고급 휘발유 써야 하나?

고급 휘발유를 써야 할지 말아야 할지 고민하시는 분들을 위해 정리해보았습니다. 고급 휘발유와 일반 휘발유의 차이는 옥탄가라는 것은 잘 아시겠지만 이게 어떤 차이가 있는지... 단순히 옥탄가가 높으면 잘 터져서 좋은 휘발유인지... 결론적으로 말씀드리면 엔진에 명시된 옥탄가를 가진 연료를 사용하시는 게 안전합니다. 만약 엔진에서 원하는 옥탄가가 고급 휘발유에 해당하는 옥탄가라면 고급 휘발유를 사용하셔야 하는 것이죠. 이유는... 아래 글을 한 번 읽어보시기 바랍니다. ;-)

1. 노킹(knocking)이란?

똑똑 두드린다는 의미입니다. 문이 아닌 엔진을 누가 두드려서 소리가 난다는 의미인데요... 노킹은 한마디로 원하지 않는 타이밍에 연료가 연소되어 엔진이 비정상적으로 동작하게 되는 현상입니다. 보다 자세한 설명은 이렇습니다. 

일반적인 내연기관은 정해진 사이클에 의해 연료(휘발유  또는 경유)와 공기의 혼합물을 연소하게 됩니다. 연소는 피스톤이 상사점(TDC, top dead center)에 도달하기 전에 점화 플러그로 점화를 합니다. 피스톤이 최대로 올라가서 실린더가 최대로 압축되는 시점이 상사점인데요, 상식적으로 이 때 점화 플러그로 점화가 되면서 압축된 혼합물이 폭발할 거 같지만 그렇지 않습니다. 상사점보다 전에(보통 그랭크샤프트의 회전 기준으로 10~40도 전)  점화를 하게 되는 것입니다. 이렇게 되면 점화가 된 시점에서 상사점으로 피스톤이 올라가는 시점까지 조금 더 압축이 된 후 폭발이 이뤄지게 됩니다. 이렇게 만든 이유는 이를 통해 폭발로 인해 피스톤을 밀어내는 힘을 극대화하는 시점을 만들 수 있다고 합니다.

아래 그림에서 B가 상사점입니다. 점화는 B가 아닌 A와 같이 10도 정도 크랭크축이 덜 돌아갔을 때 점화가 시작됩니다.  

2. 가솔린 엔진의 점화(폭발) 과정 

내연(internal combustion) 기관에서 노킹은 다양한 원인에 의해 발생할 수 있습니다. 그 중 점화플러그 방식의 내연기관(가솔린 엔진)에서 발생하는 노킹의 원인은 실린더 내부에 연료 혼합물(air/fuel mixture)이 점화플러그의 점화에 의해 폭발이 일어나는 시점에서 일부 연료 혼합물이 정상 연소 범위를 벗어난 타이밍에 폭발이 일어나면서 발생됩니다. 디젤 엔진은 예외입니다. 우선 디젤 엔진은 점화플러그가 없습니다. 하지만 디젤도 노킹이 일어날 수 있는데요 그건 아래 쪽에 정리했습니다. 그럼 정상 연소 범위를 벗어난 타이밍이란 무엇일까요?

위의 그림에서 A 시점에 점화가 이뤄지고 B 시점인 상사점에서 폭발이 이뤄지는 것이 가장 이상적인 연소입니다. 결국 미세하지만 A에서 B까지 점화 후 폭발까지의 딜레이가 발생하게 됩니다. 그럼 이 딜레이 동안 폭발이 안 일어나다가 B 시점이 되어야지 비로소 폭발하는 것일까요? 그렇지 않습니다. 

