휘발유(Gasoline)의 옥탄가 이야기

 

 

1. 옥탄가의 History

   1912년 점화에 의한 내연기관이 개발되어 여러 장점을 가지고 있었으나 마치 문을 두드리

는 듯한 ‘Knocking’이 발생하여 엔진을 손상시켜 원인 파악이 필요했으며 자동차의 성능을

향상시키기 위해서는 넘어야 할 벽이었다.

Midgley와 Boyd는 Knocking의 원인을 찾기 위해 여러 가지 장치를 개발하다가 High Speed

Camera를 가지고 Knocking이 일어나는 현상을 파악하고Bouncing Pin이라는 장비로

Knocking이 일어나는 정도를 파악할 수 있었다. 이에 여러 다른 휘발유를 가지고 실험한

결과 Knocking의 원인을 파악할 수 있었다.

그런데 Knocking의 정도를 표준화하는 데는 어려움이 있었는데, 1926년 Graham Edgar는

n-Octane 및 iso-Octane의 비율로서 Knocking의 정도를 나타내자고 제안하였으며 이것이

오늘날 사용하는 옥탄가이다.

 

왜 하필이면 n-Octane과 iso-Octane은 사용하여 Index를 만들었나? 그 이유는 이 두 물질

이 비슷한 휘발 특성, 특히 BoilingPoint가 매우 비슷하여 다양한 성분비, 예를 들어 100:0

이나 0:100에서도 테스트에 영향을 미칠 만큼 휘발 특성이 차이가나지 않는다는 것이다.

 

 

 

     

2. 옥탄가의 의미

   연료 가스의 어느 한 부분이 점화되었을 때 그 불꽃이 가스 전체로 전파되는 속도를 나타

내는 지표가 옥탄가이다. 다시 말해 옥탄가가 낮으면 빨리 탄다고 말할 수 있다.

가장 좋은 출력을 얻기 위해서는 점화플러그에 의해 점화되는 순간모든 연료가 균일하게

한꺼번에 타는 것이다. 그러나 실제에서는 점화플러그에 의해 점화되기도 전에 타는 부분

이 생긴다. 그러할 경우 실린더 내부의 피스톤이 상사점에 도달하기전에 연료가 연소

되면서 올라오는 피스톤을 누르는 힘이 생기게 된다. 그러면 피스톤은 제대로 올라가지

못하고 좌우로 떨려 실린더를 치게 되어 노킹(Knocking)이 발생하게 된다.  

 

3. 옥탄가(RON)의 계산 방법

   복잡한 조성의 혼합 물질에 대한 옥탄가는 각 물질들의 옥탄가를 안 다음 조성을 가중

평균하면 얻을 수 있다. 각 물질들에 대한 옥탄가는 첨부의 표에 나타나 있다.

예를 들어 RON이 61.7인 Pentane 30%와 과 RON이 91인 1-Pentene이 70% 섞여 있는

혼합물의 경우 RON은  61.7 x 0.3 + 91 x 0.7 = 82.2 이다. 마치농도를 계산하는 방법과

같다.

옥탄가는 Normal Octane과 Isooctane의 비율로서 나타내는 지표이므로 이렇게 계산이 가

능하다. 

 

4. 휘발유의 옥탄가 조절 방법

   국내 법규는 휘발유의 옥탄가를 91 RON 이상으로 규정하고 있다. 이에 따라 각 정유회사

는 여러 원료를 Blending하여 휘발유 제품을 생산한다. 휘발유BlendingStock은 보통

5 ~ 6개이며 각각의 Quality를 알고 있으므로 이 5 ~ 6개의Blending 비율에 따라 원하는

옥탄가의 휘발유를 생산하게 된다. 만약 RON을 올리고 싶으면High RON Stock을 더 사용

하고 Low RON Stock을 줄여서 Blending하면 된다.

     

   다만 이럴 경우 늘어나는 High RON Stock의 Quality에 따라Mogas의 Quality가 변하므로

   전체가 조화를 이룰 수 있도록 Blending되어야 한다. 

