연료 및 연소

내연기관

메카트로닉스공학과

공학박사/교수 윤 천 한

연료 및 연소

연료의 종류

내연기관의 동작유체는 연료와 공기를 혼합하여 연 소시킨 고온 고압의 연소가스이다

공기를 압축시키고 여기에 연료를 분사하여 연소시 키거나, 공기와 연료를 혼합시킨 후 압축하여 연소시 키므로 매우 짧은 시간에 연료가 연소한다

이 와 같 이 짧 은 시 간 에 연 소 하 는 것 을 폭 발 (explosion)이라 하고, 커다란 압력과 폭발음이 발생 한다

내연기관 연료의 구비조건

• 기화성이 좋을 것

• 적당한 점도를 가질 것

• 인화점이 낮을 것

• 착화점이 낮고 연소성이 좋을 것

• 내폭성이 클 것

• 부식성이 없을 것

• 발열량이 크고 연소퇴적물이 없을 것

• 부유물이나 고형물질이 없을 것

• 저장에 위험이 없고 경제적일 것

(1) 고체 연료

고체연료는 석탄이나 나무에서 제조한 숯 등을 말하며, 이 고체연료를 직접 내연기관에 사용할 수는 없다

그러나 기관 밖에 연소실을 설치하고 이 연소실에서 고 체연료를 불완전 연소시킨다

고체연료가 불완전 연소되면 일산화탄소가스(CO)가 발 생하고, 이 일산화탄소가스를 기관에 공급하면 기관을 운전할 수 있다

이와 같이 간접적으로 고체연료를 불완전 연소시킴으로 써 일산화탄소를 내연기관의 연료로 이용할 수가 있다

(2) 기체 연료

기체연료는 상온, 즉 35℃ 이하에서 기체로 존재하는 연 료이다

상온에서 기체이므로 체적을 작게 하기 위하여 액화시 킨 후 고압용기에 넣어 사용한다

많이 사용하는 기체연료는 다음과 같다

• 액화석유가스(liquefied petroleum gas, LPG)

• 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)

• 압축천연가스(compressed natural gas, CNG)

• 수소가스(hydrogen gas, H2O)

• 석탄가스 및 용광로가스

LPG의 장단점을 가솔린과 비교

(3) 액체 연료

• 석탄계 : 석탄계 연료는 석탄을 증류 조에 넣고 가열할 때 나오는 타르(tar)나 석탄가스로 제조한 가솔린과 경 유 등이 있다

석탄에서 제조한 연료를 액화가솔린, 액화등유라고 한다

• 석유계 : 석유계 연료는 원유를 증류 조에 넣고 비등점 의 차이로 분류한 것이다

원유를 비등점의 차이로 분류하면 가솔린(gasoline), 등 유(kerosene), 제트연료, 경유(light oil 혹은 diesel oil ), 중유(heavy oil 또는 bunker-C oil) 등이다

• 식물계: 식물계 연료는 나무 같은 목질식물에서 제 조한 메탄올(methanol)과 곡물을 발효시켜 제조한 에탄올(ethanol) 및 식물성 기름 등이다

• 혈암계 : 혈암계 연료는 원유 성분이 함유된 다공성 혈암에서 채취한 연료이다

이 연료를 세일유(shale oil)라고 한다

(4) 중요 연료의 특성

내연기관에서 사용되는 석유계 연료와 알코올계 연료의 특성을 살펴보면 다음과 같다

• 가솔린 : 가솔린은 무색의 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화 성이 크다.

저위발열량 : 11000~11500 kcal/kg, 비중 : 0.69~0.77,

인화점 -10~-13℃ , 착화점 400~500℃(이소옥탄 C8H18의 경우 418℃), 증류온도 : 40~200℃이다

증류온도가 40~120℃인 휘발유는 고급 휘발유이며, 항공기용 이고, 120~200℃인 휘발유는 저급 휘발유이며, 자동차용이다

• 등유 : 등유는 무색이며, 특유한 냄새가 나는 액체로서 기화 가 어렵고 연소속도가 느리며, 완전연소가 불가능하다

저위발열량은 : 10,700~11,300kcal/kg, 비중 : 0.77~0.84, 인 화점 : 40~70℃ , 착화점 : 450℃ , 증류온도 : 200~250℃이다 상온에서 위험이 적고, 난방용 연료와 등유기관 및 고속 디젤기

• 제트연료 : 제트연료의 특색은 등유와 비슷하나 온도가 낮은 고공에서 연료를 분사시켜 연소시키므로 응고점이 -60 로 낮고 비중도 낮으며, 발열량이 크며, 램제트기관과 펄스제트 기관에 사용한다

• 경유: 경유는 거의 무색이나 얇은 청색을 띠고 특유의 냄새 가 나는 연료이다

착화온도가 낮으므로 고속 디젤기관의 연료로 많이 사용된다.

