[스터디] 가솔린 및 디젤 연료 개요

목차 - 가솔린 및 디젤 연료 개요
- 가솔린 & 디젤
   가솔린 및 디젤 특징
- 이론공연비
   이론공연비 구하기 / Rich와 Lean - 자기발화 SI 엔진 이상연소 / Knocking 소리 영상
- 점화지연
   Pilot Injection
- 옥탄가와 세탄가
   옥탄가 / 세탄가 / 예시

가솔린 & 디젤

자동차용 가솔린, 디젤 연료는 탄화수소와 여러 첨가물이 혼합된 석유 제품이다. 석유 정제를 위해 원유의 비등점 차이를 이용한 증류 과정과 불순물 제거 및 촉매를 첨가하는 여러 과정들을 거치며 탄생한다.

 

 

 

1. 가솔린 및 디젤 특징

한국석유공사에서 발췌한 휘발유 및 경유 관련 내용이다.

□ 휘발유(Gasoline)
휘발유는 비등점 범위가 섭씨 30°~ 200℃ 정도의 휘발성 액체상태의 석유유분을 말합니다. 휘발유는 용도별로 볼 때, 일반적으로 자동차용 휘발유, 항공기용 휘발유, 공업용 휘발유의 3가지로 구분됩니다.

자동차용 휘발유는 옥탄가에 따라 고급휘발유와 보통 휘발유으로 분류되며 납성분의 함량에 따라 무연·유연휘발유로 구분됩니다. 무연휘발유란 인체에 유해한 유독성 중금속인 납을 첨가제로 사용하지 않는 휘발유로서 최근에는 납 대신에 MTBE(Methlyl Tetiary Butyl Ether) 등 함산소 화합물의 첨가제를 첨가하여 옥탄가를 증진시키고 있습니다.

□ 경유(Diesel Oil or Gasoil)
자동차용 휘발유는 옥탄가에 따라 고급휘발유와 보통 휘발유으로 분류되며 납성분의 함량에 따라 무연·유연휘발유로 구분됩니다. 무연휘발유란 인체에 유해한 유독성 중금속인 납을 첨가제로 사용하지 않는 휘발유로서 최근에는 납 대신에 MTBE(Methlyl Tetiary Butyl Ether) 등 함산소 화합물의 첨가제를 첨가하여 옥탄가를 증진시키고 있습니다.

출처 : https://www.knoc.co.kr/sub11/sub11_7_1_8_2.jsp

 

 

 

1.1 휘발유 및 경유 규격

국내법 중 '석유 및 석유대체연로 사업법'에 자동차용 연료유의 규격이 정의되어있다.

항목		1호 (보통휘발유)	2호 (고급휘발유)		항목	자동차용 경유
옥탄값 (리서치법RON)		91이상 94미만	94이상		유동점 (℃)	0.0 이하 (겨울용 : -18 이하)
증류 성상	10 %유출온도 (℃)	70 이하			인화점 (℃)	40 이상
	50 %유출온도 (℃)	125 이하			동점도 (40℃, mm2/s)	1. 9이상～5.5 이하
	90 %유출온도 (℃)	170 이하			증류성상 (90%유출온도, ℃)	360이하
	종말점 (℃)	225 이하			10% 잔유중 잔류탄소분 (무게%)	0.15 이하
	잔류량 (부피%)	2.0 이하			물과 침전물 (부피%)	0.02이하
물과침전물 (부피%)		0.01 이하			황분 (㎎/㎏)	10 이하
동판부식 (50℃, 3h)		1 이하			회분 (무게%)	0.02 이하
증기압 (37.8℃, kPa)		44~82 (여름용:44~60, 겨울용:44~96)			세탄값 (세탄지수)	52 이상
산화안정도 (분)		480 이상			동판부식 (100℃, 3h)	1 이하
세척현존검 (㎎/100mL)		5 이하			필터막힘점 (℃)	-18 이하
황분 (㎎/㎏)		10 이하			윤활성@60℃ (HFRR 마모흔경, ㎛)	400 이하
색(육안식별)		노란색	초록색		밀도@15℃ (kg/m3)	815 이상～835 이하
납 함량 (g/L)		0.013 이하			다고리방향족 함량 (무게%)	5 이하
인 함량 (g/L)		0.0013 이하			방향족화합물 함량 (무게%)	30이하
방향족화합물 함량 (부피%)		22(19) 이하			바이오디젤 함량 (부피%)	2 이상 5 이하
벤젠 함량 (부피%)		0.7 이하			색(육안식별)	-
올레핀 함량 (부피%)		16(19) 이하
산소 함량 (무게%)		2.3 이하
메탄올 함량 (무게%)		0.1 이하

 

 

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이론공연비(Stoichiometric Air Fuel Ratio)

공연비란 공기와 연료의 질량비이며, 이론공연비란 연료를 완전 연소시키는 공기량일 때의 공연비이다.

