오일 필터
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1. 개요
오일 필터는 엔진 오일 내의 불순물을 제거하여 엔진의 성능을 유지하고 수명을 연장하는 장치이다. 1923년 미국에서 최초의 실용적인 오일 필터가 개발되었으며, 전체 흐름 방식과 우회 방식의 두 가지 주요 유형이 있다. 전체 흐름 방식은 엔진으로 공급되는 모든 오일을 필터링하고, 우회 방식은 오일의 일부를 필터링하여 더 작은 입자를 제거한다. 오일 필터는 기계식, 마그네틱, 침전식, 원심 분리기, 고효율 방식 등 다양한 방식으로 분류되며, 압력 릴리프 밸브와 역류 방지 밸브와 같은 부품을 포함한다. 한국 자동차 산업에서는 카트리지 방식 오일 필터의 채택이 증가하고 있으며, 친환경 기술 개발이 진행 중이다. 오일 시스템 내 필터 배치는 오일의 청결도와 비용, 유지 보수, 장치 성능 등을 고려하여 결정된다.
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| 오일 필터 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 전체 유량 바이패스 |
| 구성 요소 | 필터 매체 압력 릴리프 밸브 역류 방지 밸브 |
| 기능 | |
| 역할 | 엔진 오일에서 오염 물질을 제거하여 엔진을 보호 |
| 오염 물질 | 금속 조각 먼지 탄소 침전물 |
| 작동 원리 | |
| 작동 방식 | 엔진 오일이 필터 매체를 통과하면서 오염 물질을 걸러냄 |
| 바이패스 밸브 | 필터가 막히면 오일이 바이패스 밸브를 통해 엔진으로 직접 공급됨 |
| 종류별 특징 | |
| 전체 유량 필터 | 엔진 오일의 전체 유량을 처리 |
| 바이패스 필터 | 엔진 오일의 일부만 처리 |
| 관리 및 교체 | |
| 교체 주기 | 일반적으로 엔진 오일 교체 시 함께 교체 |
| 중요성 | 엔진 수명 연장에 기여 |
2. 역사
초창기 자동차 엔진에는 오일 필터가 없었으며, 오일 펌프 입구에 기초적인 메쉬 체만 설치되어 있었다.[15][1] 당시에는 일반적으로 오일의 품질도 낮았기 때문에 매우 빈번한 오일 교환이 필요했다.[1][15]
오일 필터는 크게 엔진 오일이 흐르는 방식에 따라 전체 흐름(Full-flow) 방식과 우회(Bypass) 방식으로 나눌 수 있다.
1923년, 미국인 발명가 어니스트 스위트랜드(Ernest Sweetland)와 조지 H. 그린할프(George H. Greenhalgh)는 최초의 실용적인 자동차용 오일 필터를 개발했다. 이들은 "pure oil later"(나중에 깨끗한 오일)라는 문구에서 혼성어를 만들어 "Purolator"라고 이름 붙였다.[16] 퓨롤레이터는 오늘날 바이패스 필터(bypass filter)라고 불리는 방식이었다.[17][2] 바이패스 필터는 오일 펌프에서 엔진 내부로 가는 오일 경로를 두 개로 나누어, 주 경로 외에 다른 경로에 필터를 두어 오일의 일부를 여과하는 방식이다.