디젤 연료의 품질과 가용성은 디젤 엔진 작동을 위한 중요한 전제조건입니다. 연료와 엔진은 작동에 장애가 없도록 기술적으로 서로 조화를 이루어야 합니다. 연료는 언제 어디서든 문제없이 적당한 가격에 구입할 수 있어야 합니다.
MB 디젤 엔진은 각 국가적 요건 및 국제적 요건(유럽 EN 590)에 해당하는 디젤 연료에 맞게 설계되었습니다.
기존의 디젤 연료
오래전부터 전 세계적으로 고속 디젤 엔진에 사용되었던 기존의 디젤 연료는 정유 시설에서 원유 정제 시 180 °C ~ 360 °C 사이에서 분류되는 탄화수소 결합물입니다. 이 탄화수소 결합물의 분자 구조는 서로 매우 다르기 때문에 다양한 특성을 나타냅니다.
디젤 연료의 화학적 구조
4가 탄소 C와 1가 수소 H는 다양하게 결합할 수 있습니다. 곧은 사슬 및 다양한 분기 사슬 또는 여러 종류의 포화/불포화 고리 체계가 있으며, 다중 결합의 수도 다양합니다.
알카인은 사슬 형태의 포화 탄화수소이며, 분자식은 CnH2n+2입니다. 이는 파라핀으로도 불리며, 디젤 연료에서 큰 비율을 차지합니다. 일반 파라핀(곧은 사슬)은 착화성과 발연성이 우수하지만 냉유동성은 좋지 않습니다. 밀도가 낮기 때문에 용적당 발열량도 낮습니다. 이와 달리 ISO 파라핀(분기 사슬)은 착화성은 좋지 않지만 냉유동성이 좋습니다.
알켄은 최소 한 번의 이중 결합을 이루는 사슬 형태의 불포화(곧은 사슬 또는 분기 사슬) 탄화수소입니다. 한 번의 이중 결합 시 분자식은 CnH2n입니다. 이는 올레핀으로도 알려져 있으며, ISO 파라핀과 유사합니다. 또한 시간이 흐름에 따라 고형 결합물을 형성할 수도 있습니다.
시클로알칸은 고리 형태의 포화 탄화수소이며, 분자식은 CnH2n입니다. 이는 시클로파라핀 또는 나프텐으로 더 잘 알려져 있으며, 착화성은 보통 수준이지만 냉유동성이 우수합니다. 밀도와 용적당 발열량은 평균 정도입니다.
방향족 결합물은 짝이중 결합을 이루는 고리 형태의 탄화수소이며, 착화성이 낮고 발연성이 좋지 않으며 냉유동성도 보통 수준입니다. 밀도와 용적당 발열량이 높습니다.
요건, 특성, 특성값(DIN EN 590)
엔진 작동에 필요한 디젤 연료의 특성을 기술하거나 특성값을 이용해 구체적으로 설명할 수 있습니다. 이 특성값은 일반적으로 규격에 따른 검사 방식에는 유용하지만 디젤 연료 취급과 엔진에서의 연소와 관련된 중요 품질 기준을 규정하기에는 부족한 점이 있습니다. 한계값을 규정하는 일정한 특성값을 토대로 최소 요건에 대한 규격이 작성됩니다.
품질 개선을 위해 디젤 연료 첨가제는 반드시 필요하며 이 제품에 대한 전반적인 책임은 연료 제조사에 있습니다(시트 119.0 "연료의 첨가제 및 보조 첨가제" 참조).
착화성
착화성은 디젤 연료의 중요한 특성 중 하나입니다. 그러나 이는 가솔린의 노킹 저항성과 관련하여 제한적으로만 비교 가능합니다. 기술적으로 보면 착화성은 노킹 저항성과 상반되는 것입니다.