A에서 점화가 되면 그 순간부터 압축되어 있던 연료와 산소의 혼합물은 연속적인 폭발을 하게 됩니다. 즉 한 번에 뻥하고 터지는게 아니라 뻥~뻥~뻥~... 연쇄 폭발이 일어나게 되며 B 부근에서 가장 많은 양의 혼합물이 가장 격렬하게 폭발하게 되는 것입니다. B를 지나면서 점점 폭발의 양이 줄어 C지점에서는 모든 폭발이 완료 됩니다. 매우 짧은 시간에 연속 폭발이 일어나기 때문에 단순히 보면 마치 한 번에 폭발하는 것처럼 보일 뿐입니다. 결과적으로 엔진 내부에서의 폭발은 혼합물들이 B시점에서 일시에 쾅 터지는 것이 아니라 조금씩 점점 많이 터지다가 다시 점점 적게 터지면서 피스톤에 가하는 압력도 점점 커지다가 B지점에서 가장 강하게 피스톤을 밀어내고 점점 그 힘이 약해지는 것입니다. 

 3. 노킹의 원인: 옥탄가

노킹은 바로 이런 연쇄 폭발이 기대했던 타이밍에 일어나지 않고 아주 짧은 시간에 혼합물들이 터져버리면서 발생합니다. 즉  A 시점에서 점화 이 후 터지기 시작하면서 B 시점에서 가장 왕성하게 터져야 하는데 A시점에서 점화 하자마자 매우 짧은 시간에 다 터져버리는 겁니다. 

매우 짧은 시간에 터져버리는 이유를 좀더 자세히 설명해 보겠습니다. 실린더 내부를 매우 넓~은 밀폐된 공간이라고 상상해보세요. 폭발이 시작되는 지점은 스파크가 터지는 지점이고 그럼 가장 늦게 폭팔이 되는 곳은 스파크에서 가장 멀리 즉 실리더의 외벽 쪽에 위치한 연료 혼합물입니다. 위에서도 정리했지만 폭팔이 한방에 딱 일어나는 것이 아니라 연쇄적으로 일어나기 때문에 외벽 쪽에 위치한 혼합물이 가장 늦게 텨지고 또 그렇게 되어야 합니다. 즉 외벽 쪽에 연료 혼합물은 자기의 차례가 될 때까지 고압과 고열을 어느정도 참아야 하는 '참을성'이 필요한 것이죠. 그런데 이 참을성이 부족하면 자기 차례가 되기도 전에 폭팔해 버리게 되는 것입니다. 

피스톤 입장에서 보면 엔진이 피스톤을 지긋이 눌러주는 것이 아니라 한번에 쾅 하고 강하게 쳐버리는 것이 되는 거죠. 그럼 아프겠죠... 문제가 생기는 거죠. 

노킹의 원인은 여러가지가 있습니다. 낮은 옥탄가의 연료, 너무 높은 연료 산소 압축비, 엔진의 과열, 점화 타이밍 고장 등... 이중 운전자가 평소에 관리할 수 있는 부분이 바로 낮은 옥탄가의 연료를 사용하지 않는 것입니다. 낮은 옥탄가의 연료를 사용하지 않는다는 건 어떤 의미일까요? 

모든 엔진에는 엔진이 원하는 옥탄가의 연료가 있습니다. 일반적으로 고급 수입차에서 높은 옥탄가의 연료를 요구하는 엔진이 있습니다. 저는 디젤차를 타고 있기 때문에... 어느 차량이 어떤 옥탄가를 요구하는 엔진인지는 확인이 필요합니다.... 엔진이 높은 옥탄가를 요구한다는 건 그만큼 실린더 내부에서 폭발이 이뤄질 때 '참을성'이 있는 즉 연료의 연소 온도가 높은 연료를 넣어야 한꺼번에 폭발하지 않고 순차적으로 폭발할 수 있다는 것을 의미합니다. 

