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옥탄가
옥탄가(Octane Rating, Octane Number) 휘발유의 노킹 정도를 측정하는 값으로, 원래 2,2,4-트라이메틸펜테인(속칭 아이소옥테인)을 100, n-헵테인을 0으로 하여 휘발유의 안티노킹 정도와 두 탄화수소의 혼합물의 노킹정도가 같을때, 트라이메틸펜테인의 분율을 퍼센트로 한 값이다. 옥테인가라고도 한다.
그러나 100보다 더 안티노킹이 잘되는 (노킹이 덜 일어나는) 물질이 발견됨에 따라 다른 옥탄가의 측정방식도 생겼다. 옥탄가가 높을수록 고급 휘발유이다. 테트라에틸납이나 Methyl tert-butyl ether를 첨가하면 옥탄가를 높일 수 있다.
목차
개요[편집]
옥탄가는 엔진에 연료로 사용되는 휘발유의 특성을 나타내는 수치 중 하나로, 노킹에 대한 저항성을 의미한다. 옥탄가라는 이름이나 90~100 정도의 숫자 때문에 오해하기 쉽지만, 옥탄가는 휘발유 속 옥탄의 함량이 아니라 옥탄과 비교했을때 그 연료의 노킹 저항성이 얼마나 되는지를 상대적으로 나타내는 수치이다.
휘발유를 사용하는 4행정 엔진은 폭발 행정에서 점화플러그로 불꽃을 튀겨 휘발유를 폭발시키며 구동된다. 하지만 휘발유는 실린더 내에서 압축에 의해 온도와 압력이 올라가면 불꽃을 튀기기도 전에 스스로 점화될 수 있다. 이것을 사전점화(pre-ignition)라고 하며 이렇게 되면 적절하지 않은 시점에 폭발력이 발생하면서 피스톤과 커넥팅 로드, 크랭크 축 등에 손상을 준다. 이 때, 쇠를 두드리는 듯한 특유의 소리가 생기기 때문에 노킹이라고도 한다.
압축비를 높이는 등 출력과 효율을 높이려 할수록 노킹이 발생하기 쉽다. 따라서 휘발유 엔진은 사용 연료의 옥탄가를 미리 정하고, 그 연료를 사용했을 때 노킹이 일어나지 않는 선에서 최대한 출력과 효율을 얻을 수 있도록 작동조건을 설정한다. 그러므로 엔진이 요구하는 옥탄가보다 낮은 옥탄가의 휘발유를 쓰면 노킹이 일어나 엔진에 손상을 줄 수 있다.
일반적인 차량들은 주유소에서 판매되는 일반적인 옥탄가를 기준으로 설계되고, 고성능 차량의 엔진들은 고옥탄가 휘발유를 요구하는 경우가 많다. 고옥탄가 휘발유는 한국에서는 고급휘발유, 미국에서는 Super Premium 등의 이름으로 판매되고 있다. 국내에서 고옥탄가 휘발유를 취급하는 곳을 찾으려면 한국석유관리원 오피넷 홈페이지를 참고하면 된다.
옥테인값 기준[편집]
옥테인값 측정과 표기에는 옥테인(octane, 옥탄)과 헵테인(heptane)의 혼합물을 기준으로 삼는다('옥테인값'이라는 말도 옥테인에서 온 것이다). 옥테인은 탄화수소로서, 정확히는 이것의 이성질체인 아이소옥테인(isooctane), 즉 2,2,4-트라이메틸펜테인(2,2,4-trimethylpentane)을 옥테인값의 기준으로 사용하며 이 화합물을 옥테인값 100으로 한다. 그리고 헵테인도 역시 탄화수소로서, 정확히는 노멀 헵테인(n-heptane)을 기준 물질로 사용하고 이것의 옥테인값을 0으로 한다.(그림 1) 특정 혼합물의 노킹 정도와 측정 대상 휘발유의 노킹 정도가 같다면 그 혼합물의 옥테인 농도가 휘발유의 옥테인값이 된다.
기준이 되는 아이소옥테인보다도 더 노킹에 강한 휘발유라면 100(=아이소옥테인 100%)을 넘어선 값으로 표기된다. 에탄올이나 LPG 같은 것은 순수 아이소옥테인보다도 노킹에 대한 저항이 강하다. 따라서 이 경우는 옥테인값이 100(=아이소옥테인 100%)을 넘어간다.
