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고급유 세팅된 차량에 일반유를 주유한다면? (부제 - 노킹 발생의 원리) 남자는 자동차!!


최근 몇년 동안 꾸준히 수입차 점유율이 증가하면서 우리나라에도 고급유를 필요로 하는 차량들이 많이 늘어났습니다. 수입차 중에 많은 비중을 차지하는 프리미엄 브랜드 차량의 경우 배기량에 비해 상대적으로 높은 출력을 내기위해 엔진을 고급유에 맞춰 설계하는 경우가 많기 때문입니다. 이 때문인지 자동차 관련 게시판을 둘러보면 종종 고급유 기준으로 설계된 차량에 비싼 고급유 대신 상대적을 저렴한 일반유를 주유해도 괜찮은지 질문하는 글들이 보입니다. 개인적으로 관심을 가지고 있는 질문이었는데, 웹 서핑을 하다가 제 생각하기에 충분히 만족할 수 있는 대답을 발견했기에 자동차 관련 전공자는 아니지만 나름대로 기술적인 배경을 가지고 이 질문에 답을 해 보도록 하겠습니다. 

고급유를 기준으로 설계된 엔진에 일반유를 사용할 경우 가장 우려되는 부분은 노킹(knocking)의 발생입니다. 노킹이 발생한다고 당장 엔진이 망가지지는 않지만 노킹이 지속적으로 발생한다면 엔진의 내구성에 영향을 주기 때문이지요. 먼저 노킹이 어떻게 발생하는지 살펴보기 아래와 같이 그림을 한 번 그려봤습니다. 그림은 가솔린 엔진의 압축과 폭발 행정을 나타낸 것인데, 일상적인 경우에 엔진은 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 점화플러그의 스파크를 튀겨줍니다. (그림에서 1 지점) 피스톤이 상사점에 도달 했을 때 점화하지 않는 이유는 스파크에 의한 발화가 혼합기 전체로 전파되는데 시간이 걸리기 때문이지요. 1 지점은 보통 크랭크 회전각 기준으로 상사점에서 12도~20도 전이라고 합니다. 그림에서 2지점은 실린더 내부의 압력이 최대가 되는 지점인데 엔진의 rpm이나 온도등에 상관없고 연소실 내부의 형상에 의해서 최적의 지점이 정해진다고 합니다. 위에서 링크를 건 원문에 의하면 대략 상사점에서 크랭크 회전각 기준으로 14도 정도 이후가 된다고 합니다. 그림에서 3 지점은 실린더의 하사점인데 노킹은 3지점의 조금 전에서 주로 발생을 한다고 합니다. 이상적으로는 1번 지점과 2번 지점 사이에서 실린더 내부의 혼합기가 모두 연소되어야 하지만 이때 다 연소되지 못한 일부의 연료가 3번 지점의 근처에서 원하지 않는 추가적인 폭발을 일으키는 것이 노킹이라는 것이지요. 1번지점과 3번 지점의 온도를 비교하면 점화플러그에 의한 폭발이 이루어진 이후인 3번 지점의 실린더 내부의 온도와 압력이 훨씬 높기 때문에 남은 연료가 스스로 폭발할 수 있다는 것이지요. (이 문단의 이하는 클리앙의 mechest님의 지적을 받아 들여 잘못된 내용을 수정한 부분입니다.) 노킹은 주로 2 지점의 근처에서 발생한다고 합니다. 정상적인 폭발 행정에서는 혼합기의 연소가 점화플러그로 부터 동심원이 퍼져나가듯이 실린더 내부로 퍼져나가야 하는데, 이때 연소가 된 부분이 팽창을 하면서 아직 연소가 되지 못한 부분의 혼합기를 압축을 하게 됩니다. 이때 아직 연소가 되지 못한 부분의 압력과 온도가 어느 임계점을 넘어 버리게 되면 연소가 된 부분에서 연소가 되지 못한 부분으로 화염이 옮겨가면서 순차적으로 타는 것이 아니라 연소가 되지 않은 홉합기 부분에서 연료가 국지적인 폭발을 일으키게 되고 이 때문에 엔진에 원하지 않는 충격을 주는 것이 노킹이라고 합니다. 노킹을 해결 하려면 점화 플러그의 점화 시점을 1번 지점에서 약간 미루면 됩니다. 아래 그림의 지연 점화 과정을 보시면 정상 점화에 비해 점화를 늦게 했기 때문에 2번 지점 근처에서 연소가 진행중인 혼합기의 부피가 상대적으로 작아지게 되고 연소되지 않은 혼합기는 보다 적은 압력과 낮은 온도 상태에 있게 됩니다. 



