자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 31. 가솔린의 노크 방지성
31. 가솔린의 노크 방지성
가솔린의 노크 방지성을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으나 리서치법(research
method)과 모터법(motor method)이 주로 사용된다.
가. 옥탄가(octan number)
옥탄가란 연료의 노크 방지성(내폭성 : anti knocking property)을 표시하는 수치이
다. 즉, 이소옥탄(iso-octane)을 옥탄가 100으로 하고 노멀헵탄(normal heptane : 정헵탄)을 옥탄가 0으로 하여 이소옥탄의 함량 비율(체적비)에 따라 결정된다. 예를 들어
옥탄가 80의 연료란 이소옥탄 80%, 노멀헵탄 20%로 이루어진 노크 방지성을 지닌 것
을 의미한다. 또 연료의 옥탄가는 CFR(cooperative fuel research) 기관으로 측정한다.
| ▶ 옥탄가 측정방법 옥탄가가 100 이하인 연료의 옥탄가 측정은 모터법 또는 리서치법으로 측정 기관을 운전하여 압축비를 점차 상승시키면서 옥탄가를 측정하여야 할 연료와 똑같은 노크 경향과 노크 강도를 가진 표준 연료의 이소옥탄 혼합비(체적비 %)를 찾으면 된다. 그리고 옥탄가 100 이상인 연료 의 옥탄가 측정방법도 옥탄가 100 이하인 연료의 옥탄가 측정방법과 같으나 표준 연료로 4에틸 납(T.E.L)을 첨가한 이소옥탄을 사용하는 점이 다르다. |
(1) 리서치 옥탄가(RON : research octane number)
리서치 옥탄가는 저속 전부하에서의 기관 노크 방지성을 표시하는데 적당하다.
(2) 모터 옥탄가(MON : motor octane number)
모터법은 혼합기를 예열시키며, 기관의 회전속도가 높고 점화시기를 가변시키므로 시
험 조건이 리서치법보다 가혹해지므로 시험 연료가 열 부하를 많이 받는다.
따라서 모터 옥탄가는 전부하 고속과 저속부분 부하 및 고속부하상태에서의 기관 노
크 방지성을 표시하는데 적당하다.
(3) 로드 옥탄가(road octane number)
로드 옥탄가도 일정 측정조건으로 운전할 때 같은 노크 강도를 발생시키는 표준 연료
의 옥탄가로 정의된다. 연료의 노크 방지성을 예측하는 자료로서 일반적으로 리서치 옥
탄가와 모터 옥탄가를 이용한다.
(4) 프런트 옥탄가(front octane number)
프런트 옥탄가는 연료의 구성성분 중 100℃까지 증류되는 부분의 리서치 옥탄가를 의미한다. 이 옥탄가는 기관 가속기간 중의 노크에 대한 연료의 특성을 이해하는데 필
요한 중요한 자료이다.
나. 퍼포먼스 넘버(PN : performance number)
옥탄가 100 이상은 옥탄가로 표시하지 아니하고 퍼포먼스 넘버로 나타낸다. 퍼포먼스
넘버란 똑같은 운전 조건하에서 시험 연료로 운전을 한 경우와 이소옥탄으로 운전한 경
우의 노크 한계에 있어서의 도시 마력 비율을 백분율(%)로 표시한 것이다. 옥탄가 100
이상을 퍼포먼스 넘버로 표시하는 이유는 옥탄가와 노크 한계의 도시 평균 유효압력은
서로 직선적인 비례관계가 아니므로 이를 정확하게 반영하지 못하기 때문이다. 최근에
는 옥탄가 100 이하의 연료에 대해서도 퍼포먼스 넘버가 사용되고 있는데 옥탄가 100
이하와 퍼포먼스 넘버와의 관계는 다음 식으로 표시된다
다. 노크 방지제
링 모양(ring form)의 방향족 탄화수소와 측쇄형 파라핀은 직쇄(straight chain)형
파라핀에 비해 노크 방지성이 높다. 그리고 벤졸(benzole), 톨루엔(toluen), 알코올(alcohol) 등과 같이 그 자체가 연료인 첨가제를 제1종 첨가제라고 하고, 유기 금속 화합물
(metallo-organic base)을 제2종 첨가제라 부른다.
산소를 포함한 제1종 첨가제, 예를 들면 메탄올, 에탄올 등은 옥탄가를 높이는 측면
에서는 좋으나 다른 문제를 발생한다. 가장 효과적인 노크 방지제는 4에틸납(T.E.L)이
나 4메틸납(T.M.L : tetra methyl lead)과 같은 납 산화물이다.
그러나 이들은 독성이 강한 공해 물질이므로 첨가 허용량을 법적으로 규제하는 경우
가 대부분이다. 4에틸납은 연소 중 분해하여 산화납으로 되어 실린더 벽에 퇴적되므로
할로겐 화합물을 연료에 첨가하여 산화납을 할로겐화 납으로 변화시켜 배기가스와 함
께 외부로 배출시키는 방법을 사용하기도 한다. 그러나 할로겐 화합물도 공해 물질이다.
라. 무연 가솔린(unleaded gasoline)
배기가스 중의 유해 물질을 낮추기 위하여 촉매 컨버터를 부착한 기관에서 촉매 컨버
터의 성능을 유지하려면 납 산화물이 들어있지 않은 연료를 사용하여야 한다. 이에 따 라 방향족 탄화수소와 같은 다원자 가(多原子 價)를 혼합하여 옥탄가를 높이는 방법을 사
용한다. 그러나 이들 물질은 가격이 비싸고 많은 1차 에너지 투자를 필요로 한다. 또 무
연 가솔린의 수요가 증가함에 따라 원유에서 얻어지는 옥탄 풀(octane pool)과 정제를
통하여 생산되는 높은 옥탄가의 가솔린으로는 수요를 충족시킬 수 없게 됨에 따라 별도
의 노크 방지제를 첨가할 수밖에 없게 되었다.
현재는 메틸 타사리 부틸 에테르(MTBE : methyl tetiary butyl ether)를 매우 작은
양을 첨가하여도 옥탄가를 높일 수 있는 물질로 알려져 있으나 이것도 매우 비싸다. 이
런 이유로 인하여 유연 고급 가솔린의 리서치 옥탄가가 98~100인데 비하여 무연 고급
가솔린은 리서치 옥탄가 95~96 정도로 하여 생산하고 있다.