[17][2] 모든 오일이 여과되려면 시간이 걸렸지만, 오일 필터가 전혀 없는 것보다는 엔진 보호 측면에서 훨씬 신뢰성이 높았다.[17] 현재도 바이패스 필터는 후술할 풀 플로우 필터와 함께 사용되는 방식으로 디젤 엔진을 사용하는 대형 차량 등에 채택되고 있으며, 순정 오일 필터를 두 종류 탑재하는 차량도 많다.[17][18][19] 바이패스 필터는 모든 유압이 필터에 집중되지 않으므로 유량이나 여과지 밀도에 제약이 적어, 시간을 들여 미세한 입자까지 걸러내는 높은 여과 성능을 가질 수 있다.[21]
바이패스 필터가 등장하고 약 20년 후, 최초의 풀 플로우 필터(full-flow filter)가 개발되었다.[22] 이 방식은 오일 펌프에서 엔진 각 부분으로 오일이 보내지기 전에 모든 오일을 필터로 통과시키는 구조로, 현재 사용되는 대부분의 오일 필터가 이 형식을 따른다.[22]
하지만 풀 플로우 필터는 엔진의 규정 유압이나 오일 총량 등에 따라 필터 자체의 크기나 여과 가능한 최소 입자 크기 등에 어느 정도 제한이 있다.[20] 이 때문에 일부 엔진, 특히 대형 디젤 기관 등에서는 스핀온(spin-on) 방식 필터 내부에 풀 플로우 필터와 바이패스 필터를 모두 내장한 듀얼 필터(dual filter) 구성을 사용하기도 한다. 이 방식은 풀 플로우 필터로 상대적으로 큰 입자를 거르고, 바이패스 필터로 더 미세한 입자를 여과하여 여과 성능을 높이는 동시에, 유압 경로를 간소화하고 필터 개수를 줄여 비용을 절감하는 효과가 있다.[20]
3. 오일 필터의 종류
전체 흐름 방식은 오일 펌프에서 나온 엔진 오일 전부를 여과한 후 엔진 각 부분으로 보내는 방식이다.[22] 현재 대부분의 자동차에서 사용하는 일반적인 방식으로, 엔진 마모를 직접적으로 방지하는 것이 주 목적이다.
우회 방식은 오일 흐름의 일부만을 별도의 경로를 통해 필터로 보내 천천히 정밀하게 여과하는 방식이다.[2][27] 1923년 개발된 최초의 자동차용 오일 필터 '퓨롤레이터'가 이 방식이었다.[1][16] 우회 필터는 전체 흐름 필터가 걸러내기 어려운 미세한 오염 물질까지 제거하여 오일의 청정도를 높게 유지하는 데 효과적이다.[3][4][5] 이 때문에 전체 흐름 필터와 함께 보조적으로 사용되는 경우가 많다.[17][18][19]
엔진의 종류나 크기, 사용 환경에 따라 전체 흐름 필터와 우회 필터를 함께 사용하거나, 하나의 필터 유닛 안에 두 가지 기능을 모두 담은 듀얼 필터를 사용하기도 한다.[20] 듀얼 필터 방식은 주로 대형 디젤 엔진 등에서 유압 경로를 단순화하고 비용을 절감하기 위해 채택된다.[20]
3. 1. 전체 흐름 (Full-flow) 방식
전체 흐름 시스템은 펌프를 이용해 엔진 오일을 압축하여 여과기(필터)를 통과시킨 후 엔진 베어링으로 보낸다. 이후 오일은 중력에 의해 섬프로 되돌아간다. 드라이 섬프 방식의 엔진에서는 섬프에 모인 오일을 두 번째 펌프가 별도의 오일 탱크로 보낸다. 전체 흐름 방식 필터의 주된 기능은 엔진을 마모로부터 보호하는 것이다.