옥탄가에 대한 보다 자세한 정보는 다음 기회에 정리해 보도록 하겠습니다. ;-)

4. 노킹의 원인: 높은 온도

노킹의 또 다른 원인으로 흡입 단계에서 들어오는 압축된 공기(터보차져 엔진의 경우) 또는 연료+공기 혼합물(일반 엔진의 경우)의 온도가 높은 경우입니다. 터보차져 엔진의 압축된 공기 또는 연료+공기 혼합물이 흡입될 때 (터보차져 엔진의 경우 인터쿨러가 고장난다거나 등등의 이유로) 흡입물의 온도가 높을 경우 연료가 너무 일찍 폭발하여 노킹이 발생할 수 있습니다. 물론 이런 원인의 노킹은 휘발류의 옥탄가와 상관없이 자동차 내부 동작의 문제가 원인입니다. 

5. 노킹의 문제점

노킹에 의해 나타나는 현상으로는 노킹에 의해 실린더 내부에서 발생한 충격파(shock wave)에 의해 소음이 발생하게 되며 실린더의 압력이 큰 폭으로 향상되는데 이로 인해 사소한 문제에서 부터 치명적인 손상까지 발생하게 됩니다. 사소한 문제로는 가끔 노킹이 발생하게 되었을 때 몇번 소음을 낸 후 다시 정상으로 돌아오는 것을 말하며 치명적인 손상은 노킹으로 인해 엔진이 파괴될 수도 있다고 합니다. 

일반적으로 실린더 최고 압력을 낮추게 되면 노킹을 막을 수 있는데 실린더 최고 압력을 낮추기 위해서는 엔진이 고속 회전일 경우에 가능합니다. 이는 왜 노킹이 저 RPM 에서 자주 발생되는 지 설명하는 이유가 됩니다. 또한 노킹은 실외온도와 관련이 있어서 일반적으로 추운 겨울철보다 더운 여름철에 더 자주 발생합니다.

6. 디젤 엔진도 노킹이?

디젤 엔진의 경우 노킹에 더 취약할 수 있습니다. 왜냐하면 디젤의 경우 연료가 더 높은 비율로 공기와 압축되어 바로 실린더 내부로 뿜어져 들어가기 때문입니다. 하지만 디젤의 경우 설계 단계에서 어느 정도의 노킹은 허락되도록 설계되어 있으며 오늘날 많이 사용하는 커먼 레일 인젝션 방식에서는 아주 미비한 수준의 노킹이 발생할 뿐입니다. 하지만 인젝션 펌프와 인젝션 노즐에 문제가 생긴다면 노킹이 발생할 수 있습니다. 

7. 그렇다면...

흥미로운 건 옥탄가가 높다는 건 한 마디로 더 높은 온도에서 폭발한다는 것입니다. 잘 안탄다는 거죠... 그런데 잘 안타는 휘발유가 더 비싼 겁니다. ㅎㅎ 물론 다른 이유가 있겠죠... 또한 엔진에서 요구하는 옥탄가보다 더 높은 연료를 사용하는 것도 바람직하지 않아 보입니다. 즉 이 차는 일반 휘발류용 차인데 거기에 옥탄가가 높은 고급 휘발류를 넣으면 폭발 시점에 영향을 줄 거 같습니다. 머 실험해보지 않아서 추측이지만요.... 그리고 직분사 엔진을 사용할 수록 노킹에 더 취약할 수 있답니다. 직분사의 경우 공기가 더 많이 분사되고 산소와 연료의 혼합이 더 잘 이뤄지도록 하기 때문이랍니다.  

과거에 직분사 차량 중에 운행 중에 전소가 된 사건이 있었죠. 조심스레 추측해 봅니다. 차량의 문제이건 연료의 문제이건 혹시 노킹에 의한 문제는 아니었을가요? 

<Reference>

http://en.wikipedia.org/wiki/Engine_knocking

http://avstop.com/ac/flighttrainghandbook/normal.html

http://www.peugeotlogic.com/info/info1.htm

http://dwcij.com.ne.kr/study/study_eng2.htm

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=bearings_in_internal_combustion_engines