이제 노킹이 일어나는 이유를 알았으니 고급유를 기준으로 설계된 엔진에 일반유를 넣을 경우 왜 노킹이 발생하는지도 설명할 수 있습니다. 많은 분들이 알고 계시듯이 고급유는 일반유에 비해 옥탄가가 높은 연료를 말하는데, 옥탄가가 높다는 뜻은 같은 온도와 압력에서 연료가 자연발화 하는데 좀 더 많은 시간이 걸린다는 뜻입니다. 고급유를 기준으로 설계된 엔진은 높은 압축비를 사용하기 위해 윗 그림의 2지점 -> 3지점 사이의 거리가 길어 폭발 후 잔여 연료를 머금은 혼합기가 머무는 시간이 일반유 엔진에 비해 길기 때문에 일반유를 주유할 경우 피스톤이 3번 지점에 도달하기 전에 혼합기 속의 잔여 연료가 원치않는 폭발(노킹)을 일으키게 됩니다.  (이 문단의 이하는 클리앙의 mechest님의 지적을 받아 들여 잘못된 내용을 수정한 부분입니다.) 옥탄가가 높다는 뜻은 보다 높은 온도와 압력에서도 연료가 자체적으로 폭발하지 않고 버틸 수 있다는 뜻입니다. 고급유를 기준으로 설계된 엔진은 일반유 엔진에 비해 높은 압축비를 사용하는 관계로 윗 그림의 2번 지점 근처에서 아직 연소가 되지 않은 부분의 혼합기가 일반유가 자연 발화하지 않고 버틸 수 있는 한계 보다 높은 온도와 압력에 노출되기 때문에 폭발 행정을 진행하는 중에 노킹을 일으키게 됩니다. 이를 방지하기 위해서는 앞에서 설명드린 것과 같이 점화플러그의 점화 시기를 지연하는 방향으로 ECU를 조정해야 합니다. 

여기 까지 읽으신 독자분들은 고급유를 기준으로 설계된 엔진에 일반유를 넣으면 안되겠다는 생각이 드시겠지만, 고급유로 판매되고 있는 기름들 사이에도 옥탄가의 편차가 있고 차량의 상품성을 높이기 위해 일반유를 넣는 경우도 대비해야 할 필요가 있어 차량 제조사들은 낮은 옥탄가의 연료를 사용하더라도 엔진의 동작에 문제가 없도록 대비하고 있습니다. 이를 위해서 엔진에 노킹센서가 탑재되는데, 제가 알기로는 90년대 부터 판매되는 거의 모든 차량에 노킹 센서가 적용된 것으로 알고 있습니다. 아래 그림은 노킹 센서의 동작을 나타내는 그림입니다. 노킹센서는 주로 피에조 소자를 이용해서 엔진의 폭발 진동을 전압으로 바꿔 주는데 피에조 센서의 공명 주파수를 노킹이 일어날 때의 진동수에 (대략 7KHz) 맞추면 노킹이 발생할 경우 정해진 진폭 이상의 신호가 발생 하기 때문에 노킹의 발생을 알 수 있다고 합니다. 


원본 출처 - INPUT SENSORS - Autoshop 101의 32페이지, (첨삭 추가)


노킹이 발생을 하게 되면 엔진의 ECU는 노킹을 방지하기 위해 점화 시점을 지연 시키게 됩니다. 윗 그림의 아래쪽 그래프를 보시면 노킹이 발생할 때 점화 시점을 지연시키는 것을 보실 수 있습니다. 점화 시점을 지연시키면 노킹의 발생을 방지할 수는 있지만 원래 의도된 엔진 동작의 최적점에서 벗어난 상태에서 엔진이 작동하기 때문에 연비와 출력이 떨어지는 단점이 있습니다. 해외 리뷰사이트나 커뮤니티 사이트를 살펴보면 차량 마다 편차가 있습니다만 고급유 엔진에 일반유를 사용했을 경우 대략 10% 이하의 연비/출력 저하를 경험한다고 합니다. (귀찮아서 레퍼런스를 달지 않은 점은 양해 부탁드립니다. ㅡ.ㅜ)

