자동차용 경유의 성상이 엔진의 동력학적 성능에 미치는 영향

정충섭, 김명희．, 강익중

경원대학교 화학공학과

．한국석유품질검사소 연구실

Effects of Fuel Properties and Composition on

the Autoignition of Automotive Diesel Engine

Choong Seop Jeong, Myeong Hee Kim．, and Ik Joong Kang

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

．R＊D Lab., Korea Petroleum Quality Inspection Institute

서론

경유는 원유를 증류할 시 가솔린, 등유 다음으로 유출되는 비점 190℃∼350℃, 비중 0.810∼0.850 정도의 탄화수소 혼합물로서 요업·철강용의 연료 또는 난방 및 전력용 보조연료 등으로 사용되기도 하나, 주로 자동차, 건설기계 등의 디젤엔진의 연료로 사용된다.  디젤엔진의 연소는 실린더 내에서 고온의 압축공기에 의해 자연 착화되는 방식인데, 이러한 연료의 착화는 연료의 기화, 압축공기와의 혼합, 화학분해, 산화반응, 연소의 개시·확산 등의 다양한 물리적, 화학적인 과정을 거쳐 진행된다.

연료가 실린더 내에 분사될 때 착화 시까지 시간이 걸리게 되는데 이를 착화지연이라고 하며, 착화지연된 다량의 연료가 실린더 내에 축적되어 착화될 경우에는 일시에 연소되어 디젤녹크라고 하는 이상폭발을 일으켜, 엔진에 충격을 줌과 동시에 연료효율을 떨어뜨린다. 이러한 연료의 착화성은 특히 고속 디젤엔진의 경우 연료의 효율성 측면에서 더욱 중요한 문제로 대두되고 있으며, 최근의 연구에서는 배기가스 중의 미연소 탄화수소와 NOx의 배출량에도 상당한 영향을

끼치는 것으로 보고되고 있다.

따라서, 본 연구에서는 디젤엔진의 연료인 자동차용 경유에 대하여 물리적인 특성과 화학적인 조성을 시험·분석하고 CFR엔진을 이용하여 착화성을 나타내는 세탄가를 측정하여, 연료의 성상이 엔진의 동력학적인 성능에  어떠한 영향을 끼치는가를 고찰하여 보았다.

실험

실험에 사용된 시료는 국내에서 생산된 세탄가 향상제가 첨가되지 않은 자동차용 경유 완제품 중 세탄가를 47과 58사이에서 분포도가 고르도록 함과 동시에 5개 정유사 제품을 각각 5종씩 선정하여 총 25건을 대상으로 하였다. 실시한 시험 중 세탄가는  CFR엔진에 의한 규정된 작동조건으로 측정하였으며, 증류성상과 비중은 각각 KS M2031 석유제품 증류시험 방법 및 KS M2002 원유 및 석유제품 비중시험방법에 의하였다.  또한 성분분석 중 정파라핀(n-C13P∼n-C18P) 함량은 가스크로마토그래피에 의하여 내부표준물질방법으로 분석하였으며, 그룹별(Saturate, Olefin, Aromatic) 함량은 Ⅱ형흡착관, 가압장치 및 적외선 광선과, 독일 Merck사에서 제조한 형광염료실리카겔을 사용하여 KS M2085의 형광지시약흡착법에 의하여 분석하였다.

결과 및 고찰

본 실험에 사용된 시료는 실제 시중에 판매되고 있는 세탄가 향상제가 첨가되지 않은 자동차용 경유로서, CFR엔진을 이용한 세탄가 측정결과를 분석하여 보면 평균 51.5를 보이고 있어, 평균값만을 고려할 시, 고속 및 준고속 디젤엔진의 요구 세탄가(45∼60)에 적합한 것으로 판단된다. 그러나, 최저 47.5에서부터 최고 57.9로서 제품별로 상당한 차이를 보이고 있는데, 가솔린 엔진에서 자동차용 휘발유의 착화성을 표시하는 옥탄가의 경우 소수점 이하의 값으로 품질경쟁을 하고 있는 것에 비교하면 엄청난 편차이다. 따라서, 연료의 효율성 및 배출가스 저감 측면에서, 실제 차량을 이용한 체계적인 연구를 통하여 차종별로 보다 적합한 세탄가의 제시가 필요하다고 할 수 있다. 이러한 동력학적인 성능을 나타내는 세탄가의 편차는 원유의 특성과  제조공정에  따른 시료 각각의  증류성상, 비중과

같은 물성치와 포화분, 방향족분 등의 조성이 각기 다름에 기인한 것으로 우선 예측할 수 있었다.

시험 항목을 분석한 결과, 세탄가와 가장 관련이 있는 factor는 도표에서 나타난 바와 같이 방향족 함량이었는데, 방향족 함량이 증가할수록 세탄가는 떨어져 착화성이 악화됨을 알 수 있었으며, 포화분이 상대적으로 증가할수록 세탄가는 약간 상승하는 결과를 보이고 있으나, 방향족 함량과 같이 뚜렷하지는 않았다.  이는 포화분내에 n-Paraffine, iso-Paraffine, Naphthene 등이 혼재해 있기 때문인 것으로 추정된다.  또한 증류성상 항목에서는 50%유출온도가 증가할수록 세탄가가 다소 상승함을 알 수 있었고 기타 10%와 90% 유출온도에서는 명확한 관련성은 보이지 않았다. 또한 경유 fraction 범위 내에서는 비중이 작을수록 세탄가가 상승하는 경향을 보이고 있으나, 비중이 0.8이하인 light한 등유 fraction이 혼입되면 오히려 세탄가가 떨어지는데, 이는 연료의 점성에 따른 분사량이 부적합함에 기인한 것으로 추정된다. 따라서, 본 연구에서 규명한 세탄가 관련 요인들을 연료의 제조공정에서 고려하면 디젤엔진에 적합한 착화성을 갖는 연료를 보다 효율적으로 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

감사

본 연구는 1999년도 경원대학교 학술연구비의 지원을 받아 이루어 졌으므로 이에 감사 드립니다.

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