휘발유와 공기의 혼합물이 압축되어 높은 압축비를 가지고 휘발유 엔진을 구동시키므로 휘발유는 높은 옥테인값을 보이지만 이와는 달리 디젤유는 디젤유가 압축되는 것이 아니고 공기만 압축되므로 디젤유와 압축공기의 혼합물은 낮은 압축비를 가지고 디젤 엔진이 작동되기 때문에 낮은 옥테인값을 보인다.
높은 옥테인값을 가지고 노킹이 덜 일어나게 하는 첨가 물질이 발견되었다. 테트라에틸 납(tetraethyl lead)이나 메틸 t-뷰틸 에터(MTBE: methyl tert-butyl ether)를 첨가하면 휘발유의 옥테인값을 높일 수 있다. 테트라에틸 납을 사용하는 경우는 옥테인값을 높일 수 있으나 환경 공해를 일으킬 수 있어서 납을 포함하지 않는 무연(lead-free) 휘발유가 출시되었다.
휘발유는 수백 가지의 탄화수소가 섞여 있는 혼합물로 이 탄화수소는 약 25가지 정도로 구성되어 있다. 각 탄화수소는 엔진에서 서로 다르게 연소한다. 엔진도 종류에 따라서 작동이 되는 휘발유가 한정되어 있다.
엔진의 종류는 휘발유의 증기와 공기의 혼합물이 실린더에 압축되는 정도, 즉 압축비에 따라 결정된다. 압축비가 높을수록 휘발유와 공기의 혼합물을 더 많이 압축된다.
휘발유 엔진은 혼합기를 압축하면서 온도가 상승할 때 점화 플러그에서 스파크를 내어 점화시키는데, 실린더 내부의 온도가 상승하거나, 혼합기가 압축되면서 온도가 상승할 경우, 점화시키기 전에 온도 상승으로 인해 혼합기가 바로 연소하는 '자기 점화' 또는 '조기 점화' 현상이 발생한다. 이 현상으로 인해 연비가 떨어지고 엔진에서 '탁탁' 거리는 소음이 나는 노킹(knocking) 현상이 발생한다.
노킹 현상이 지속되면 엔진 부품의 파손 원인이 되기도 한다. 높은 압축비를 가지는 엔진일수록 이런 노킹 현상이 일어나기 쉬우므로 높은 압축비의 엔진에는 높은 옥테인값의 연료를 사용하여야 한다. 엔진의 종류에 따라 요구되는 옥테인값이 다르며, 휘발유를 사용할 때 엔진이 요구하는 옥테인값보다 높은 옥테인값의 휘발유를 사용하여야 한다.
옥탄가 측정과 표기[편집]
옥탄가는 노킹이 잘 일어나지 않는 옥탄과 노킹이 잘 일어나는 헵탄의 혼합물을 이용해 측정·표시한다. 어떤 연료로 측정한 노킹 발생 정도가 옥탄 100%로 측정한 노킹 정도와 같다면 그 연료는 옥탄가 100 이고, 옥탄 95% + 헵탄 5% 혼합물과 노킹 정도가 같다면 옥탄가 95가 되는 식이다.
측정시 옥탄으로는 아이소옥테인(Isooctane)이 사용되며, 정확히는 2,2,4-트라이메틸펜테인(2,2,4-Trimethylpentane)을 쓴다. 헵탄은 가지가 없는 단순한 직선-사슬 형태인 노멀헵테인(N-Heptane)을 옥탄가 0의 기준으로 사용한다.
기준이 되는 아이소옥테인보다도 더 노킹에 강한 연료라면 100(=아이소옥테인 100%)를 넘어선 값으로 표기된다. 예를 들어 에탄올이나 LPG같은 것은 순수 아이소옥테인보다도 노킹에 대한 저항이 강해서 에탄올은 107, 프로판은 112 정도이다.
옥탄가 측정에는 몇 가지 서로 다른 측정법이 있다.
- RON (Research Octane Number)
세계적으로 가장 많이 쓰이는 방식이며, 유럽과 일본, 그리고 대한민국에서 쓰이는 방식이다. 규격이 정해진 시험용 엔진에 측정대상 연료를 넣고 노킹을 일으켜보면서 옥탄가를 측정한다.
- MON (Motor Octane Number)
RON보다 실제 상황에 좀 더 부합하도록 시험하는 방법. RON 시험 시보다 더 높은 RPM 상태에서 부하를 주면서 측정한다. 같은 휘발유에 대해서 RON 방식보다 낮은 수치가 나온다.
