자동차연료 윤활공학
1. 개념 및 정의
1) 자동차연료공학의 개념 및 정의
연료(燃料, fuel)란 연소(燃燒)하여 에너지를 만들어 내는 물질을 말하며 내연기관(內燃機關) 자동차의 동력을 얻기 위한 동작유체(動作流體)로서 가솔린, 경유, 액화석유가스, 천연가스 등을 말한다. 이러한 연료와 관련하여 연료의 성질, 특성, 구비조건 및 연소이론 등과 관련한 이론적 지식과 학문을 연구하는 분야가 자동차연료공학(自動車燃料工學, automotive fuel engineering)이다.
내연기관을 적용한 자동차의 연료는 대부분 원유(原油)로부터 얻어지는 석유(石油)제품으로서 원유의 정제과정을 통해 완성된다. 연료의 품질은 원유의 종류에 따라 많은 차이를 보이기 때문에 정유 공장에서는 고품질의 원유를 얻기 위해 많은 노력을 하고 있으며 도입 원유의 최적처리조건을 선정하여 품질 및 경제성을 동시에 만족시키기 위해 노력한다.
연료의 효과적인 연소는 자동차의 에너지 효율을 증가시키고 이에 따라 미연소 유해물질의 감소를 가져오게 된다. 연료를 완전 연소시키는 기술의 발전은 상당한 연소기술의 진보를 만들어 내고 있으며 연료의 품질 개선은 환경보호를 위해 미국, 유럽 등의 선진국에서 지속적으로 이루어지고 있다.
2) 자동차윤활공학의 개념과 정의
윤활(潤滑, lubrication)이란 일반적으로 상대운동을 하는 고체 사이에 전단력(剪斷力)이 적은 윤활유막(潤滑油膜)을 형성하여 고체를 분리시킴으로서 표면의 손상을 방지하는 것이다. 또한 다양한 마찰(摩擦)현상으로 발생할 수 있는 여러 문제점을 보완하여 기계 부품 등의 내구성 향상 및 소음(騷音) 개선, 진동(振動) 개선, 자동차의 경우 연비(燃比) 개선에 이르기까지 여러 측면에서 매우 중요한 역할을 한다.
내연기관 자동차는 동력을 발생시키는 엔진과 발생된 동력을 전달 또는 가속, 감속을 하도록 하는 변속장치(變速裝置, transmission)를 포함한 동력 전달 계통을 비롯하여 많은 구성 부품들이 매우 다양한 환경 및 조건에서 상대운동을 하고 있다. 이러한 상대운동을 원활하게 하기 위해서는 반드시 여러 가지 형태의 윤활재가 필요하다. 최근 소형화 및 고속, 고 하중 운전조건, 운전의 편의성, 효율성 등에 대한 요구에 대응하기 위해서는 고기능의 윤활 재료 및 윤활 시스템의 개발은 필수적이며, 특히 환경과 관련한 규제가 강화되면서 다양한 요구조건을 만족시키는 윤활 재료의 개발이 매우 중요시 되고 있다. 이러한 윤활과 관련되어 자동차의 윤활 시스템을 크게 분류하며 엔진 윤활 시스템, 변속장치 윤활 시스템, 각종 기계적 구동장치의 윤활 시스템 등으로 분류할 수 있고 이러한 각 분야에 대한 학문을 연구하는 분야를 자동차윤활공학(自動車潤滑工學, automobile lubrication engineering)이라 한다.
2. 연료의 특성 및 종류
내연기관 자동차에 적용되고 있는 연료는 휘발성, 점도, 밀도, 황 함량, 유동성 및 윤활성에 이르기까지 여러 종류의 성질이 있으며 각 내연기관의 특성에 맞는 연료의 선정이 중요하다. 일반적으로 내연기관에서 사용되는 석유계 연료와 알코올계 연료의 종류와 특성을 보면 다음과 같다.
1) 가솔린
휘발유가 담긴 병
가솔린은 휘발유라고도 한다.
가솔린(gasoline)은 무색의 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화성(氣化性)이 크다. 세부적 특성은 저위 발열량(低位發熱量)이 11,000~11,500kcal/㎏, 비중(比重) 0.69~0.77, 인화점(引火點) -50℃~-43℃, 착화점(着火點) 400~500℃, 증류온도(蒸溜溫度) 40~200℃이다. 이러한 가솔린의 중요한 성능으로는 엔진의 노킹(knocking)을 억제 할 수 있어야 하는 성질이 요구되며 엔진의 노킹 발생에 대한 저항을 나타내는 수치로 옥탄가(octane number)를 사용하고 있다. 가솔린에는 옥탄가를 향상시켜 노킹을 억제하기 위하여 첨가제를 넣었는데 초기의 가솔린에는 테트라에틸납(tetraethyl lead, (CH3CH2)4Pb)을 첨가하여 옥탄가를 높인 유연휘발유(有鉛揮發油)를 사용하였다. 그러나 유연휘발유는 자동차 배기계통에 장착되어 있는 촉매(觸媒)장치의 손상과 납 성분의 배출로 인하여 기존 옥탄가 향상제인 테트라에틸납 대신 MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether)를 대체 물질로서 첨가하며 무연휘발유(無鉛揮發油)라 부르게 되었다. 현재에는 MTBE의 환경문제가 제기되면서 에탄올을 첨가하여 옥탄가를 높이기도 한다. 이외에도 1990년대 미국에서 벤젠, 황의 함유량 등과 관련하여 개질 가솔린의 개발도 이루어졌다.