저급연료이므로 황 성분을 많이 함유하고 있다. 저위발열량 : 10,500~11,000kcal/kg, 비중 : 0.84~0.89, 인화점 : 45~80℃, 착화점 : 340℃, 증류온도 : 250~300℃이다

• 중유 : 중유는 검정색이며, 특유한 냄새가 나고 점성이 크며 유동성이 나쁘며, 회분 성분과 황 성분이 많다

저급 중유는 벙커C유(bunker-C oil)라고 하여 보일러용 연료 이다

저위발열량 : 10,000~10,500 kcal/kg, 비중 : 0.89~0.99, 인

• 메틸알코올(methyl alcohol) : 메틸알코올의 상품명은 메탄올(methanol)이라 하며, 목재의 타르(tar)를 분류 하면 나오므로 목정이라고도 하는데, 현재는 원유에 서 제조한다

저위발열량 : 4,700 kcal/kg, 비중 : 0.8, 인화점 : 9 12℃ , 착화점 : 470℃ 비등점 : 64℃이며, 빙점 : - 97.8℃ 이며, 알루미늄을 부식시키는 성질이 있다

• 에틸알코올(ethyl alcohol) : 에틸알코올은 곡물류를 발효시켜 정제한 것으로 주정이라 한다

또한 원유에서 정제하여 얻은 공업용 알코올을 에탄올 (ethanol)이라 한다

저위발열량 : 6,400 kcal/kg, 비중 : 0.8, 인화점 : 9

석유 연료의 성분 및 제조법 (1) 원유의 성분

원유(crude oil)는 암황색, 암갈색, 흑색을 띠는 점성액 체로서 저위발열량 9500 11,000 kcal/kg이며, 비중 0.8~0.95인 여러 가지 혼합물로 되어 있다

원유의 성분은 탄화수소이며 탄소가 80~86%, 수소가 12~15%이며, 기타 약간의 황, 질소, 산소 등이 함유되 어 있다

주요 성분은 파라핀계, 나프텐계, 올레핀계, 디올레핀 계, 방향족계 그리고 이들의 이성체로 되어 있다

1) 파라핀계

2) 나프텐계

3) 올레핀계

4) 디 올레핀계

5) 방향족

(2) 석유제조법 1) 직류법

원유를 증류조에 넣고 가열하면 경질분과 중질분으로 분류된 다. 다음에 다시 증류조에 넣고 온도를 가해서 냉각시키면 온 도차에 의하여 성분이 분류된다. 이와 같은 방법으로 제조하 는 것을 직류법(straight-run fractional distilation)이라 한다.

2) 전환법

직류법에서 연료를 제조하면 필요한 성분, 즉 휘발유와 경유가 충분히 석출되지 않으므로, LPG나 중유성분에 서 필요한 성분으로 전환시켜 제조하는 방법을 전환법 (conversion process)이라 한다

• 천연가스 가솔린 : 천연가스 중에는 다수의 가솔린이 포함되어 있으므로, 천연가스를 압축하여 액화시키 고 이것을 중유나 경유에 흡수시켜서 가솔린을 제조 하는 것을 말한다

• 분해법(cracking) : 분해법은 고분자 탄화수소를 열 분해법이나 촉매분해법으로 저분자 탄화수소로 만드 는 것을 말한다

• 중합법(polymerization)

중합법은 저분자 탄화수소를 고분자탄화수소로 만드는 방법이다

즉, 기체 상태인 프로판가스나 부탄가스에 압력을 가하 고 온도를 증가시켜 촉매에 분사시키면 가솔린을 얻을 수 있다

• 수소 첨가법(hydrogenation)

수소 첨가법은 불포화 탄화수소에 수소를 첨가시켜 포 화탄화수소로 만드는 것이다

포화 탄화수소는 연소성이 양호하고 옥탄가가 증가하 여 출력을 증가시킬 수 있다

 가솔린기관 연료의 구비 조건

• 기화성이 양호할 것

• 연소성이 좋을 것

• 착화온도가 높을 것

• 노크가 일어나지 않을 것

• 안정성이 좋을 것

• 부식성이 없을 것

• 발열량이 클 것

• 경제적일 것

(1) 기화성

기화성(volatility)은 액체가 기체로 되는 성질이며, 기체 로 빨리 될수록 기화성이 좋다고 한다

기화성은 기화기가 있는 기관에서는 매우 중요한 성질 이며, 기화기에서 액체연료가 기체연료로 기화되는 원 리는 기화기의 벤투리(venturi) 내에 있는 주 노즐(main nozzle)의 압력과 플로트실 내의 압력 차이로 연료가 흡 출되고, 여기에 흡입공기가 충돌하여 기화가 된다

(2) 연소성

짧은 시간에 연료가 완전연소하면 연소성(combustibility) 이 양호한 연료이다.

연료가 연소한다는 것은 산소와 화학적으로 결합하는 것 을 말한다. 연료는 탄소와 수소가 규칙적으로 결합되어 있는데, 이 결합이 붕괴되어 산소와 결합하는 것이다. 낮 은 온도에서 이 결합의 붕괴가 일어나면 그만큼 산소와 쉽게 결합할 수 있다.

즉, 짧은 시간에 연소할 수 있는 것이다. 그러므로 연소성 은 연료의 구조식과 밀접한 관계가 있다. 구조상으로 직 렬쇄상인 연료는 연소성이 좋고, 환상구조식으로 되어 있 는 연료는 연소성이 나쁘다. 같은 직렬쇄상 구조로 되어 있어도 2중 결합이 많을수록 연소성이 나쁘다. 또 같은 환 상구조식으로 되어 있어도 2중 결합이 많으면 연소성이

(3) 인화성과 착화성

스파크 점화기관에서는 혼합기를 흡입 압축한 후 스파 크 플러그로 점화시키므로 인화점이 낮아야 한다. 인화 점(flash point)이란 연료에 열을 가하면 연료중기가 발 생하고 이 연료중기가 불씨에 의해서 불붙는 최저온도 를 말한다. 석유계 연료에서는 -15~80℃ 정도이고, 가 솔린의 인화점은 -13 -10℃정도이다. 착화점(firing point)은 불씨 없이 연료에 열을 가하여 그 열에 의해서 불붙는 최저온도를 말하며, 발화점이라고도 하는데, 디 젤기관에서는 중요한 성질이다.