착화성은 세탄가로 표현되며 ISO 5165(CFR 엔진) 또는 DIN 51773(BASF 테스트 엔진)에 따라 규격화된 테스트 엔진을 사용하여 규정된 검사 조건에서 측정됩니다. 디젤 연료의 세탄가는 이러한 조건에서 디젤 연료의 착화성이 세탄(헥사데칸)과 헵타메틸노네인(DIN 51773에서는 1-메틸나프탈렌 사용) 혼합물의 착화성과 일치한다는 것을 나타냅니다. 이 방법은 기존의 디젤 연료를 통해 입증되었습니다. 이와 달리 자주 사용되는 "세탄 인덱스"는 계산상의 특정 값을 나타내며, 이 값은 물리적 값(예: 밀도, 비등 특성)에서 계산됩니다. 하지만 이에 대한 유효성은 제한적입니다.
점화 지연 정도(분사와 디젤 연료 자체 점화 사이의 시간)는 착화성 수치를 나타냅니다. 착화성이 좋으면, 세탄가가 높으며 점화 지연이 적음을 의미합니다. 이는 무엇보다 엔진 시동(특히 냉간시동) 시 중요합니다. 엔진 소음(정숙구동)도 착화성과 관련이 있습니다. DIN EN 590에서는 최소 세탄가를 51로 규정하고 있습니다. 그러나 품질이 우수한 일반 시판 연료의 세탄가는 더 높습니다.
비등 특성
디젤 연료의 비등 특성은 약 180 °C ~ 360 °C이며, 국가에 따라 차이가 있습니다. 하지만 디젤 엔진의 작동 양상은 가솔린 엔진의 경우와 같이 연료의 비등 특성에 큰 영향을 받지 않습니다. 그럼에도 불구하고 디젤 연료의 대부분이 약 350 °C 이상에서 증류되거나 최종 비등점이 너무 높아져 380 °C 이상인 경우에는 심한 매연이 발생하게 됩니다. 비등 특성이 하향되는 것은 문제가 되지는 않지만 제한적입니다.
유럽 디젤 연료 규격에 따른 세 가지 한계값:
• 250 °C까지 최대 65vol% 증류
• 350 °C까지 최소 85vol% 증류
• 최대 360 °C일 때 95vol%
황 함유량
디젤 연료의 황 함유량은 원유의 원산지와 정유 시설에서의 탈황 방법에 따라 달라지며 규격/법규에 의해 제한됩니다.
이는 디젤 연료 사용과 관련하여 기술적으로 중요한 사항이기 때문에 시트 136.0 "디젤 연료의 황"에 별도로 설명됩니다. 일반적으로 황 함유량은 가능한 한 적어야 합니다.
지난 수년간 유럽과 북아메리카에서는 여기에서 거론되는 황 함유량 감소를 위해 노력해 왔습니다. 하지만 디젤 연료의 윤활성 문제가 새롭게 제기되었습니다(윤활성 단락 참조). 이는 탈황 과정에서 윤활성이 좋은 연료 성분도 감소한다는 것을 의미합니다. 하지만 연료 윤활성은 적합한 첨가제를 사용하면 충분히 개선할 수 있습니다.
냉유동성
외부온도가 낮을 경우 파라핀이 결정 상태로 응고되어 디젤 연료의 유동성이 저하될 수 있습니다.
일반적으로 디젤 엔진 작동에 필요한 탄화수소 결합물은 냉기에 약하다는 단점이 있습니다. 즉, 온도가 조금만 영하로 떨어져도 결정 구조가 형성됩니다. 이 파라핀 결정체가 "뭉쳐" 연료 필터 및 연료 라인, 디젤 분사 시스템을 막아 작동되지 않을 수 있습니다. 간혹 시동이 가능하더라도 엔진이 작동하지 않습니다. 이로 인해 엔진이 손상되지는 않으며 연료를 가열하면 다시 연료가 흐릅니다.
이러한 장애를 방지하기 위해, 겨울철에 냉유동성이 더 뛰어난 동절기용 디젤 연료가 판매되고 있습니다. 품질이 우수한 기본 연료와 제조사의 적절한 유동 개선제를 사용하면 냉유동성을 높일 수 있습니다. 대부분의 경우 이 디젤 연료는 평균 외부온도에 적합합니다.