3. 2. 우회 (Bypass) 방식
초창기 자동차 엔진에는 오일 필터가 없었고, 오일 펌프 입구에 기초적인 메쉬 체만 설치되어 있었다.[26][15] 당시에는 오일 품질도 낮아 매우 잦은 오일 교환이 필요했다.[26][15]
1923년, 미국인 발명가 어니스트 스위트랜드(Ernest Sweetland)와 조지 H. 그린할프(George H. Greenhalgh)는 "pure oil later"라는 의미를 담아 '퓨롤레이터(Purolator)'[16]라는 이름의 최초 실용적인 자동차용 오일 필터를 개발했다.[1][16] 퓨롤레이터는 오늘날 우회(바이패스) 필터라고 불리는 방식이었다.[17][18][19] 이 방식은 오일 펌프에서 엔진 내부로 가는 오일 중 일부만 별도의 경로를 통해 필터로 보내 시간을 두고 천천히 여과하는 방식이었다.[2][27]
현대의 우회식 오일 필터 시스템은 주 오일 펌프에서 나온 오일의 일부를 받아 필터로 보낸 뒤, 여과된 오일을 엔진으로 직접 보내지 않고 오일 섬프나 오일 탱크로 되돌려 보내는 보조적인 여과 시스템이다.[28][29][30] 우회 필터의 주된 목적은 오일을 깨끗하게 유지하고 먼지, 그을음, 수분 등을 제거하여 오염을 막는 것이다. 특히 전체 흐름(Full-flow) 방식 필터가 걸러내기 어려운 더 미세한 입자까지 제거할 수 있어 오일의 수명을 연장하는 데 도움을 주며,[3][4][5] 동시에 전체 흐름 필터가 막히는 것을 방지하는 역할도 수행한다.[28][29][30]
우회 필터는 전체 흐름 필터처럼 모든 오일이 통과하지 않으므로 유량이나 여과지 밀도에 대한 제약이 적어, 시간을 들여 매우 높은 성능으로 오일을 여과할 수 있다.[21] 다만, 우회 필터 시스템이 전체 흐름 시스템의 오일 공급 압력에 영향을 주지 않도록 설계하는 것이 중요하며, 때로는 완전히 독립된 시스템으로 구성하기도 한다.[3][4][5]
원래 우회 필터는 오일 교환 주기를 늘리고 유지보수 비용을 절감하는 것이 중요한 상업용 및 산업용 대형 디젤 엔진에 주로 사용되었으나,[28][29][30][3][4][5] 최근에는 개인 소비자용 자동차에도 점점 더 많이 적용되고 있다.[28][29][30][3][4][5]
대형 디젤 차량 등에서는 전체 흐름 필터와 우회 필터를 함께 사용하는 경우가 많으며, 때로는 순정 필터가 두 종류 장착되기도 한다.[17][18][19] 이 경우, 모양이 비슷한 두 필터를 잘못 장착하지 않도록 주의해야 한다.[21] 또한, 하나의 필터 유닛 안에 전체 흐름 필터와 우회 필터 기능을 모두 담은 '''듀얼 필터'''도 있다. 이는 주로 대형 디젤 기관에서 유압 경로를 단순화하고 비용을 절감하기 위해 사용된다.[20]
3. 3. 여과 방식에 따른 분류
오일 필터는 작동 원리와 여과 방식에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 주요 방식은 다음과 같다.3. 3. 1. 기계식
기계식 오일 필터는 면 폐기물이나 주름진 여과지와 같은 재료를 사용하여 오일 속 부유 오염 물질을 물리적으로 걸러내는 방식이다.[31] 시간이 지나면서 여과재에 오염 물질이 쌓여 오일 흐름을 방해하므로, 주기적으로 필터 요소(여과 기능을 하는 핵심 부품) 또는 필터 전체를 교체해야 한다.
초기 엔진 오일 필터는 카트리지 방식(교체형 요소 방식)이었다. 이 방식은 영구적인 하우징 내부에 교체 가능한 필터 요소(카트리지)를 넣어 사용하며, 하우징은 엔진에 직접 부착되거나 파이프를 통해 연결되어 원격으로 장착되기도 했다.