2) 경유
경유
경유(輕油, light oil, diesel fuel)는 거의 무색 또는 엷은 청색을 띠며 특유의 냄새가 나는 연료이다. 착화온도(着火溫度)가 낮아 고속 디젤기관인 디젤 자동차의 연료로 사용되고 있으며 순수 경유는 황 성분의 함량이 높아 현재 저 유황 경유나 바이오 디젤과 같은 황 함량이 적거나 없는 경유로 대체하여 디젤 자동차에 사용되고 있다.
이러한 경유의 세부적인 특성은 저위 발열량(低位 發熱量) 10,500~11,000kcal/㎏, 비중(比重) 0.84~0.89, 인화점(引火點) 45~80℃, 착화점(着火點) 340℃, 증류온도(蒸溜溫度) 250~300℃이다. 자동차용 경유의 품질은 우수한 착화성, 적당한 점도(粘度)와 휘발성, 저온 유동성(低溫 流動性) 및 윤활성 등이 우수해야 하는 성질이 요구되며 특히 세탄가의 특성이 중요시 된다.
세탄가(cetane number)는 연료의 압축착화거동의 판단기준으로 사용되며 냉시동성, 배출가스 및 연소소음 등 자동차의 성능이나 대기환경에 영향을 미치는 중요한 수치이다. 따라서 경유의 중요한 특성은 연료가 얼마나 쉽게 자발점화 하는가를 나타내주는 세탄가이다. 디젤엔진에 너무 낮은 세탄가의 연료를 사용하여 운전할 경우 디젤 노크(knock)가 발생하는데 이는 너무 빠른 연소시기 때문에 일어난다. 세탄가가 클수록 연료 분사 후 착화지연(着火遲延)이 짧아지고 소음저감과 연비를 향상시킨다. 이러한 세탄가를 증가시키기 위해 경유에 첨가하는 물질을 착화 촉진제라고 한다.
3) 액화석유가스
액화석유가스
액화석유가스(LPG, Liquefied Petroleum Gas)는 석유(石油)나 천연가스의 정제 과정에서 얻어지며 한국, 일본 등의 나라에서 수송용 연료로 점차 사용이 확대되고 있다. LPG는 프로판(propane)과 부탄(butane)이 주성분으로 이루어져 있고, 프로필렌(propylene)과 뷰틸렌(butylene) 등이 포함된 혼합가스로 상온에서 압력이 증가하면 쉽게 기화되는 특성이 있다. 국내에서 수송용으로 사용되는 LPG는 부탄을 주로 사용하나 겨울철에는 증기압(蒸氣壓)을 높여주기 위해서 프로판 함량을 증가시켜 보급한다.
LPG의 세부 특징으로는 저위 발열량(低位發熱量) 11,850~12,050kcal/㎏, 기체비중(氣體比重) 1.52이며, 다른 연료에 비해 열량이 높고 냄새나 색깔이 없으나 누설될 때 쉽게 인지하여 사고를 예방할 수 있도록 불쾌한 냄새가 나는 메르캅탄(mercaptan)류의 화학 물질을 섞어서 공급한다.
안전성 측면에서 LPG는 CNG보다 낮은 압력으로 보관하고 운반할 수 있다는 장점이 있으나 공기보다 밀도가 커서 대기 중에 누출될 경우 공중으로의 확산이 어려워 누출된 지역에 화재 및 폭발의 위험성이 있다. 또한 가솔린이나 경유에 비해 에너지 밀도가 70~75% 정도로 낮아 연료의 효율이 낮다는 단점이 있다.
4) 등유
등유
등유(燈油, kerosene)는 무색이며 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화가 어렵고 연소속도가 느리며 완전연소가 불가능하다. 세부 특성으로는 저위 발열량(低位 發熱量) 10,700~11,300kcal/㎏, 비중(比重) 0.77~0.84, 인화점(引火點) 40~70℃, 착화점(着火點) 450℃, 증류온도(蒸溜溫度) 200~250℃이다. 상온에서 위험성이 적고 난방용 연료와 등유기관 및 디젤기관의 연료로 사용된다.
5) 중유
중유
중유(重油, heavy oil)는 검정색을 띠고 특유한 냄새가 나며 점성(黏性)이 크고 유동성(流動性)이 나쁘다. 회분 성분과 황 함량이 많고 저급 중유는 벙커C유라 하여 보일러용 연료로 사용되고 있다. 세부 특징으로는 저위 발열량(低位 發熱量) 10,000~10,500kcal/㎏, 비중(比重) 0.84~0.99, 인화점(引火點) 50~90℃, 착화점(着火點) 400℃, 증류온도(蒸溜溫度) 300~350℃이다.