각 지역의 기후에 맞는 동절기용 디젤 연료를 사용할 것을 권장합니다.
추운 지역을 주행할 때에는 도착지에 도착했을 때 또는 도착하기 전에 미리 해당 마켓의 사계절용 내결빙성 디젤 연료를 주유해야 합니다. 사계절용 내결빙성 디젤 연료에 관한 정보는 주유소 관리자에게 문의하십시오.
Mercedes-Benz 차량에서는 연료의 온도를 빨리 올릴 수 있도록 하였습니다. 그럼에도 불구하고 연료 품질이 적합하지 않고, 온도가 아주 낮을 경우에는 필터가 막힐 수 있습니다.
측정 기술 관점에서 특히 운점(Cloud Point), 유동점(Pour Point) 및 필터 막힘점(Cold Filter Plugging Point)을 이용하여 디젤 연료의 냉유동성을 연구합니다. 그러나 이 매개변수로는 어느 정도의 온도까지 차량을 구동할 수 있는지에 대해서 명확하게 알 수 없습니다.
최근에는 일반적으로 "Cold Filter Plugging Point"(EN 116)에 따른 "필터 막힘점 한계값"이 냉유동성 평가를 위해 사용됩니다. "CFPP"라고 하는 이 방법에서는 지정된 연료량을 일정 시간 내에 규정 스트레이너에 통과시켜 흡입할 수 있을 때 최저 온도가 결정됩니다. 독일 규격에서는 다음과 같이 CFPP 값을 규정합니다.
기간 | 유동성 – CFPP – 값 | 비고 |
4월 15일 ~ 9월 30일 | 0 °C | 하절기용 디젤 연료 |
3월 1일 ~ 4월 14일 또는 10월 1일 ~ 11월 15일 | -10 °C | 환절기용 디젤 연료 |
11월 16일 ~ 2월 28일(윤년 2월 29일 포함) | -20 °C | 동절기용 디젤 연료 |
운점은 CFPP보다 높으며, 결정이 형성되기 시작하는 온도를 나타냅니다. 따라서 이론상으로는 특히 낮은 온도가 길게 유지될 때 CFPP 이상에서도 냉유동성이 제한될 수 있습니다.
Mercedes-Benz의 모든 승용차와 상용차의 경우, 냉유동성 개선을 위해 등유 또는 항공유 혼합물을 사용하면 윤활성 부족으로 인해 디젤 분사 시스템에 부정적인 영향을 끼칠 수 있으므로 이를 사용해서는 안 됩니다. 가솔린 사용은 연료의 윤활성 저하 및 안전상의 이유(인화점이 낮아짐)로 허용되지 않습니다.
오래전부터 유동 개선제(보조 첨가제)가 판매되고 있습니다. 다만 첨가제를 추가한다고 해서 모든 연료에 동일하게 작용하는 것은 아닙니다. 따라서 냉유동성이 우수한 디젤 연료를 주유하는 것이 차량 동절기 운행 시 필수 사항입니다.
극지방 기후대에서는 냉유동성이 매우 뛰어난 극지방용 디젤 연료를 사용할 수 있습니다. 온대 기후용 디젤 연료에 비해 냉유동성뿐만 아니라 밀도, 점도, 비등 특성에서 차이가 있습니다.
밀도
유럽에서는 디젤 연료의 밀도를 15 °C에서 820 ~ 845 kg/m3로 규정하고 있습니다. 1999년 말까지는 허용 상한값이 860 kg/m3였습니다. 전 세계적으로 아직 이와 유사한 수준의 제품이 판매되고 있으며, 일부 국가에서는 밀도와 관련된 규정조차 없습니다.
연료 제조사와 공급 업체는 허용 밀도의 범위가 가능한 한 넓은 것을 희망합니다.
규정 범위가 좁으므로 연료는 용적에 따라 판매되고 분사 펌프는 용적 기준으로 측정되어야 합니다. 반면 발열량은 대개 밀도에 비례합니다. 현재의 분사 펌프 설정 상태에서 매우 가벼운 연료(밀도 낮음)로 필요한 분사량에 도달하거나 매우 무거운 연료(밀도 높음)로 규정된 배기가스 배출량을 준수하는 것은 불가능합니다.