 이제 부터는 고급유 엔진에 일반유를 주유하는 것에 대해 저의 개인적인 의견 입니다. 기본적으로는 고급유 사양의 차에 일반유를 넣어도 문제가 생기지는 않을 것 같습니다만 엔진의 장기적인 내구성을 고려하면 고급유가 좋다는 것이 저의 생각입니다. ECU가 얼마나 자주 점화 시점을 조정하는지가 궁금해서 자료를 좀 더 찾아 보았는데, 아래 사진의 벤츠 M119 엔진의 노킹 센서가 어떻게 작동하는 지에 대한 자료를 찾을 수 있었습니다. (M119 엔진은 90년대 벤츠의 E클래스와 SL에 탑재되던 V8 엔진입니다.) 자료에 의하면 엔진의 회전수에 따라 다르지만 몇 번의 (a few) 점화마다 노킹이 일어나는지 살펴보고 노킹이 일어나면 점화 시점을 2.3도씩 지연 시키고 노킹이 일어나지 않을 경우 다시 엔진 동작의 최적점으로 돌아가기 위해 0.75도씩 점화시점을 땡겨 본다고 합니다. 분당 수천 rpm의 회전수를 고려하면 1초 정도의 시간안에 연료에 맞는 점화 시점이 정해지고 거의 2~3초 이내에 한번 이상 다시 점화시점을 땡기는 것을 시도한다는 뜻입니다. 고급유 엔진에 일반유를 주유한다면 약하긴 하지만 길어야 2~3초 이내에 몇 번씩의 (a few) 노킹이 발생한다는 이야기지요. 물론 그 정도의 빈도의 노킹으로는 엔진의 내구성에 큰 문제가 없으니 대부분의 제조사에서는 고급유를 '필수' 대신에 '권장' 한다고 매뉴얼에 표시하고 있겠습니다만 정말 차를 오래 탈 생각이라면 고급유 엔진에 일반유 주유는 피하는 것이 좋을 것 같다는 것이 저의 생각입니다. 




지금까지의 내요을 바탕으로 자동차 게시판에 많이 보아오던 질문에 대해 제 나름대로의 답을 정리하면서 글을 마무리 하도록 하겠습니다. 

1. 고급유에 세팅된 차에 일반유 주유는 괜찮은지?
   -> 큰 문제는 없을 것 같습니다.

2. 고급유, 일반유를 바꿔 주유 했을 때 ECU 리셋이 필요한지? 
   -> 필요 없습니다. 길어야 수초 내에 점화 시점이 조정됩니다. 

3. 고급유 차량에 일반유 주유시 연비/출력 저하?
   -> 엔진이 설계된 최적점에서 동작하지 못하므로 필연적입니다. 하지만 그 양이 크지는 않습니다.

4. 고급유와 일반유를 혼합주유 하면?
   -> 일반유 보다는 낫지만 고급유 보다는 떨어지는 출력/연비를 얻을겁니다. 

5. 일반유 엔진에 고급유를 주유하면?
   -> 출력상의 이점은 없지만 엔진의 이상으로 노킹이 발생하고 있을 경우 노킹을 줄이는데 도움은 됩니다.
       (다만 원인의 해결이 아닌 증상만 막는 방법입니다.)

이상입니다. 긴글 읽어 주셔서 감사합니다.





