기계공학 취준일기 #11 (옥탄가, 세탄가 )

옥탄가와 세탄가가 굳이 정유플랜트 카타고리에 들어간 이유는

 

정유과정을 거치며 고부가가치 제품을 생산하는 과정에서 옥탄가를 높이는 설비와, 세탄가를 높이는

 

설비가 있기 때문에 적게 되었다. 우선 옥탄가와 세탄가를 이해하기 위해선 

 

가솔린 엔진과 디젤 엔진의 4행정 연소과정을 이해해야 한다. 

 

 

출처 http://allways.smotor.com/%EB%94%94%EC%A0%A4-%EC%97%94%EC%A7%84%EA%B3%BC-%EA%B0%80%EC%86%94%EB%A6%B0-%EC%97%94%EC%A7%84%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%BC%EA%B9%8C%EC%9A%94/

1. 가솔린 엔진

 

위 그림에서 확인할 수 있듯이 흡입 -> 압축 -> 팽창(연소) -> 배기 총 4행정의 1CYCLE을 거친다.

 

흡입(INTAKE)과정에서는 실린더 내 피스톤이 밑으로 하향하면서 AIR-FUEL MIXTURE가 CHAMBER 내부로 유입됩니다.

 

압축(COMPRESSION)과정에는 PISTION이 위로 올라오면서 CYLINDER 내부의 MIXTURE를 10분의 1로 압축합니다.

 

팽창(연소) (EXPENSION, COMBUSTION)과정에는 IGNITION PLUG에서 작동하면서 MIXTURE가 연소되면서 

 

부피가 팽창합니다. 

 

배기(EXHAUST)과정에는 PITSOP이 다시 상향하면서 연소가 끝난 GAS를 CYLINDER밖으로 밀어냅니다.

 

연소가 일어나는 시점은 압축과정에서 팽창과정으로 넘어가며 일어납니다. 즉 운동을 행하는 에너지가 되는 것 입니다.

 

위와 같은 CYLCE이 일어나기 위해선 IGNITION PLUG가 정확한 시점이 점화가 일어나야 하는데, 

 

흡입에서 -> 압축으로 가는 도중 MIXTURE가 압축이 충분하지 않은 상태에서 자연발화되어 부피가 팽창하면 엔진의 

 

폭발음이 비정상적으로 커지고, 출력도 급감하게 된다. 이러한 현상을 KNOCKING이라고 한다. 

 

KOCKING이란 가솔린 엔진은 기화된 FUEL과 AIR의 MIXTURE가 실린더 내부에서 압축된 후 IGNITION PLUG로 착화

 

하여 연소시 발생하는 폭발력(에너지)를 이용해 동력을 얻는 기관인데, 엔진 내부의 높은 온도와 압축 단계의 높은

 

압력으로 인해 자연발화 하는 현상을 KNCOKING이라고 한다. 불완전연소가 일어나고, 엔진 출력이 저하되는 현상이다.

출처 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=naramotors&logNo=220741369825&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

때문에 KNOCKING현상을 방지할 수 있는 연료를 사용해야 하는데, ANTI-KNOCKING성을 수치로 표현한게

 

옥탄가(OCTANE NUMBER)이다. 

 

2. 디젤엔진

 

디젤엔진 연소과정 역시 가솔린 엔진과 다르지 않다. 흡입 -> 압축 -> 폭발 -> 배기 이다.

 

흡입(INTAKE)과정은 AIR가 CYLINDER로 들어온다. 가솔린 엔진과 다르게 연료가 들어오지 않는다.

 

압축(COMPRESSOR)과정은 PISTON이 올라오면서 AIR를 압축한다.

 

폭발(FUEL INJECTION & COMBUSTION)과정은 압축된 AIR에 연료를 주입한다는 것이다. 

 

압축된 AIR의 높은 압력과 온도로 인해 주입된 FUEL은 자연발화를 일으키게 된다. 즉 SPARK PLUG가 없다.

 

배기(EXHAUST)과정은 PISTON이 상향하면서 CYLINDER내부 연소가스를 배출한다.

 

즉, 다시 말하자면 가솔린 엔진처럼 IGNITION PLUG로 착화하는 것이 아니라, 자연발화한다는 것이다. 

 

그렇기에 디자인된 타이밍에 자연발화가 일어나도록 디자인 해야한다. 

 

디젤엔진에는 가솔린엔진과 반대로 점화가 늦게 일어나면, 즉 폭발에서 배기로 넘어갈때 자연발화 된다면

 

KNOCKING이라는 문제가 발생하게 되므로, 점화를 앞당기기 위해 주입되는 연료의 점화성이 좋아야 한다.

 

연료의 점화성을 측정하는 지표가 바로 세탄가(CETANE NUMBER)이다.

 

자 이제 옥탄가와 세탄가에 대해 알아보자.

 

1.1 옥탄가 

 

가솔린의 경우 노말파라핀만 사용하게 되면 옥탄가가 낮아 연소 효율이 떨어지고, 올레핀과 아로마틱을 사용하여

 

옥탄가를 높일 수 있지만, 환경오염이 발생한다. 그래서 ISO-PARAFFIN과 같은 파라핀에 옥탄가가 높은

 

아로마틱 화합물등을 섞어 휘발유를 만든다. 우리나라 일반 휘발유는 약 91~94이고, 고급휘발유는 97이다.

 

무조건 높일 수 없는건 환경규제 때문에 각 나라마다 적정 옥탄가를 정해서 운영하고 있다.

 

2.1 세탄가 

 

세탄가는 노말세탄(N-CETANE) 값을 100으로 잡고, 알파메틸나프탈렌을 0으로 기준하여 측정한다.

 

세탄가가 높으면 점화성이 좋다는 의미(낮은 압력,온도에서 점화가능)이다. 세탄이 높으면 엔진출력 및 효율이

 

증가되고 소음이 감소하지만, 너무빨리 연소되어 불완전 연소가 일어나고 출력이 저하될 수 있다. 

 

SIESEL의 경우 연소효율이 좋은 파라핀을 사용한다. 하지만 노말파라핀은 유동성이 낮아 많이 섞어선 안된다.

 

휘발유와 마찬가지로 올레핀, 아로마틱이 많은 경우 환경오염을 유발한다.

 

노말파라핀은 많이 섞여선 안되는 거 같다. 

 

등유 역시 마찬가지로 올레핀과 아로마틱을 섞어 사용하는데, 연소 열량이 낮고 불완전한 결합으로 발연점이

 

낮아 그을음이 생기니 많이 섞어선 안되고, 노말 파라핀 역시 항공유에 사용되는 등유는 어는점이 낮아야 하기 때문에

 

노말 파라핀 역시 많이 사용하면 안된다.