 발생하기 때문에, 엔진오일은 피스톤과 실린더 사이에 막을 형성해 마찰을 감소시키고, 열을 감소시키는 냉각 역할을 하게 됩니다.

 

 

엔진의 특성에 따라 경유 자동차와 가솔린 자동차가 다른 엔진오일을 사용해야 하는 것은 물론 세부적인 자동차 차종별 엔진의 특성에 따라 필요한 윤활작용을 극대화한 Customizing 제품들도 많이 출시되고 있는데요. 기존에 현대자동차 등 완성차 업체에서 자체 상표로 출시하고 있는 제품뿐만 아니라, SK 엔무브, GS칼텍스와 같이 정유사 홈페이지를 통해서도 보유차종에 적합한 제품을 쉽게 검색하여 찾으실 수 있습니다. 일반적으로 디젤엔진은 디젤 연료를 고온 압축해 자연발화로 폭발시킵니다. 이 과정에서 엔진오일에 검댕이 생기며 까매지거나 슬러지가 발생할 수 있으며, 또 디젤의 황 성분이 엔진오일을 산성화 시킬 가능성이 있습니다. 이 때문에 디젤 엔진오일에는 가솔린 엔진오일보다 더 많은 첨가제가 들어가며 가격대가 비교적 높은 편입니다.

 

 

오늘은 "윤활기유 공정"에 대하여 알아보았습니다!
다음 글에서는  "잔사유 탈황공정(Vacuum Residue De-Sulfurization)"에 대해 알아보도록 하겠습니다~