   또한 High RON을 가지는 물질은 휘발유보다 가격이 비싸다.(예, MTBE,Toluene) 그러므로

   규격보다 훨씬 높은 RON을 가지는 휘발유를 생산한다는 것은 생산Cost가 더 높아짐을

의미한다. 보통 1.0 RON을 증가시키기 위해서는 1.0 Barrel당$0.3의 비용이 추가된다.

이것이 Mogas 생산의 어려운 점이다.

 

5. RON 과 MON

옥탄가를 나타내는 방법은 RON(Research Octane Number)과MON(Motor Octane Number

)가 있다.

왜 두 종류가 쓰이느냐 하면 하나의 지표가 모든 Anti-Knocking성을다 표현하지는 못하

기 때문이다. 실제 운전시에는 도로의 조건, 운전 속도, 가속도 등이차이가 나는데

엔진 Design에 맞는 RON의 Gasoline을 쓰더라도 운전 조건에 따라 무리가 가서 엔진이

손상되는 경우가 생긴다.

이에 고속 운전 및 혹독한 운전 조건에서의 Anti-knocking성을 나타내는 MON을 추가로

측정하여 사용한다. 

그래서 (RON+MON)/2를 한 값을 Antiknock Index라고 하여 사용하기도 하는데 저속 및

고속 주행에서의 성능을 하나의 지표로 만들어 사용하는 것이다.

그리고 RON – MON = Sensitivity라고 하는데 RON만 높고MON이 형편없이 낮은 Gasoline

은 Antiknock Index가 좋아도 실제 운전에서는 Knocking을 느낄수 있다는 이야기이다. 

 

5. 옥탄가에 영향을 미치는 다른 Quality

일반적으로 옥탄가는 Hydrocarbon Chain이 길어지거나 Ring Size가 길어지면 낮아진다.

반대로 Chain Size가 작은 것이 옥탄가가 높으며 이 물질들은 휘발되기 쉽다. 따라서

 연료를 오래 두면 Light한 성분이 휘발되어 Loss가 발생하는 데 이Loss의 대부분이

옥탄가가 높은 성분들이어서 옥탄가가 떨어지게 된다. 

 

일반적으로 Final Boiling Point가 높은 휘발유일수록 옥탄가가 낮다. Boiling Point가 상승한

다는 의미는 Hydrocarbon의 ChainSize가 길어진다는 의미이며위에 설명한 바와 같이 옥

탄가는 낮아진다.   

 

6. 옥탄가에 따른 엔진 수명

   만약 엔진의 Design된 옥탄가보다 낮은 휘발유를 사용한다면 노킹에의해서 엔진은 영향

을 크게 받아 급속도로 나빠진다. 그러므로 귀에 들릴 정도의 노킹 소리가 계속된다면

이는 엔진에 영향을 줄 것이므로 사용해서는 안된다.

 

   옥탄이 어느 정도 되는 휘발유라면 노킹 센서에서 감지한 옥탄 값을 가지고 엔진제어시스

템이 Optimal Position Setting 값을 수정하여 문제없이 사용할 수있다. 다만 이 경우 문제

점은 연비가 나빠져 연료비용이 증가되는 것 뿐이다. 물론 가능하다면 장기간의 성능을 확

보하기 위하여 엔진은 Optimal Position에서 움직이는 것이 가장 좋다.

 

반대로 과도한 옥탄의 휘발유가 들어오더라도 엔진에는 아무 이득이되지 않는다. 다시 말

해 일정 수준이상의 옥탄가를 가진 휘발유에서는 옥탄가 보다는 휘발유의 Quality, 사용된

첨가제의 영향 등이 더 크게 엔진에 영향을 미친다.

 

7. 고옥탄 휘발유에 저옥탄 휘발유를 섞어서 사용한다면?

   옥탄이 높은 휘발유를 사용하고 싶으나 가격이 비싸 비용을 줄이기 위해 옥탄이 높은 휘발

유를 일부 주유소에서 사고 보통 휘발유를 사다가 섞어서 사용하면어떻게 될까? 답은 가

능하다는 것이다. 2번에서 언급한 것처럼 옥탄가는 농도의 개념처럼섞이면 평균값을 내므

로 보통휘발유보다는 높고 고급 휘발유보다는 낮은 옥탄가를 나타낼것이다. 

