왜 필요한가
엔진에서는 4행정 엔진의 크랭크축이 분당 수천 번 돈다. 금속 두 면이 맞닿은 채 미끄러지면 마찰이 크다. 마찰 계수가 0.08–0.14쯤이라서 면이 갈리고 열이 난다.
두 면 사이에 기름을 넣으면 마찰 계수가 0.001–0.01로 내려간다. 윤활 장치는 그 기름을 금속 사이에 계속 보내는 장치다.
기름이 하는 일은 윤활만이 아니다. 엔진을 식히고(피스톤 아래에 뿜어 대기도 한다), 찌꺼기를 씻어 내고, 피스톤 링과 실린더 사이를 막고, 녹을 막는다. 소형 승용차 엔진이 드는 기름은 3.6–5.2 L쯤이다.
어떻게 움직이나 — 기름의 길
기름은 엔진 맨 아래 기름 통(오일 팬)에 모인다. 거름망(오일 스트레이너)이 달린 짧은 흡입관이 바닥 가까이까지 내려가 있어, 굵은 찌꺼기가 펌프로 들어가지 않는다.
펌프는 크랭크축이 돌린다. 펌프가 빨아올린 기름은 필터로 가고, 필터를 지난 기름은 엔진 안의 기름길(갤러리)로 간다. 승용차에는 트로코이드 펌프가 흔하고, 기어 펌프와 베인 펌프도 쓴다.
펌프 출구 옆에는 압력 조절 밸브(릴리프 밸브)가 있다. 스프링으로 눌린 이 밸브는 압력이 정해진 값을 넘으면 열려, 넘치는 기름을 펌프 입구나 기름 통으로 돌려보낸다.
필터는 엔진을 닳게 하는 알갱이를 걸러 낸다.
이렇게 걸러진 기름은 주 기름길(메인 갤러리)로 들어간다. 주 기름길은 엔진 블록을 가로지르는 기름길로, 기름은 여기서 크랭크축 메인 베어링과 캠축 베어링으로 갈라진다.
메인 베어링에 온 기름은 셸의 구멍을 지나 저널의 구멍으로 들어간다. 그 기름은 크랭크축 속 길을 지나 커넥팅 로드 쪽 저널로 나온다. 일을 마친 기름은 기름 통으로 떨어진다.
그림에서 기름이 지나는 길은 기름 통 → 거름망 → 펌프 → 압력 조절 밸브 → 필터 → 주 기름길 → 베어링 → 기름 통이다. 압력 조절 밸브는 펌프 바로 뒤에서 갈라지는 길이라, 압력이 높을 때만 기름이 그쪽으로 넘친다.
축이 기름 위에 뜨는 까닭
도는 저널은 축에 붙은 기름을 마찰로 끌고 간다. 끌려간 기름은 틈이 좁아지는 쐐기로 밀려 들어가고, 그곳에서 압력이 올라간다. 이 압력이 하중을 받쳐 두 면을 떼어 놓는다.
그래서 펌프는 기름을 보낼 뿐이고, 축을 띄우는 압력은 도는 축이 만든다. 멈춘 축 아래에 기름이 고여 있어도 축은 뜨지 않는다.
이 기름 막을 유막이라고 한다. 유막은 몇 마이크로미터 두께다. 축이 빨리 돌수록, 틈이 좁을수록, 기름이 진할수록, 하중이 작을수록 두꺼워진다.
가장 얇은 곳은 맨 아래가 아니라 조금 비켜난 곳이다.
멈춤·시동·달릴 때
멈춘 엔진에서는 저널이 베어링 셸에 얹혀 있다. 유막은 축이 돌아야 생기므로, 이런 미끄럼 베어링은 시동과 정지 때 닳는다. 기름 압력이 충분히 서 있는 동안에는 금속이 닿지 않는다.
시동을 걸면 크랭크축이 펌프를 돌리며 기름을 보내기 시작한다. 기름이 기름 통에서 거름망과 펌프와 필터를 지나 베어링에 닿기까지는 잠깐 걸린다. 그림의 버튼으로 시동 직후를 고르면, 기름이 가는 동안 축이 아래 셸에 닿아 있는 것을 볼 수 있다.
달릴 때는 축이 떠서 금속끼리 닿지 않는다. 기름 압력은 뜨거운 공회전에서 가장 낮고, 회전수를 따라 올라가다 조절 밸브가 열리면 더 오르지 않는다. 차가울 때는 기름이 진해 압력이 높다. 한 제조사의 정비 지침은 80 °C에서 공회전 0.7 bar, 3000 rpm 3.4 bar를 최소값으로 적는다.
왜 이렇게 생겼나
크랭크축 베어링은 볼 베어링이 아니라 미끄럼 베어링(플레인 베어링)이다. 반쪽 셸 두 장을 캡으로 죄어 축을 감싼다. 반으로 갈라 크랭크축에 끼울 수 있고, 같은 크기에서 하중을 더 받고 충격에 덜 민감하며, 작고 싸다. 셸은 캡을 조이면 약간 눌려 끼워져 돌지 않는다.
위 셸에는 기름 구멍과 기름 홈이 있다. 주 기름길에서 내려온 기름이 구멍으로 들어와 홈을 따라 베어링 전체에 퍼진다.
압력 조절 밸브는 회전수가 올라도 기름 압력이 정해진 값 위로 오르지 않게 막는다. 넘친 기름은 일을 하지 않고 기름 통으로 돌아간다.
필터가 막히거나 차가워 기름이 진하면, 기름은 필터를 지나 엔진에 이르지 못한다. 그래서 필터에는 우회 밸브가 있어 기름을 필터 너머로 보낸다.
쓰이는 곳과 변형
거의 모든 양산차는 기름을 엔진 밑 통에 담는 습식이다. 경주차나 곡예 비행기는 기름 탱크와 펌프를 여럿 두는 건식(드라이 섬프)을 쓴다. 급하게 돌 때 기름이 한쪽으로 쏠려 펌프가 공기를 빨아들이는 것을 막는다.
작은 2행정 엔진은 연료에 기름을 섞어(약 32:1) 태워 버린다.
이 그림에 대하여
엔진을 주 베어링 하나에서 자른 단면이다. 실제 엔진에는 베어링이 여럿 있지만 그림에는 하나만 그렸고, 기름이 지나는 길만 남기고 나머지 부품은 덜어 냈다.
축과 셸 사이의 틈은 실제로는 수십 마이크로미터(50 mm 저널에 지름 기준 25–83 µm)라 눈에 보이지 않는다. 그림에서는 이 틈을 200배로 키워 그렸다. 그래서 유막이 초승달 모양으로 보인다.
기름 압력은 회전수에 비례해 올라가다 4.2 bar에서 조절 밸브가 열린다고 본 모형이다. 판독값(회전수, 압력, 가장 얇은 유막 두께)은 이 모형에서 계산한다. 유막 두께는 모형값이고, 실제 유막은 몇 마이크로미터다.
기름의 이동과 축의 회전은 눈으로 따라갈 수 있게 실제보다 느리게 그렸다.