- AKI (Anti-Knock Index)
RON과 MON의 평균으로서 미국과 캐나다, 브라질에서 사용된다. 같은 휘발유를 측정했을 때 대한민국에서 쓰는 RON에 비해 수치가 대략 4~5 정도 낮다고 한다.
국내 판매 휘발유의 옥탄가[편집]
대한민국에서는 모든 정유사의 휘발유가 유사한 옥탄가를 가지고 있어 정유사별로 유의미한 차이가 없다. 정유사 출고시 기준으로 일반휘발유는 RON 91~93, 고급휘발유는 RON 98~101 정도다. 과거 S-OIL이 처음 출범하면서 프리미엄 전략으로 RON 95 이상의 옥탄가를 가지는 일반휘발유를 판매하면서 이를 대대적으로 홍보했기 때문에 S-OIL의 휘발유가 더 좋다는 인식이 지금도 있으나, 다른 정유사들의 견제로 지금 S-OIL이 판매하는 휘발유의 옥탄가는 다른 업체들과 비슷하다. S-OIL에서 판매하는 일반휘발유의 옥탄가는 홈페이지에 공식적으로 93으로 표기되어 있으며 타 정유사들의 일반휘발유 옥탄가인 91~93 범위 안에 든다.
2010년대 이후 국내에서 벤츠, BMW, 아우디, 재규어, 볼보 등 해외 프리미엄 브랜드 차량의 판매가 크게 늘었는데, 이들 제조사의 휘발유 엔진 차량들은 대부분 RON 95 이상의 옥탄가를 권장 또는 요구한다. 여기에 RON 91~93 정도인 일반휘발유를 계속 주유하면 출력 저하나 노킹으로 인한 엔진 손상이 누적될 수 있다. 해외에서는 휘발유를 RON 91-95-98 세 단계로 구분하고 옥탄가를 명시해서 판매하기 때문에 RON 95를 주유하는 것이 직관적이지만, 국내에서는 옥탄가를 표기하지 않고 일반/고급휘발유라는 이름으로 두 가지로만 구분해 판매하기 때문에 옥탄가를 신경쓰지 않고 주유하기 쉽다. 각 차량이 요구하는 옥탄가는 오른쪽 사진과 같이 주유구에 적혀있으며, 자동차 설명서에도 적혀 있다.
2000년대까지만 해도 국내에는 고급휘발유를 판매하는 주유소가 그리 많지 않아 고급유 관리가 어려웠다. 고급유 취급 주유소는 주로 수입 차량이 많은 서울 강남 쪽에 다수 모여 있었고, 서울 강북 지역만 해도 취급하는 곳이 많지 않은 정도였다. 하지만 위에서 설명한 바와 같이 수입 차량의 판매가 크게 증가하면서 수요가 늘어나 2020년대 기준으로 전국의 웬만한 시/군에는 고급유를 취급하는 주유소가 존재한다. 고속도로의 경우에도 고급유를 취급하는 휴게소가 거의 없었으나 점점 늘어나고 있다. 2019년에는 8곳, 2021년에는 14곳의 휴게소에서 고급유를 취급하고 있다.
- 경부고속도로 : 2개 천안삼거리휴게소(서울방향), 망향휴게소(부산방향)
- 남해고속도로 : 2개 진영복합휴게소(부산방향), 함안휴게소(순천방향)
- 서울외곽순환고속도로 : 1개 시흥하늘휴게소(판교방향)
- 서해안고속도로 : 2개 매송휴게소(서울방향), 매송휴게소(목포방향)
- 영동고속도로 : 2개 덕평자연휴게소(서울방향), 덕평자연휴게소(강릉방향)
- 중부고속도로 : 3개 마장프리미엄휴게소(하남방향), 음성휴게소(하남방향), 하남드림휴게소(청주방향)
- 평택제천고속도로 : 2개 평택복합휴게소(평택방향), 평택복합휴게소(제천방향)
그럼에도 불구하고, 2022년 현재 보성군, 청송군, 해남군, 보성군, 태백시, 영월군 등 고급휘발유 취급 주유소가 없는 곳은 여전히 꽤 있다. 이런 환경에 거주할 경우 고급휘발유가 필요한 차량을 유지하기가 어려우며, 지방 출장이나 여행 등으로 들러야 할 경우에는 미리 고급휘발유를 주유할 곳의 동선을 계산하거나 정 안되면 일반유를 넣고 낮은 rpm으로 살살 운행하는 등의 대응이 필요하기 때문에 차를 자유롭게 운행하기에는 제약이 있다. 이외에 말통에 미리 고급휘발유를 받아서 가지고 가거나 일반휘발유 주유 후 옥탄부스터 같은 연료첨가제를 주입하는 등의 방법도 있으나 권장하기는 어렵다.
