[비센의 재미있는 과학 이야기] 가솔린 옥탄가
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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일14-12-02 11:29 조회2,580회 댓글0건관련링크
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석준영 비센학원장 늘상 접하는 가스(gas), 그곳에 숨어있는 과학 지식들
주유소에 가보면 가솔린 연료가 일반적으로 보통, 중간, 고급 이렇게 세등급, 또는 네 등급정도로 나뉘어 있는 것을 보실 수 있습니다.
대부분의 자동차 딜러나 정비사들은 각 자동차의 모델에 정해져 있는 등급의 가솔린을 주유해야 한다고 이야기하는데, 어떤 사람들은 레귤러를 사용하도록 되어 있는 차량이라도 높은 등급의 연료를 사용하면 엔진의 성능이 더 좋아질 수 있다고 하기도 하고, 또 어떤 이들은 반대로 높은 등급의 연료를 권장하는 차량이라도 낮은 등급의 가솔린을 주유해도 아무런 문제가 없기 때문에 경제적인 측면으로 볼 때 굳이 비싼 고급 연료를 고집할 필요는 없다라고 이야기하는 분들도 만나볼 수 있습니다. 과연 어떤 이야기가 맞는 것일까요?
기본적으로 가솔린 연료의 등급을 나누는 기준은 ‘옥탄가’입니다. 주유기의 가솔린 등급 선택 버튼에서 87, 89, 91, 또는 94와 같은 숫자를 보신 적이 있으실 텐데, 이 숫자들이 바로 ‘옥탄가’를 나타내는 값들입니다. 이 ‘옥탄가’에 대해서 설명을 드리기 위해 우선 자동차 엔진의 원리와 ‘노킹(knocking) 현상’에 대해서 말씀을 드리겠습니다.
압축착화(CI, Compression Ignition)이라는 방식으로 구동되는 디젤엔진과 달리, 가솔린엔진은 스파크 점화방식(SI, Spark Ignition)이라는 원리로 엔진을 구동시킵니다. 이 방식은 실린더라고 불리는 공간에 가솔린 연료와 공기를 잘 섞어서 분무기로 뿌리듯이 분사시키고, 작은 스파크를 일으켜 그 스파크로 연료가 폭발시켜 그 힘으로 피스톤을 움직이는 원리입니다. 조금 더 쉽게 말씀드리면 주사기와 같이 생긴 공간에, 서커스에서 입으로 기름을 뿜고서 불을 붙여 불이 확 붙는 것과 같은 폭발을 만들어 내면, 그 힘으로 주사기의 뒷부분이 밀려 나가게 되는 힘을 이용하게 되는 것입니다. 이 때, 스파크에 의해서 연료가 한꺼번에 단일 폭발이 일어나야 피스톤이 가장 높은 출력으로 엔진을 움직일 수 있는 것입니다.
만약 연료의 발화점(불이 붙는 온도)가 너무 낮으면 스파크를 만들어 주지 않았는데도 스스로 자연발화를 일으켜서 연료가 불규칙적으로 작은 폭발을 자잘하게 일으켜서 피스톤에 힘을 온전히 전달해 주지 못하게 되고 이런 현상은 엔진안쪽벽을 두드리는 것과 같은 소음을 내게 되는데 이를 노킹(knocking)현상이라고 부릅니다.
당연히 이러한 노킹현상이 나면 듣기 싫은 소음이 계속될 뿐만 아니라 엔진의 성능이 현저히 떨어지고, 오랜 시간 이 현상이 지속되면 엔진에 구조적 손상이 가해질 수도 있습니다. 이 현상은 연료가 어느 온도에서 자연발화를 하는가에 따라 결정되고 그 때문에 각 연료의 특성과 밀접한 관계를 갖습니다. 자연발화를 일으키는 온도가 높을 수록 노킹에 저항(Anti-Knocking)하는 정도가 높다고 볼 수 있습니다. 이를 나타내주는 지표가 바로 ‘옥탄가’이고 옥탄가가 높을 수록 노킹이 잘 일어나지 않는다는 의미입니다.
이러한 지표를 ‘옥탄가’라고 부르는 이유는 이러한 노킹저항능력을 측정하는데 사용되는 물질이 바로 이소옥탄(iso-octane)이기 때문입니다. 많은 연료들의 노킹저항값을 측정하기 위해 기준 척도가 되는 값을 만들어 놓기 위해서 이소옥탄(iso-octane)과 노말햅틴(n-heptane)으로 이루어진 혼합연료를 만들어 이 두 연료의 혼합비율에 따라 노킹이 시작되는 온도를 측정해 놓고서, 각각의 다른 연료들이 이 표준치와 비교했을 때, 어떤 비율인 경우과 같은 온도에서 노킹이 시작되는지에 따라 ‘옥탄가’라는 값이 정해지게 되는 것입니다. 예를 들어, 91이라는 옥탄가를 갖고 있는 가솔린은 그 연료가 노킹현상을 일으키는 온도가 이소옥탄 91%, 노말햅틴 9%로 이루어진 연료를 이용해서 측정된 노킹 시작 온도와 같다는 의미입니다.
이 수치는 어떤 조건의 엔진에서 시험을 했느냐에 따라 RON(Research Octane Number)와 MON(Motored Octane Number) 두가지로 나뉘는데, 유럽이나 한국은 RON값을 표시하게 규정되어있고, 미국과 캐나다는 두 값의 평균치로 계산되는 AKI(Anti-Knock Index)값을 주유기에 표시하도록 되어 있습니다.