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덧글

  • CEFV 2014/07/11 14:13 # 답글

    H/W설계단계에서는 일반유냐 고급유냐 차이를 염두에 두지 않고 설계합니다. 가솔린차 기준으로 보면 설계단계에서는 연소실 내로 최대한 많은 공기를 들어오게하고, 잘 섞이게하고 마찰 줄이는 것에 초점이 맞춰줘 있구요.
  • CEFV 2014/07/11 14:14 # 답글

    설계된 엔진의 시작품을 가지고 성능 확인을 위해 동력계에서 성능 확인을 하는 단계에서 일반유로 맞출 거냐 고급유로 맞출거냐 하는 논의가 시작되겠죠
  • 골수공돌이 2014/07/11 14:56 #

    CFEV님 하시는 말씀을 들어보니 실제 엔진설계와 관련된 일을 하시는 분이신 것 같습니다. 전문적인 조언 감사드립니다. ^^
  • tree 2014/07/15 04:45 # 답글

    트랙백 하면서 질문하나 드립니다. 혹시 옥탄가가 기준치보다 더 높다면 그만큼 성능 향상이 있는지의 여부가 궁금하네요.
  • 골수공돌이 2014/07/15 08:45 #

    엔진의 출력을 높이려면 압축비가 높아져야 하는데, 압축비는 엔진의 형상에 의해 정해져는 요소인지라 설계된 압축비를 버틸 수 있는 옥탄가만 나오면 더이상의 옥탄가는 필요 없을 것 같습니다. 다만 엔진에 카본이 퇴적 된다든가 하는 이유로 원래 설계대로라면 일반유로 노킹이 발생하지 않아야 하는 상황에서 노킹이 발생한다면 고급유 주유로 노킹을 줄일수는 있을겁니다. 다만 이 경우는 100마력으로 설계된 엔진이 어떤 이유로 90마력 정도 밖에 나지 않을 때 고급유가 다시 100마력을 되찾는데 도움이 된다는 얘기이지 아무리 옥탄가가 높아도 100마력으로 설계된 엔진이 110마력이 나오지는 않을 겁니다. 그리고 예로 든 문제와 같은 경우는 고급유를 주유하기 보다는 엔진의 문제점을 찾아 해결하는게 근본적인 대책이라고 생각합니다. ^^
  • tree 2014/07/16 23:22 #

    답변 감사합니다. 옥탄가 높은거 넣으면 느낌이 괜히 더 좋은거 같은건 결국 플라시보 효과인듯 하네요 ^^
  • 박스공장 2015/01/08 09:59 # 삭제 답글

    고급유셋팅에 관련하여 이곳저곳 자료를 찾던중 무척 흥미로운 내용들이 있어 너무 좋았습니다. 저는 차에대한 전문 지식은 없는 일반사람입니다. 단지 올려놓으신 글중에 고급유와 일반유에 셋팅값은 최초 차량 엔진 설계에서는 큰영향을 주지 않는다는 그런 말씀에 호감이 가네요. 해서 여쭈어 볼게 있습니다.
    보통 차량에 ecu튜닝이라고 하는 맵핑에 대하여 한가지 여쭈어 볼까 합니다.
    보통 맵핑이라는 ecu 튠업을 하면 일반유 차량 엔진에 고출력을 끌어 내기 위하여 고급유셋팅으로 변환(프로그램 보정)하여 합니다.
    이때 각 업체에서 요구하는 거의 필수 사항인듯한데 고급유를 반드시 넣어주세요 라고 말합니다. 이는 상기내용과는 조금 다른 뜻으로 해석이 되는데... 반드시 고급유를 넣으라고하는건 고알피엠에서 노킹이 발생하면 엔진에 큰 영향을 주기 때문이라고 합니다.
    이에 대한 의견이 어떠신지 궁금합니다.
    ecu튠업을 한차량도 상기 내용과 마찬가지로 노킹은 발생할수 있으나 엔진에 마모및 내구성에는큰 영향을 주지 않는다라는 쪽에 의견이신지도 여쭙고 싶습니다.
  • 골수공돌이 2015/01/09 16:15 #

    저도 ecu 튜닝에 대해서는 잘 모르기 때문에 자신있게 드릴 수 있는 대답은 없습니다만, ecu 프로그램에서 노킹 센서를 주기적으로 check 해서 점화 시점을 조정하는 code가 삭제 되었다면 문제가 생길 수 있을 것 같습니다. 튜닝 업체에서 권장이라는 표현 대신에 반드시라는 표현을 썼다는 점을 생각하면 ecu튠 후에는 고급유를 쓰시는 게 좋지 않을까 싶습니다.
    (아래 댓글 2개는 같은 내용이 반복적으로 포스팅 된 것 같아 삭제했습니다. ^^)
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