점도
디젤 연료의 점도(점착성)는 연료의 유동성, 디젤 분사 시스템 마모 및 연소실 내에서의 에어로졸 형성에 영향을 미칩니다. EN 규격에 따라 40 °C에서 측정했을 때 점도는 2.0 ~ 4.5mm2/s입니다. 일반적으로 사용되는 점도 변화의 폭은 이만큼 넓지 않습니다.
첨가제
엔진과 연료 장치의 내구성 및 청결성을 유지하고, 배기가스 배출량을 낮추며 전반적으로 양호한 운행 상태를 유지하려면, 좋은 첨가제가 함유된 디젤 연료를 사용해야 합니다. 그러면 장기적으로 비용도 절감되는 것으로 나타났습니다.
이러한 연료의 공급과 관련하여 개별 고객의 경우, 고객이 방문한 주유소에서 첨가제를 판매합니다. 당사의 조사에 따르면 큰 회사의 경우에는 전 지역에 걸쳐 첨가제를 판매하며, 큰 공급업체에 속하지 않는 "개별" 주유소에서도 대부분 판매합니다. 핵심 고객의 경우, 양자 협상 시 첨가제가 함유된 제품의 공급에 유의해야 합니다.
당사의 평가에 따르면 연료에 약간의 추가 비용이 들더라도 유지보수 및 정비 비용이 줄기 때문에 전체 비용 면에서 별로 차이가 없으며, 자주 수리를 하지 않아도 되는 이점이 있는 것으로 나타났습니다. 좋은 첨가제가 함유된 연료를 사용하면 분사 노즐의 코킹, 전체 연료 장치의 마모 및 부식 등의 문제를 주로 방지할 수 있습니다. 이외에도 배기가스 배출량이 줄어 환경적으로도 도움이 됩니다.
또한, 황 함유량이 적은 연료의 경우에는 연료 첨가제를 이용해 윤활성 문제를 해결할 수도 있습니다("윤활성" 단원 참조). 이러한 관점에서 첨가제 사용은 선택이 아니라 필수적인 것입니다.
공급업체는 기본적으로 연료 품질에 대한 책임감을 가지고 첨가제를 사용해야 합니다. 보조 첨가제(시트 119.0 참조) 사용에 대한 책임은 차량 사용자에게 있습니다. 보조 첨가제를 사용할 경우 차량 제조사 및 연료 공급업체에서 보증 처리되지 않을 수 있습니다.
보관 및 운송
다음 내용은 특히 자체 주유 시스템을 보유하고 있는 당사의 고객을 위한 것입니다.
디젤 연료는 소중한 에너지원입니다. 디젤 연료를 필요에 따라 차량에 문제없이 사용하려면 일정한 기술적 기본 규칙을 준수해야 합니다.
연료 탱크를 절대로 번갈아 사용하지 마십시오. 디젤 연료와 가솔린 연료를 번갈아가며 주유하면 손상될 수 있습니다. 두 가지 연료를 모두 사용해야 한다면, (최소) 두 개로 명확하게 분리된 연료 탱크가 설비되어 있어야 합니다. 이를 준수하지 않으면 서로 섞여 오염이 더 심해질 수 있습니다.
특히 디젤 연료를 자주 사용하지 않는 고객의 경우에는 동절기용 연료를 공급받기 전에 하절기용 연료 및 환절기용 연료 재고량을 가능한 한 전부 사용하십시오.
지하 탱크에는 물 또는 기타 이물질이 있으면 안 됩니다. 특히 동절기용 디젤 연료를 채우기 전에 이에 유의하십시오. 불순물이 있으면, 탱크를 청소해야 합니다. 지하 탱크를 주기적으로 관리하십시오!