꼭 수입차가 아니더라도 젠쿱 후기형, 스팅어, K9 3.3T, 5.0, G70, G80 2.5T/3.3T/3.5T, G90 3.3T, 5.0, 3.5T, 현대 N 등 국내 브랜드의 차량 중에도 고급유 권장 차량이 늘어나고 있다. 이에 따라 고급유 취급 주유소가 더 늘어날 것으로 보인다.
국내에서 옥탄가를 두 종류로만 나눠 판매하는 이유는 법에 그렇게 정해져 있기 때문이다. 국내의 석유류 제품은 종류나 품질이 법률에 의해 통제되는데, 휘발유는 "석유 및 석유대체연료 사업법"의 24조에 규정되어 있고 "석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시"의 별표에 세부 규격이 정해져 있다. 보통 휘발유가 RON 91 이상 94 미만, 고급 휘발유가 RON 94 이상으로 규정되어 있으며, 한국석유관리원에서 검사와 관리를 하고 있다.
법에 두 종류로 나눠 판매하도록 규정이 되어 있는 이유는, 국내 자동차 시장에서 옥탄가를 다양하게 구분해 판매할 수요가 없었기 때문이다. 지금처럼 높은 옥탄가를 요구하는 고성능 차량이 길에 흔해질 정도로 대한민국의 소득수준이 높아진 것은 2010년대 이후의 일이다. 그 이전에는 높은 옥탄가를 요구하는 고가의 고성능 차량이 많지 않았기 때문에 굳이 여러 단계로 옥탄가를 나눠 다양한 휘발유를 생산·유통·판매할 만큼의 수요도 없었고 법적으로 굳이 그렇게 관리할 이유도 없었다.
요구되는 옥탄가보다 낮은 휘발유를 주유했을 때[편집]
대부분의 고급유 권장 차량들은 일반휘발유를 넣으면 대부분 점화 타이밍을 늦춰서 노킹을 억제시킨다. 그리고 그 때문에 엔진 출력이 최고출력 뿐만 아니라 실용영역을 포함하는 전 영역에서 감소한다. 고회전 영역에서의 출력 감소폭이 클 뿐 실용영역에서도 운전자가 체감할만한 출력감소가 발생한다.
또한 이러한 엔진 보호 과정은 기름의 종류를 차가 인식해서 조절하는게 아니라, 노킹이 발생하는 것을 엔진 블록에 장착된 압력 센서가 감지하여 그 후 점화 타이밍을 늦추는 식이라서 노킹을 완전히 막지는 못한다.
과거 현대 에쿠스 1세대 모델 중 V8 4.5 GDI 엔진을 사용한 모델이 고급유 권장으로 설계되어 일반유를 넣으면 노킹이 발생하는 문제가 있었다. 당시 고급유 취급 주유소가 극히 적었던 상황이어서 불편을 일으켰다. 결국 얼마 후 일반유 권장으로 설계를 변경한 V8 4.5 DOHC MPI 엔진이 장착되었다.
요구되는 옥탄가보다 높은 휘발유를 주유했을 때[편집]
대부분의 일반적인 일반휘발유 차량을 운전하는 일반적인 운전자에게 고급휘발유 주유는 이득이 없다. 일반적인 일반휘발유 차량을 운전하는 일반적인 운전자가 고급휘발유를 주유하는 것이 이득이 되는 경우는 차량 관리 소홀, 엔진 설계 결함 등으로 노킹이 발생하는 비정상적인 상황에서 제대로 된 조치를 취하기 전까지 임시방편으로 노킹을 억제시켜야 할 때와 같은 특수한 상황 뿐이다.
점화시기가 자동적으로 조절될 수 없는 구형 차량은 엔진이 일반휘발유로 세팅되었다면 옥탄가가 더 높은 고급 휘발유를 넣어도 출력은 향상되지 않는다. 오히려 화염전파속도가 느려져서 이론적으로 출력이 낮아진다.