1950년대 중반에는 하우징과 필터 요소가 일체형으로 된 스핀온 방식 오일 필터가 도입되었다. 이는 사용 후 필터 전체를 돌려 빼서 버리고 새것으로 교체하는 방식으로, 필터 교환이 더 편리하고 깔끔해져 빠르게 전 세계 자동차 제조업체의 표준 방식으로 자리 잡았다. 기존 카트리지 방식 차량을 위한 스핀온 방식 변환 키트도 출시되었다.[6][22]
그러나 스핀온 방식은 필터 전체를 폐기해야 하므로 폐기물 발생량이 많고 재활용이 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 필터 내부에 남는 폐유 처리도 번거로웠다.[23] 이러한 문제로 1990년대부터 유럽 및 아시아 자동차 제조업체를 중심으로 폐기물을 줄이기 위해 내부 여과재만 교체할 수 있는 신형 카트리지 방식(교체형 요소 방식)을 다시 채택하기 시작했다. 미국 자동차 제조업체들도 이 흐름에 동참했으며, 기존 스핀온 방식을 신형 카트리지 방식으로 바꿀 수 있는 개조 키트도 제공된다.[7][24]
시판되는 오일 필터는 설계, 재료, 구조 등에서 다양하다. 예를 들어, 금속 부품을 제외하고 완전히 합성 재료로 만든 필터는 전통적인 종이(판지/셀룰로오스) 필터보다 성능이 우수하고 수명이 길다. 이러한 차이는 필터의 여과 효율, 내구성, 가격에 영향을 미친다.[8][33]
기계식 필터의 주요 여과재는 다음과 같다.
일부 구형 오토바이(가와사키 제퍼 등)에서는 엔진 내부에 필터를 직접 장착하는 내장형 오일 필터 방식을 사용하기도 한다. 최근 자동차의 자동변속기나 무단변속기에도 교환 가능한 필터가 내장되는 경우가 많으며, 이들 모두 주기적인 교환이 필요하다.
스핀온 방식 필터는 엔진 사양에 따라 크기나 나사 규격이 다르므로 차종에 맞는 부품을 사용해야 한다. 또한, 외형이 같더라도 내부 구조가 다른 필터(예: 풀 플로우식, 바이패스식, 연료 필터)가 있을 수 있으므로 정확한 필터를 선택하는 것이 중요하다.[21]
3. 3. 2. 마그네틱
마그네틱 필터는 영구 자석 또는 전자석을 이용하여 오일 속의 강자성 입자를 포획하는 방식이다. 이 방식의 주요 장점은 필터 유지를 위해 자석 표면에 붙은 입자를 청소하기만 하면 되므로 유지 보수가 간편하다는 점이다.[25]
차량의 자동변속기에는 오일 팬 내부에 자석을 설치하여 마모로 인해 발생하는 미세한 금속 입자를 걸러내고, 여과지를 사용하는 일반적인 오일 필터의 수명을 연장하는 데 도움을 주는 경우가 많다.
애프터마켓 제품으로는 오일 필터 외부에 부착하는 자석이나 자석이 달린 오일 드레인 플러그(마그넷 드레인 볼트) 등이 있다. 일부 스핀온 방식 오일 필터 중에는 내부에 영구 자석을 넣어 자력 여과 기능을 추가한 제품도 존재한다. 또한, 엔진 외부에 별도의 오일 라인을 설치하여 필터를 장착하는 경우, 여과 필터 앞단에 자력식 필터를 추가하기도 한다.
자석을 이용한 오일 여과 방식은 1930년대 중반 자동차와 오토바이용으로 처음 발명되어 사용되기 시작했다.[34][9] 이러한 장치들이 실제로 금속 입자를 포획하는 데 도움이 된다는 의견도 있지만[35], 그 효과에 대해서는 여전히 논의가 계속되고 있다.[10]
3. 3. 3. 침전식
침전식 또는 중력층 필터는 중력의 영향을 이용하여 오일보다 무거운 오염 물질이 용기 바닥에 가라앉도록 하는 방식이다. 이는 '침강' 또는 '중력 침전'이라고도 불린다. 오일 경로의 일부에 침전조 역할을 하는 부분을 설치하여, 오일보다 무거운 슬러지를 가라앉힌다. 현재 대부분의 내연 기관에서 사용되는 습식 오일 팬식 윤활 기구의 오일 팬도 넓은 의미에서 침전식에 해당한다고 볼 수 있다.
효율적인 침전을 위해서는 침전조의 깊이가 일정하지 않고, 오일 흡입 스트레이너가 침전조 바닥에 직접 닿지 않도록 하는 것이 중요하다. 또한, 침전조에서 가장 깊은 곳이나 스트레이너 바로 아래에 강력한 영구 자석을 설치하는 것도 침전 효과를 높이는 데 도움이 된다.
