옥탄가

옥탄가의 표준 화학술어는 옥테인값이다. 영문으로는 'octane rating' 또는 'octane number'라고 한다. 옥테인값은 엔진에 연료로 사용되는 휘발유의 특성을 나타내는 수치 중 하나로, 노킹(knocking)에 대한 저항성을 의미한다. 엔진은 목표 옥테인값을 염두에 두고 설계되며, 엔진이 요구하는 옥테인값보다 낮은 옥테인값의 휘발유를 쓰면 노킹이 일어날 수 있다. 고 옥테인값 휘발유는 우리나라에서는 고급휘발유, 일본에서는 하이오크(ハイオク, 하이옥탄), 미국에서는 수퍼 프레미엄(Super Premium) 등의 이름으로 판매되고 있다.

목차

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.

그림 1. (a) 옥테인값 100인 2,2,4-트라이메틸펜테인과 (b) 옥테인값 0인 노멀 헵테인의 화학 구조식 ()

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.

옥테인값 측정에는 몇 가지 서로 다른 측정법이 있다. 나라마다 단위가 다른데, 한국에서는 RON 규격을 이용하고 미국에서는 AKI 규격을 이용한다.

세계적으로 가장 많이 쓰이는 방식이며, 유럽과 일본, 그리고 한국에서 쓰이는 방식이다. 통제된 시험용 엔진을 이용해서 옥테인값을 측정한다.

RON 시험보다 더 높은 RPM 상태에서 부하를 주면서 측정하는 방식. 보통 같은 조건에서 RON 방식보다 낮은 수치가 나오는 편으로, RON보다 좀 더 실제 상황에 맞는 측정 방식이라고 한다.

RON과 MON의 평균값((R+M)/2)으로 나오며 미국과 캐나다, 브라질에서 사용된다. 같은 휘발유를 측정했을 때 한국에서 쓰는 RON에 비교해 수치가 대략 4~5 정도 낮다고 한다.

아래의 표에 각종 화합물의 옥테인값을 RON, MON 및 AKI 별로 나타내었다.

미국에는 온갖 자동차 회사의 수많은 차종이 운행되기 때문에 요구되는 옥테인값이 다양하다. 따라서 주유소에서 판매되는 휘발유의 옥테인값도 다양하다. 미국의 휘발유는 AKI 기준으로 레귤러가 87, 플러스가 89, 프리미엄이 91 정도의 옥테인값으로 팔린다고 한다. 이들은 한국 기준(RON)으로 91, 93, 97쯤에 해당한다. 심지어 옥테인값 85짜리 이코노미가 팔리기도 하고, 어떤 주유소에서는 옥테인값이 98에 달하는 레이싱용 휘발유가 팔리기도 한다. 아예 한 주유기에서 5가지 옥테인값(87, 88, 89, 90, 91)을 가진 휘발유를 선별적으로 공급하는 경우도 있다.(사진 1)

사진 1. 5가지 옥테인값(87, 88, 89, 90, 91)을 가진 휘발유를 선별적으로 공급하는 주유기 ()

국내의 석유류 제품은 종류나 품질이 법률에 따라 통제받고 있고, 휘발유의 옥테인값 또한 2종으로 아예 정해져 있다. 보통 휘발유가 RON 91 이상 94 미만, 고급 휘발유가 RON 94 이상으로 규정되어 있으며, 한국석유관리원에서 검사와 관리를 하고 있다. 법에서 정한 옥테인값의 하한치가 91로 되어 있어서 국내 자동차 회사에서는 엔진에 요구되는 옥테인값을 RON 91 이상 94 미만으로 맞추고 있다.