 

 

 

1. 이론공연비 구하기

가솔린 및 디젤은 여러가지 유기화합물로 구성되어 있으며 주요 성분은 탄화수소이다. 또한 지표부근 수증기를 제외한 건조공기의 성분을 따져보면, 부피백분율로 약 질소($N_{2}$) 78%, 산소($O_{2}$) 21%, 아르곤(Ar) 0.9% 등이 포함되어 있다. 하지만 질소 및 아르곤은 연소에 참여하지 않는 분자이다.

 

따라서, 탄화수소물의 $C_{m}H_{n}$ 연료의 완전연소식은 아래와 같이 기술 될 수 있다.

• $C_{m}H_{n} + (m+n/4)(O_{2}+3.71N_{2}+0.04Ar) = aCO_{2} + bH_{2}O + cN_{2} + ...$

그럼 가솔린의 주성분인 Octane($C_{8}H_{18}$)의 이론공연비를 구해보자. 아래는 Octane의 완전연소식이다

• $C_{8}H_{18} + 12.5 (O_{2}+3.71N_{2}+0.04Ar) = aCO_{2} + bH_{2}O + cN_{2} + ...$

Octane 1몰을 연소시키기 위해서는 12.5몰의 산소가 필요하다. 또한 12.5몰의 산소가 포함한 공기에는 질소와 아르곤이 '$O_{2} : N_{2} : Ar$ = 1 : 3.71 : 0.04'의 비율로 포함되어 있다. 그럼 Octane의 이론공연비는 다음과 같다.

• 공연비 = 공기의 질량 / 연료의 질량 = 12.5 (32 + 3.71×28 + 0.04×40)/(8×12 + 18×1) ≒ 15.1

 

연료별 이론공연비는 다음과 같다.

- Methanol($CH_{3}OH$) = 6.47:1
- Ethanol($C_{2}H_{5}OH$) = 9:1
- Octane($C_{8}H_{18}$) = 15.1:1
- Propane($C_{3}H_{8}$) = 15.67:1
- Hydrogen($H_{2}$) = 34.3:1
- 가솔린 = 14.7:1
- 디젤 = 14.5:1
- LPG = 15.6:1 or 15.8:1

 

 

 

2. Rich와 Lean

엔진에 연료가 많고 공기가 적으면 Rich한 상태라고 하며, 반대로 엔진의 연료가 적고 공기가 많으면 Lean한 상태라고 한다.

Rich와 Lean의 기준은 이론공연비이다. 만약, 이론 공연비가 14.7이라고 할때, 공연비 15.0는 Lean한 상태이고 공연비 13는 Rich한 상태이다.

 

2.1 Excess Air Ratio(λ) & Equivalence Ratio(Φ)

Rich와 Lean은 Excess Air Ratio(λ)와 Equivalence Ratio(Φ)라는 값으로 표현될 수 있다.

λ는 실제 공연비/이론 공연비이며, λ >1 이면 lean한 상태, λ<1이면 Rich한 상태이다.

Φ는 이론 공연비/실제 공연비이며, Φ<1 이면 lean한 상태, Φ>1이면 Rich한 상태이다.

 

 

 

2.2 Rich와 Lean의 영향성

공연비는 출력과 연비에 큰 영향을 미친다. 아래의 그래프를 통해서 Rich와 Lean의 영향성을 살펴보자.

 

1) Rich Burn의 영향성

a. Rich Burn 내 엔진 출력이 최대가 되는 점이 존재한다.
이론공연비라도 실제 유입된 공기가 전부 반응에 참여하는 것은 아니며 적은 양의 미연소 공기 및 연료가 존재한다. 따라서 Rich Burn을 통해서 연료의 양을 늘리고 최대한 전부 공기를 반응에 참여시킴으로써 출력을 높인다.

b. 연소실 내부 온도를 낮추는 효과가 있다.
미연소된 연료가 증발하며 잠열로 인한 실린더 내부 온도를 낮추는 효과가 있다.

c. 탄소산화물(CO)와 탄화수소(HC)의 배출이 증가할 수 있다.

 

2) Lean의 영향성

a. 연비가 향상된다. 반응에 참여하는 연료량이 적기 때문에 연료소비가 적다

출력 및 연료소비 - 람다 / Emssion - Equivalance ratio (출처 : X-Engineer, Air fuel ratio)

 

 

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자기발화(Self Ignition)

엔진에서 자기발화는 스파크에 의한 연소가 아닌 고온/고압의 실린더 내부의 높은 온도에 의해 연료가 스스로 연소되는 것이다. 이러한 자기발화 현상은 SI 엔진에서 큰 악영향을 끼치지만, CI 엔진에선 엔진을 구동시키는 기본 원리이다.

 

아래는 가솔린 및 디젤에서의 자기발화온도이다.

- Gasoline : 247 ~ 280℃ (477 ~ 536℉)

- Diesel : 210℃ (410℉)

 

 

 

1. SI 엔진 이상연소

Pre Ignition과 Knock 모두 SI엔진에서의 비정상적 연소 현상이다. 