점화시기가 자동적으로 조절되는 차량, 즉 점화코일을 사용해 노크센서에서 실화 감지시 점화시기를 가변적으로 조절할 수 있는 차량은 일반휘발유 세팅 엔진이라도 고급휘발유를 넣으면 최고출력이 약간 상승한다. 아반떼 AD 스포츠의 경우 일반휘발유를 넣은 차량과 고급휘발유를 넣은 차량 몇대를 같은 날 같은 다이노에서 출력을 측정해보면 고급휘발유 차량이 최고출력이 발생되는 고회전 영역에서 10마력 정도 높은 최고출력을 보인다. 이 출력 차이가 일반휘발유-고급휘발유의 가격 차이 대비 의미가 있는 것인지는 운전자의 성향에 따라 다르지만, 스포츠 주행(서킷, 와인딩 주행 등)을 하지 않는 대부분의 운전자에게는 의미가 없다.
휘발유의 옥탄가를 조절하는 방법[편집]
납 성분이 있으면 옥탄가가 올라가므로 예전에는 유기 납 화합물이 첨가제로 쓰인 적이 있다. 가장 대표적으로 쓰였던 것은 테트라에틸납(Pb(C2H5)4). 납이 들어간 것을 유연휘발유라 하는데, 납이 일으키는 환경 문제와 치명적이고 회복 불능인 신경손상 증세 때문에 점차 도태되고 있다. 현재의 휘발유는 무연휘발유가 세계적으로 대세다. 대한민국에서는 1987년에 무연휘발유가 도입되어 1991년부터 100% 무연휘발유만 소비되고 있다. 무연휘발유 전환 시기에 나온 차량 중에는 혼입을 방지하기 위해서 파란색 동그라미에 "무연"이라고 적은 스티커를 주유구 쪽 창문에 붙여서 출고하기도 했다.
참고로 1980년대 초반에 고옥탄가 휘발유 경쟁이 국내 정유사에 일시적으로 일어난 적이 있었다. 호남정유는 CX-3, 유공은 뉴슈퍼, 경인에너지는 하이파워 등의 브랜드를 내세웠는데 당시 TV 광고도 열심히 했을 정도였고, 주유소 등에서 휘발유 브랜드 스티커를 배포해 승용차 뒷유리나 뒷범퍼 등에 붙이는 게 유행하기도 했었다.
미국에는 온갖 자동차 회사의 수많은 차종이 굴러다니기 때문에 요구되는 옥탄가가 다양하다. 따라서 주유소에서 판매되는 휘발유의 옥탄가도 다양하다. 미국의 휘발유는 AKI 기준으로 레귤러가 87, 플러스가 89, 프리미엄이 91 정도의 옥탄가로 팔린다고 한다. 이들은 대한민국 기준(RON)으로 91, 93, 97 쯤에 해당한다. 심지어 옥탄가 85짜리 이코노미가 팔리기도 하고, 어떤 주유소에서는 옥탄가가 98에 달하는 레이싱용 휘발유가 팔리기도 한다. 아예 한 주유기에서 5가지 휘발유를 선별적으로 공급하는 경우도 있다.
옥탄가 테스트 의뢰법[편집]
만약 가짜 휘발유로 의심되어 차량이 대미지를 입었다면 한국석유관리원으로 연락하면 무료로 해당 주유소의 기름을 점검할 수 있다. 단, 점검에서 나오는 결과는 옥탄가 등 구체적인 수치가 아니라 정부가 정한 적법한 기준에 맞는지만 판단하여 YES/NO만 알려준다. 또한, 자동차를 수리했다는 정식 견적서가 있어야 하기 때문에 단순히 옥탄가가 궁금하다고 해서 쉽게 의뢰할 수는 없다.
해외에는 현지에서 옥탄가를 측정하여 단속하는 용도로 포터블 기계가 몇몇 나와있지만 가격이 수백만 원이 넘는 공업용 제품이기 때문에 쉽게 구하기 힘들다.
옥탄가가 궁금하다면 충북 청주시 오창읍에 있는 한국석유관리원 석유기술연구소(온라인 신청사이트)에 의뢰하면 된다. 유일하게 일반인이 기름의 조사를 의뢰할 수 있는 공신력 있는 기관이며, 모든 휘발유 품질 조사에 약 130만 원, 세부항목인 옥탄가만 측정한다면 18만 원이 든다. 휘발유는 택배로 배송할 수 없는 제품이라 직접 샘플을 들고 오창에 들러야 하며, 한번에 필요한 기름의 양은 최소 2L이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