유럽에서나 한국의 주유소에서 표시된 옥탄가가 이곳 캐나다보다 조금씩 높은 것을 보시고, 북미의 가솔린연료가 상대적으로 질이 떨어지는 것이라 생각하셨던 분들도 있으실 수 있는데, 이는 특성상 MON값이 RON값에 비해서 낮게 측정되기 때문에, 그 두 값의 평균을 표시하는 북미의 표시값이 당연히 더 낮게 표시되는 것일 뿐, 실제 옥탄가가 실제로 낮은 것은 아닙니다.
그럼 과연 무조건 노킹방지능력이 높을 수록 좋은 연료이고, 그것을 사용하는 것이 더 좋은 것이라고 볼 수 있을까요? 꼭 그렇다고 할 수는 없습니다.
이는 엔진이 설계될 때, 어떤 연료가 사용될 것인지를 가정하고 그에 최적화되도록 연료의 압축비, 분사량 등의 값들이 결정되어 있기 때문입니다. 즉, 옥탄가 91을 사용할 것을 가정하고 설계된 엔진에 그보다 높은 옥탄가를 갖는 연료를 넣는다고 해서 엔진의 성능을 향상시킬 수는 없습니다.
결론적으로 낮은 옥탄가의 연료를 사용하도록 제작된 차량이라면 굳이 비싼 가격의 연료를 주유하실 필요는 없습니다. 물론, 각 정유사에 따라 프리미엄 연료들은 단지 옥탄가만 높은 것이 아니라 그 외의 다른 첨가물들이 들어가 있어서 엔진의 성능에 도움이 되는 부분들도 있지만, 가장 중요한 노킹저항능력에 대해서만은 낮은 수치라도 엔진에 최적화된 연료를 주유하시는 것이 가장 효율적이라고 말씀드릴 수 있습니다.
대부분 고성능 엔진에는 옥탄가가 높은 가솔린이 요구되기 때문에 옥탄가가 높은 프리미엄 연료를 넣으면 엔진의 성능이 좋아질 것이라는 생각을 하기 쉬운데, 그것은 그러한 엔진은 처음부터 고성능을 낼 수 있도록 제작된 엔진이고, 그를 위해서 높은 옥탄가의 연료를 필요로 하는 것이지 그 연료를 사용한다고 해서 성능이 좋아지는 것은 아니기 때문입니다.
반대로 높은 옥탄가를 요구하는 차량에 레귤러 연료를 주유하는 어떻게 될까요? 앞서 말씀드렸듯이 대부분 높은 옥탄가를 요구하는 엔진은 고출력을 위해 설계된 엔진으로 고속 주행능력이 필요한 스포츠카나 고급 차량들에 주로 장착되어 있는데, 이러한 차량들은 자체 센서가 노킹현상을 감지해서, 노킹이 일어난다면 그에 따라 연료의 분사량을 조절한다던지 하는 방법으로 노킹을 억제할 수 있는 능력을 갖고 있습니다. 이러한 기능 덕분에 노킹저항능력이 낮은 연료를 주유하여도 큰 문제를 일으키지 않을 수 있지만, 만에 하나 그 기능에 결함이 생겨 오작동된다면 노킹억제가 일어날 수 없고, 이는 엔진에 손상을 줄 수 있기 때문에 이 또한 바람직한 것은 아니라고 할 수 있습니다.
가끔 중고차를 구입하셨는데, 프리미엄 연료를 넣어야 하는 차거나, 차량이 오래되서 비싼 연료를 주유하는게 아깝다고 생각되어 ‘이 정도 낡은 차면 레귤러를 넣어도 괜찮겠지’라고 생각하시는 분들도 계신데, 사실 그런 차들일 수록 노킹제어능력이 떨어졌을 가능성이 높고, 처음보다 엔진자체의 성능이 낮아져서 기준치보다 낮은 온도에서 노킹이 일어날 수도 있기 때문에, 이런 차량일 수록 높은 옥탄가의 연료를 사용하셔야 엔진손상없이 오랜 기간 차량을 이용하실 수 있을 것입니다. 이런 경우, 차량에서 요구하는 옥탄가보다 높은 옥탄가의 연료를 이용하시는 것이 차량의 수명을 연장하는데 도움이 될 수도 있습니다.
마지막으로 현재 차량에서 노킹현상이 있는데, 높은 옥탄가의 연료를 사용하면 노킹현상을 억제할 수 있을까라는 물음에 대한 답은 도움은 되겠지만 해결책은 아니라고 말씀드릴 수 있습니다. 높은 옥탄가의 연료를 사용함으로써 분명 노킹현상을 줄일 수는 있지만, 노킹현상이 있다는 것은 엔진 자체에 문제가 있다는 것을 의미하는 것이기 때문에, 연료를 바꾸실 것이 아니라 전문가에게 정비를 받으셔야 할 것입니다. 소화불량이 지속될 때, 죽을 먹으면 물론 소화불량을 완화시킬 수는 있겠지만, 병원에 가셔서 의사의 진단을 받아야 치료를 받아 문제점을 해결할 수 있는 것과 같은 이치라 할 수 있겠습니다.
석준영 비센학원장
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