 

1.1 노킹(Knocking, Detonation)

정상적인 연소 과정은 점화 플러그에서 시작된 화염이 연소실 전체로 퍼져나가며, 실린더 벽면과 냉각장치로 열이 전달된다. Knock의 경우, 정상적인 연소가 시작된 후 연소실 가장자리에 있는 가스가 압축되고 자기 발화하여 발생하며, 정상 연소와 이상 연소의 화염 전선의 충돌하여 발생한 충격파이다.

Knock로 인해 발생한 압력은 엔진과 공명하며, 엔진의 고부하 환경에서 knock 현상이 지속적으로 발생할 경우 엔진 내구에 악영향을 미친다. 

 

1.2 조기 점화(Pre-Ignition)

Pre-Ignition은 정상적인 점화시기보다 일찍 점화된 것이다. 고온/고압의 연소실이 압축되며 실린더 내부의 높은 온도에 의해 조기 점화되는 것이다.

Pre-Ignition에 의해 발생한 압력은 Knock에 비해 압력이 급격하게 상승하지는 않지만, 압력이 훨씬 높고 지속시간의 훨씬 길다. 따라서 Pre-Igntion은 Super-Knock로 전이되어 엔진에 큰 피해를 줄 수 있다.

Knock, Pre-Ignition

 

1.3 이상 연소 원인

이상연소 발생 원인으로는 엔진의 높은 압축비 / 실린더에 유입된 카본 슬러지의 연소 / 낮은 옥탄가 연료 사용

 

 

 

2. Knocking 소리 영상

아래는 Knocking 소리를 담은 영상이다.

[Youtube] The Auto Rules, Detonation, Knocking, and Pinging

 

 

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점화지연(Ignition Delay)

Igntion delay는 연료가 실린더 내 분사된 후 실제로 연소되기까지의 시간 간격이다. Igntion delay는 디젤 엔진에서 중요한 개념으로 연료 분사와 연소 사이의 지연 시간이 엔진의 성능, 효율, 배출가스에 큰 영향을 미친다.

Ignition delay가 짧을수록 압력상숭률 낮아지고 소음이 줄어든다. 또한

 Igntion delay를 짧게하기 위해서는 온도/압력이 높이며 세탄가가 높은 연료를 사용해야한다.

 

1. Pilot Injection

디젤엔진에서는 Pilot Injection을 통하여 미량의 연료를 사전 분사하며 Ignition delay를 줄이고 압력의 상승률과 최고 압력을 낮춘다. 또한 Pilot Injection은 엔진 출력과 연비에 악영향을 미치지 않으면서 질소산화물(NOx)의 배출을 감소시킬 수 있다.

Ignition delay & Pilot injection

 

 

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옥탄가와 세탄가(Octane Number & Cetane Number)

옥탄가, 세탄가는 가솔린 및 디젤 연료의 중요한 특성이다.

연료 특성값

 

1. 옥탄가(Octane Number)

옥탄가는 휘발유의 특성을 나타내는 수치이며 노킹에 대한 저항성을 의미한다. 국내법 기준으로 RON 91 ~ 94는 보통 휘발유이며 RON 94이상은 고급 휘발유로 구분된다. 옥탄가는 'iso-octane과 n-heptane'을 기준 연료로 하고 두 연료의 특성을 비교하여 측정한다.

iso-octane : $ON_{iso-octane}$ = 100
n-heptane : $ON_{n-heptane}$ = 0

 

 

1.2 옥탄가 측정방법

1) RON(Reseach Octane Number, 연구옥탄가)

: 시험용 엔진을 이용하여 옥탄가를 측정하는 방식이다.

 

2) MON(Motor Octane Number, 모터옥탄가)

: RON 시험보다 더 높은 RPM상태에서 부하를 주면서 측정하는 방식이다. 보통 같은 조건에서 RON 방식보다 낮은 수치가 나오는 편이다.

 

3) AKI(Anti-Knock Index, 도로옥탄가) :

: 보통 RON과 MON의 평균값으로 측정되며 미국, 캐나다, 브라질 등에서 사용된다.

RON 및 MON 테스트 작동조건

 

 

 

2. 세탄가(Cetane Number)

세탄가는 경유의 특성을 나타내는 수치로 연료가 엔진 내에서 얼마나 빠르고 쉽게 자발적으로 점화되는지를 표현한 수치이다. 국내법 기준으로 세탄가는 52 이상을 준수하게 되어있다.  세탄값은 'cetane과 iso-cetane'을 기준 연료로하여 특성을 비교하고 세탄가를 측정한다.

cetane : $CN_{cetane}$ = 100
iso-cetane : $CN_{iso-cetane}$ = 15

 

 

3. 예시

아래는 '현대자동차 아반떼, 아반떼N, 포르쉐 카이엔'의 옥탄가 사양이다. 각 제조사별 사용설명서에서 확인할 수 있다.