3. 3. 4. 원심 분리기
'''원심분리식 오일 필터'''는 중력 대신 원심력을 이용하여 오일에서 오염 물질(슬러지, 금속 분말 등)을 분리하는 회전식 침전 장치이다.[36][11] 원리적으로는 다른 원심 분리기와 같다.
작동 원리는 다음과 같다. 오일 펌프에 의해 가압된 오일이 필터 하우징 중앙으로 들어가 베어링과 오일 씰 위에서 자유롭게 회전하는 드럼 로터로 유입된다. 로터에는 두 개의 제트 노즐이 있어, 오일 흐름을 이용해 드럼 로터를 고속으로 회전시킨다. 회전하는 로터 내부에서 오일은 강한 원심력을 받게 되고, 오일보다 무거운 오염 물질은 로터 내벽(하우징 벽)에 달라붙어 분리된다. 불순물보다 가벼운 정화된 오일은 중앙으로 모여 회수되고, 엔진이나 기계의 각 부분으로 보내진다.
원심 분리기의 장점은 다음과 같다.
하지만 주기적으로 하우징이나 드럼 로터 내부를 청소해야 한다. 청소하지 않으면 분리된 오염 물질이 두껍게 쌓여 결국 드럼 로터의 회전을 방해하고 원심 분리 기능을 상실하게 된다. 이 상태가 되면 여과되지 않은 오일이 그대로 재순환된다. 만약 오일 압력만으로 원심 분리기를 충분히 회전시키기 어려운 경우에는 기계적 또는 전기적 방식으로 구동될 수도 있다.
일부 스핀오프(spin-off) 방식 필터가 원심 분리기로 설명되기도 하지만, 실제 원심 분리기는 아니다.[11] 이러한 필터는 오일이 필터 내부에서 원심 소용돌이를 일으키도록 유도하여 오염 물질이 필터 외벽에 달라붙도록 돕는 방식을 사용한다.
내연기관에서 원심 분리식 필터를 채용한 예로는 혼다의 슈퍼 커브 및 그 파생 차종이 유명하다. 이들 모델은 원심 클러치의 안쪽 부분에 원심 분리식 오일 필터를 갖추고 있다. 다만, 슈퍼 커브 계열 차종들은 스크린식 필터도 함께 사용하며, 2018년 이후 일본 내수용 모델에는 카트리지식 필터도 추가되었다.
3. 3. 5. 고효율 (HE)
고효율(HE) 오일 필터는 오일 교환 주기를 연장할 수 있다고 주장되는 바이패스 필터의 한 종류이다.[30][5] HE 오일 필터는 일반적으로 3 마이크로미터의 기공 크기를 가지며, 연구에 따르면 엔진 마모를 줄이는 것으로 나타났다.[37][12] 일부 차량들은 오일 교환 주기를 5~10배까지 늘릴 수 있었다.[38][13]
4. 오일 필터의 구조 및 작동 원리
오일 필터는 엔진 윤활 시스템의 핵심 부품으로, 오일 내 불순물을 걸러내는 역할을 한다. 대부분의 오일 필터에는 특정 상황에서 엔진을 보호하기 위한 추가적인 기능들이 포함되어 있다. 예를 들어, 오일 흐름에 과도한 저항이 발생할 경우(필터 막힘, 저온 등) 오일이 필터를 우회하여 엔진으로 계속 공급될 수 있도록 하는 '''압력 릴리프 밸브'''가 내장되어 있다. 또한, 엔진 정지 시 필터 내의 오일이 오일 팬으로 역류하는 것을 막아 재시동 시 윤활 지연을 방지하는 '''역류 방지 밸브'''(배출 방지 밸브 또는 안티 드레인 밸브)가 포함되기도 한다. 이러한 구성 요소들은 엔진을 오일 부족이나 초기 마모로부터 보호하는 데 중요한 역할을 한다.
