루돌프 디젤(Rudolf Diesel, 1858 ~ 1913) 은 기술역사상 매우 존경받는 인물 중의 한 사람입니다. 어려서부터 천재성을 보인 디젤은 열역학과 연료효율의 이론 및 실제적 한계를 잘 이해하고 있었습니다. 더구나 당대 널리 사용하고 있던 스팀엔진의 열효율이 매우 낮아 이의 개선이 필요함을 절실히 느끼고 있었습니다.
많은 연구와 실험 끝에 디젤은 우리가 현재 디젤 엔진이라 부르는 새로운 엔진을 1893년에 발명했으며 엔진(기계)공학에 엄청난 변혁을 가져왔습니다. 디젤 엔진은 실린더에서 공기를 압축시켜 고온ㆍ고압이 되게 하고, 여기에 액체연료를 분사하면 자연발화가 일어나 피스톤이 작동하는 새로운 유형의 내연기관입니다. 그렇기 때문에 흔히들 압축점화엔진이라 부르기도 하는데요.
우리가 알고 있는 가솔린 엔진은 연료와 공기 혼합물을 전기스파크로 점화시켜 폭발이 일어나도록 합니다. 자동차에도 사용할 수 있는 최초의 디젤 엔진은 훨씬 후인 1922년에 독일에서 제작되었으며, 계속 엔진 성능이 향상되어 1940년대 중반 이후부터 여러 교통수단에 널리 쓰이게 됐습니다.
디젤연료의 정체는?
루돌프 디젤은 본래 자기가 발명한 엔진에 석탄가루를 연료로 사용하려 했으나, 오늘날 모든 디젤 엔진에는 디젤유가 사용됩니다. 원유로부터 얻는 디젤 연료는 약 75% 의 포화탄화수소와 약 25%의 방향족 탄화수소로 구성되어 있는데요.
디젤 연료는 원유를 대기압 하에서 분별증류 할 때 200~350℃에서 모아지는 유분으로 평균 탄소수가 12~14 정도됩니다. 평균적으로 탄소수 8~9개를 가지는 탄화수소 혼합물인 가솔린에 비해 휘발성이 훨씬 낮고 기름 같은 느낌을 더 주기 때문에 디젤유라고 불리기도 합니다.
디젤 연료의 질을 나타내는 세탄가란?
가솔린의 연소 우수성을 나타내는 숫자로 ‘옥탄가’가 흔히 쓰입니다. 나라마다 조금 차이가 있지만 우리나라에서는 옥탄가가 92 이상이면 일반휘발유, 94 이상이면 고급휘발유로 분류하고 있습니다. 그런데 디젤 연료의 질을 나타내는 숫자는 전혀 달라, 흔히 ‘세탄가’를 사용합니다.
세탄(cetane: n-헥사데칸(n-C16H34))의 세탄가를 임의로 100으로 정하고 2,2,4,4,6,8,8-헵타메틸노난(HMN)의 세탄가를 15로 정했습니다. 어느 연료의 세탄가는 이 두 화합물이 어떤 비율로 섞었을 때와 같이 행동하는 지로부터 추산합니다. 과거에는 α-메틸나프탈렌의 세탄가를 0으로 정했으나 현재는 HMN 표준값을 사용합니다.
그렇다면 세탄가의 높낮이는 실제로 무엇을 뜻할까요? 앞에서 디젤 엔진의 원리를 짧게 설명했듯이, 가솔린 엔진에서는 공기/연료 혼합물을 전기적 불꽃으로 정화시키지만 디젤엔진에서는 공기만을 흡입하고 압축(16~23)해 온도가 500℃ 이상이 되도록 한 후 연료분사를 주입시켜 자동발화시킵니다.
따라서 디젤 연료에서는 자연착화능력이 가장 중요한 인덱스가 됩니다. 예컨대 세탄가가 35인 디젤 연료는 엔진 내의 압축공기온도가 15℃는 되어야 착화되어 엔진시동이 가능하지만 세탄가가 60인 연료는 1℃에서도 시동이 가능하다는 것입니다.
일반적으로 파라핀류(알킨류)의 세탄가가 높으며, 방향족 화합물들의 세탄가가 낮고, 올레핀(알켄류)과 시클로 파라핀(고리 알칸류)의 세탄가는 그 사이입니다. 즉 점화의 질은 곧은사슬 파라핀→올레핀→시클로 파라핀→가지친 파라핀→방향족 화합물 순서로 나빠집니다. 이 점이 바로 경유라고 불리는 디젤 연료의 매력입니다.