 

그러나 문제는 연료탱크에서 완전히 섞이느냐이다. RON을 높이기위해서는 RON이 높은

Stock을 많이 사용하게 되어 밀도가 변하게 된다. 다시말해 보통휘발유와 고급휘발유의 밀

도는 다르다. 실제 휘발유 제조 과정에서도 탱크내에서 잘 섞이지 않아 위와 아래에 밀도

차이가 나는 경우가 흔하다.

그러므로 만약 충분히 잘 섞이지 않는다면 노킹을 유발하게 된다. 

 

8. 환경에 따른 엔진의 요구 옥탄가 변화

   보통의 경우 고급차일수록 자동차 매뉴얼에 안내된 옥탄가의 휘발유를사용하게 된다. 그

러나 만약 사람을 가득 태우고 가거나 대기 환경이 변하게 되면 자동차 엔진이 요구하는

옥탄가가 변하게 된다. 

겨울철에는 여름철보다 요구 옥탄가가 낮아지게 되는데 겨울철에는대기 온도가 낮아짐에

따라 습도가 낮아져 엔진 내에서 수분에 의한 옥탄가 감소가 적게 일어나기 때문이다. 

 

엔진이 뜨거워지면 공기와 연료가 덥혀져서 엔진 속으로 Injection되어 노킹의 가능성을 높

이게 된다. 그르므로 냉각수의 온도가 올라가면 노킹이 더 일어나기쉽다. 엔진 부하가 증

가하면 엔진온도와 End-gas 압력이 증가하여 마찬가지로 노킹이 일어나기 쉽게 된다.

 

위도가 높아지면 엔진의 요구옥탄가가 낮아지는데 한 연구에 의하면위도가 300 m 높아질

때마다 1.0 ~ 1.0 RON 정도의 요구 옥탄가가 낮아진다.

 

9. 퇴적물에 따른 옥탄가

   엔진을 오래 사용하면 엔진의 요구 옥탄가가 올라가는데 그 이유는 엔진 내부에 싸인 유기

   또는 무기 물질이 퇴적되어 엔진의 연소실 Volume을 줄이고, 이는 결국 압축비를 증가시

키는 결과를 가져오며 열전도도를 떨어뜨리는 역할을 하여 연소실 온도를 올리게 된다. 

   또 이 퇴적물은 점화플러그가 점화하기 전에 일부 가스를  점화시키는촉매 구실을 하여

 RON을 낮추는 역할을 한다. 

 위와 같은 이유로 엔진이 오래되면 좀 더 높은 옥탄가의 휘발유를 사용할 필요가 있다.   

 

 

10. 옥탄가의 예측 방법

   옥탄가는 각 물질 별로 일정한 값을 가지지만 휘발유와 같이 매우 복잡한 조성을 가지는

   화합물을 각 성분 별로 분리해 내는 것이 매우 어렵다. 

   따라서 아래와 같은 분석 방법에 의해 옥탄가 예측이 가능하다.

    1) 이소파라핀

      파라핀 탄화수소의 구조 속에 가지화된 정도가 높으면 비례적으로 옥탄가가 증가한다. 

      기기분석을 통하여 CH3/CH2의 비율을 측정할 수 있으며 이 값을Isoparaffin Index라

      고 한다.

 

    2) 방향족 성분  

      방향족 성분은 보통 약 100 ~ 110의 옥탄가를 가지고 있으므로 방향족 함량이 많을 수

록 옥탄가가 높아지게 된다.

 

    3) 올레핀

      올레핀의 옥탄가에 대한 영향은 매우 차이가 나며 어떤 것은 90 이상의 옥탄가를 나타

내는 반면 어떤 것은 옥탄가가 20도 되지 않는 것도 있다. 

그러므로 올레핀에 대해서는 어떤 물질이 있는 지를 파악하고 이물질들에 대한 옥탄가

를 사용해야 예측에 대한 정확성을 높일 수 있다.

 

    4) 기타 변수

      밀도 및 Distillation 등은 옥탄가와 직접적인 관계를 가지지 않는다.

      다만 황성분은 옥탄가 향상제로 납 성분을 쓸 경우 효과를 감소시키는 역할을 하여

옥탄가를 감소시킨다.