4. 1. 압력 릴리프 밸브
대부분의 가압식 윤활 시스템에는 압력 릴리프 밸브(과압 릴리프 밸브)가 장착되어 있다. 이 밸브는 오일 필터 내부 또는 유압 경로 중 한 곳에 위치하며, 오일의 흐름 저항이 비정상적으로 높아졌을 때 오일이 필터를 거치지 않고 직접 엔진으로 흐르도록 경로를 열어주는 역할을 한다. 이를 통해 오일 부족으로 인한 엔진 손상을 예방한다.
압력 릴리프 밸브가 작동하는 주요 상황은 다음과 같다.
- 필터 막힘: 오일 필터가 오염물질로 심하게 막혀 오일이 원활하게 통과하지 못할 때.
- 저온 시동: 기온이 매우 낮아 오일의 점도가 높아져 필터를 통과하기 어려울 때.
이러한 상황에서 밸브가 열리면, 여과되지 않은 오일이 엔진으로 공급될 수 있지만, 엔진에 오일 공급이 완전히 중단되는 치명적인 상황을 막을 수 있다. 또한, 오일 점도 증가로 인해 필터 내부 압력이 과도하게 상승하여 필터 자체가 파손되는 것을 방지하는 역할도 한다.
4. 2. 역류 방지 밸브 (안티 드레인 밸브)
오일 필터가 엔진보다 높은 위치에 있거나 옆으로 누워서 장착되는 경우, 엔진 정지 시 필터 내부의 오일이 오일 팬으로 다시 흘러내릴 수 있다. 이를 방지하기 위해 오일 필터 내부 또는 오일 팬의 스트레이너에는 '''안티 드레인 밸브'''라고도 불리는 역류 방지 밸브가 설치되는 것이 일반적이다.[21]
이 밸브는 엔진이 꺼진 후에도 오일이 필터 내부에 머물도록 하여, 재시동 시 오일 압력 상승 지연을 막는다. 즉, 엔진을 다시 시동할 때 오일 펌프가 빈 필터를 채울 필요 없이 즉시 엔진 각 부분으로 오일을 공급할 수 있게 돕는다. 만약 역류 방지 밸브가 없다면, 재시동 시 가압된 오일이 엔진의 작동 부품으로 이동하기 전에 필터를 먼저 채워야 하므로, 엔진 내부 부품에 오일이 도달하는 시간이 지연된다. 이러한 상황은 '드라이 스타트'라고 불리며, 초기 윤활 부족으로 인해 움직이는 부품의 조기 마모를 유발할 수 있다. 따라서 역류 방지 밸브는 엔진 보호에 중요한 역할을 한다.
5. 오일 시스템의 필터 배치
오일의 청결도를 어느 수준으로 유지할지 결정하는 것은 중요하다. 왜냐하면 청결도가 높아질수록 비용이 급격히 증가하기 때문이다. 오염 관리 프로그램에 맞는 최적의 목표 청결도를 정한 후에는 필터의 위치를 최적화하는 것이 중요하다. 효과적인 오염 관리를 위해서는 필터 위치를 정할 때 여러 요소를 고려해야 한다. 예를 들어, 필터가 단순히 부품을 보호하기 위한 것인지, 아니면 시스템 전체의 오염을 제어하기 위한 것인지 구분해야 한다. 또한 유지 보수를 위해 필터에 쉽게 접근할 수 있는지, 그리고 목표한 청결도를 달성하기 위해 고려 중인 장치의 성능은 충분한지 등을 종합적으로 검토해야 한다.[39][14]
참조
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普通車のスピンオン式オイルフィルターには約0.5L程度のオイルが常時滞留するため、オイル交換の際にフィルター交換の有無に応じてオイルの交換量を増減させる必要がある。また、取り外したオイルフィルターには大量のオイルが溜まっているために、そのまま安易に廃棄すれば廃棄場所に廃油を垂れ流すことにも繋がってしまう。
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