나노다이아몬드 윤활제 첨가 윤활유의 제조는 낮은 제조비용, 높은 생산성, 높은 분산성의 특징을 가지는 매트릭스합성 분산법을 사용하여 기본유체에 각각 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 분산하여 제조하였다[18]. Figure 1은 포뮬렉션 사의 터비스캔 장비를 이용하여 분산안정성을 측정한 그래프이다. 투명한 용기에 제조된 나노유체를 채운 후, 빛을 투과시켜 그 산란되는 패턴을 그래프화하고, 일정 주기마다 반복 측정하여 얻어진 그래프들과 비교하는 방식으로 분산안정성을 평가한다. 측정결과 30일 이상 응집 및 침전현상이 관찰되지 않았다.

Figure 1: 
Result of stability test

Figure 2는 윤활제 첨가 윤활유를 적용한 디젤기관의 성능평가를 위해 구성한 실험장치의 개략도이다. 본 실험에 사용된 엔진은 3,298cc의 배기량과 16:1의 압축비를 가지는 상용 디젤엔진(D4AK-C)으로서, 수동력계에 의해 부하가 조절된다. 이때의 실린더 압력은 엔진 연소실에 직접 체결된 압력센서(Kistler 6052C)에 의해 측정되고, 배기라인에 장착된 배기가스분석기(Greenline MK2), 스모크미터(DS-4000Q)에 의해 CO, 스모크가 측정된다.

Figure 2: 
Schematic of experimental system

Figure 3은 기본유체를 엔진에 적용하여 설정한 실험조건을 나타낸다. 나노다이아몬드 윤활제를 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 분산하여 제조된 윤활유를 상용 디젤기관에 적용하여 저속, 중속, 고속을 대표하는 700, 1300, 1900rpm 조건에서 idle, 50%, 75%, 100%부하를 주어 디젤기관의 성능변화를 평가하였다. 윤활제 첨가 시 윤활제가 제 성능을 발휘할 수 있도록, 50% 부하 조건에서 24시간 이상의 예비구동을 거친 후 실험을 수행하였고, 윤활유는 엔진 자체의 공급 방식에 따라 7.5L를 공급하였다.

Figure 3: 
Test Conditions

Figure 4는 나노다이아몬드 윤활제를 첨가한 윤활유를 사용한 디젤기관의 rpm증가에 따른 최대토크의 변화를 나타낸다. 엔진오일의 밀봉성 향상에 의한 결과로 사료되는 최대토크의 증가 경향이 모든 실험구간에서 확인되었는데, 특히 0.1, 0.3wt%조건에서 5%이상의 큰 최대토크 증가 경향을 확인하였다.

Figure 4: 
Variations of max torque according to engine speed

Figure 5 (a), (b), (c), (d)는 나노다이아몬드 윤활제를 첨가한 윤활유를 사용한 디젤기관에서, 700rpm 일때 idle, 50%, 75%, 100% 부하조건에서의 실린더 압력을 나타낸다. 윤활제 첨가에 의한 마찰토크 감소의 영향으로, 동일한 제동토크 조건에서 최대 실린더 압력이 낮아지는 경향을 보였으며 1300, 1900rpm 에서도 유사한 경향을 보였다.

Figure 5: 
Variations of cylinder pressure at 700rpm

모든 rpm 조건에서 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 첨가비가 증가함에 따라 실린더 최대압력은 각각 1.1, 2.8, 2.5, 1.6% 감소하였다.

Figure 6은 700, 1300, 1500rpm 조건에서, 윤활제 첨가wt%와 동력계 부하를 달리했을 때의 연료소모율 변화를 나타낸다. 기관윤활성 향상의 결과로 사료되는 연료소모율 향상 경향이 모든 실험구간에서 확인되었는데, 특히 0.3wt% 조건에서 큰 연료소모율 향상 경향을 보였고 첨가제 함량 증가에 따라 향상 정도는 작아졌다. 모든 rpm 조건에서 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 첨가비가 증가함에 따른 연료소모율은 각각 5.9, 8.5, 9.1, 9.7% 향상되었다.

Figure 6: 
Variations of SFC at 700, 1300, 1900rpm

Figure 7은 700, 1300, 1500rpm 조건에서, 윤활제 첨가 wt%와 동력계 부하를 달리했을 때의 CO 변화를 나타낸다. 마찬가지로 실험조건에서 CO가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 윤활제 첨가에 따른 실린더 내부 밀봉성 향상에 의한 연소 활성화에 기인한 것으로 사료된다. 0.3, 0.5, 1wt%의 비교적 높은 wt%조건에서 큰 CO 감소폭을 보였는데 그 경향은 일정치 않았으며, 모든 rpm 조건에서 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 첨가비가 증가함에 따라 각각 2.9, 1, 7, 5.4% 감소하였다.

Figure 7: 
Variations of CO at 700, 1300, 1900rpm

Figure 8은 700, 1300, 1500rpm 조건에서, 윤활제 첨가wt%와 동력계 부하를 달리했을 때의 smoke 변화를 나타낸다. 역시 모든 조건에서 감소하였는데, 이는 CO의 감소경향과 마찬가지로 연소활성화에 기인한 결과로 사료되며, 앞선 결과와 마찬가지로 0.3wt%에서 가장 큰 저감 경향을 보인 후 wt%증가에 따라 저감율이 소량 감소하는 경향을 확인하였다. 스모크 감소량은 모든 rpm 조건에서 0.1, 0.3, 0.5, 1wt%로 첨가비가 증가함에 따라 각각 23%, 29%, 29%, 30%로 큰 감소폭을 보였다.

Figure 8: 
Variations of Smoke at 700, 1300, 1900rpm