원유를 분류해서 직접 얻는 디젤 연료에는 곧은사슬 파라핀과 시클로 파라핀이 많이 함유되어 있으나 가지친 파라핀과 방향족 화합물은 상대적으로 적게 들어 있어, 디젤 연료 배합에 바탕 혼합물로 사용합니다.
정제 후 크래킹과 리포밍 등 화학공정을 거쳐 양질의 가솔린을 얻는 것과 비교하면 디젤 연료의 생산 공정이 훨씬 더 매력적입니다. 물론 디젤 연료 배합에 크래킹이나 리포밍을 거친 석유화학제품도 사용하고 있으나 그 배합양은 상대적으로 적습니다. 또 디젤연료의 배합에는 착화개선제, 안정제, 부식방지제 등 여러 가지 첨가제 등이 사용됩니다.
21세기는 디젤 동력의 시대?
현재는 가솔린 엔진으로 달리는 자동차들이 세계를 주도하고 있습니다. 그러나 2020년경에는 경유의 소비가 가솔린 소비를 능가하고, 2040년까지는 디젤 엔진을 장착한 운반차량들이 가솔린 차량보다 훨씬 중요해진다는 전망도 있습니다.
정말 그럴까요? 왜 이런 추세가 예측될까요? 답은 디젤 엔진의 장단점, 경제성과 환경친화성 및 현재 진행 중인 디젤 엔진기술 발전에서 찾을 수 있습니다. 우선 디젤 엔진의 대표적 장점은 아래와 같은데요.
디젤엔진의 장점 8가지
- 디젤 연료는 가솔린 생산에 필요한 비싼 공정을 거치지 않고 생산되므로 경제성이 크다.
- 디젤 연료가 가솔린보다 안전하다.
- 연료 소비가 적다. 압축비가 높고, 흡입공기의 저항이 없으므로 연비가 우수하다.
가솔린 엔진의 효율은 25%정도인데 비해 디젤 엔진은 연료에너지를 50%까지 기계에너지로 바꿀 수 있다. - 고압 전기적 착화장치가 필요 없고 습한 환경에도 쉽게 사용이 가능하다. 라디오 주파수 방출이 없으므로
해양 및 항공운송ㆍ장비에 사용되는 항해 및 통신 장비를 방해하지 않는다. - 엔진 수명이 길다. 가솔린 엔진의 수명보다 2배 이상 길다.
- 일산화탄소 배출이 적어 지하 광산에 사용 가능하다.
- 디젤 연료는 원유 외에도 바이오 디젤 등 새로운 디젤유 생산 공정이 발전하고 있다.
- 압축비와 폭발 압력이 높아 토오크를 높게 얻을 수 있다.
물론 아직 진동과 소음이 상대적으로 크기 때문에 승차감이 가솔린 엔진의 경우보다 떨어진다는 단점이 있습니다. 그러나 디젤 엔진의 개선 가능성은 여전히 매우 커 이런 문제는 머지않아 해결되리라 예상됩니다. 엔진 회전수와 출력의 향상도 빠른 속도로 이루어지고 있습니다. 급속도로 발전하고 있는 터빈 제어 기술이 부족한 점을 보완해주고 있기 때문입니다.
점점 강화되고 있는 배기(이산화탄소와 질소산화물)가스에 관한 국제적 규제에서도 디젤 엔진이 가솔린 엔진보다 유리합니다. 디젤 자동차의 이산화탄소 배출양은 가솔린 자동차보다 30여 %나 낮고, 질소산화물은 배기가스 후처리 기술로 규제를 걱정하지 않아도 됩니다.
연비와 힘이 좋은 디젤 엔진의 개량은 아직도 많이 진행되고 있으나, 가솔린 엔진의 경우는 더 이상 성능 개선의 여지가 별로 없습니다. 이래저래 21세기는 디젤의 시대가 될 모양입니다. 서유럽과는 달리 가솔린 자동차가 주류인 미대륙과 동유럽에서도 디젤 자동차가 자리를 대신할 날이 머지않았다는 얘기라고 할 수 있겠습니다.
writer
- 진정일
서울대학교 화학과 학사 및 석사 과정을 마치고
미국 뉴욕시립대학교에서 고분자화학 박사학위를 받았다.
지난 40여 년간 고려대학교 화학과에서 후학들을 가르쳐왔고,
액정 고분자의 세계적 권위자로 420여 편의 논문을 세계적 학술지에 발표했으며,
노벨상 추천위원으로 활동하는 등 학문적 성과를 국제적으로 인정받았다.
현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원장과 한국과학문화교육단체연합회장으로 활동하고 있다.