첨가제가 함유되지 않은 연료에서 첨가제가 함유된 연료로 변경할 때는 저장 탱크의 상태가 매우 청결해야 함에 유의하십시오. 첨가제가 함유된 연료에는 차량 연료 시스템 세정에 사용되는 세정제가 포함되어 있습니다. 저장 탱크에 있는 이물질이 이 세정제와 함께 차량 연료 장치 안으로 유입되어 필터가 빨리 막힐 수 있습니다.
이에 유의하지 않으면 연료 필터가 조기에 막혀 겨울철 운행에 지장을 초래할 수 있습니다.
인화점/위험 등급
ISO 2719에 따르면 디젤 연료의 인화점은 55 °C보다 높아야 합니다. 인화점이란 점화 소스에 의해 디젤 연료 필터의 증기가 점화될 수 있는 상태의 온도입니다. 엔진 연소 시에는 인화점이 문제가 되지 않지만, 디젤 연료를 안전하게 취급하기 위해 필요합니다. 디젤 연료를 더욱 안전하게 운송하려면 인화점을 확인해야 합니다.
디젤 연료의 인화점은 가솔린을 조금만 섞어도 현저하게 낮아집니다. 디젤 연료의 인화점은 가솔린의 인화점보다 높지만, 디젤 연료의 자연 발화 온도는 가솔린의 경우보다 낮습니다.
순도
디젤 연료는 실온 상태에서 투명해야 하며, 유기산이나 고체 이물질이 섞여 있으면 안 됩니다.
수분 함량은 부식 방지를 위해 200 mg/kg을 초과하면 안 됩니다. 디젤 연료에 마모를 일으키는 금속 유기성 결합물이 섞이는 것을 방지하기 위해 재의 허용 함량은 최대 0.01wt%로 정해져 있습니다.
코킹이 발생하기 쉬운 디젤 연료 성분은 상당한 엔진 문제(예: 노즐 코킹, 과도한 연소실 퇴적물 등)를 유발할 수 있습니다. 따라서 코킹 잔여물은 10%의 증류 잔여물로 제한됩니다.
윤활성
지난 수년간 환경보호를 위해 황 함유량을 낮춤에 따라 디젤 연료의 윤활성 문제가 대두되었습니다. 이는 황 함유량을 낮추는 데 필요한 증류액의 수소화로 인해 연료의 자연 유동 개선제가 제거되기 때문입니다.
디젤 연료의 황 함유량을 낮춘 후에는 과거에 발생했던 분사 장치 마모를 방지하기 위해 윤활을 개선하는 첨가제를 반드시 연료에 첨가해야 했습니다. 최근에는 FAME 자체가 윤활 개선 효과를 내기 때문에 지방산 메틸 에스테르("FAME")가 함유된 디젤 연료에 윤활을 개선하는 첨가제를 더 이상 첨가할 필요가 없게 되었습니다.
EN 590에서는 윤활성이 "HFRR Test"("High Frequency Reciprocating Rig Test") 요건에 따라 규정됩니다. 이 테스트에서는 볼이 플레이트에서 부하를 통해 진동되며 이때 검사 대상인 디젤 연료가 윤활 매체 역할을 합니다. 이 테스트는 ISO 테스트 방법 12156-1에 설명되어 있습니다. 유럽 HFRR 테스트에서 윤활성의 최대 허용 한계값은 60 °C에서 최대 460 µm으로 규정되었습니다.
이 방법은 관련 분야에서 많은 호응을 얻었지만 테스트의 정확성과 유효성(실제 사용 관련) 면에서 아직도 개선의 여지가 있습니다.
FAME 함유량
EN 590에는 2009년 판부터 최대 7vol%의 지방산 메틸 에스테르("FAME") 혼합이 명시적으로 허용되어 있습니다. 이는 디젤 연료 품질에 부정적인 영향을 미쳐서는 안 됩니다. 즉, EN 590의 요건은 계속 준수해야 합니다. 특히 유럽에서는 FAME에 대한 EN 14214의 규정을 충족하는 품질의 FAME만 혼합이 허용되어 있습니다. 이에 대한 자세한 정보는 시트 135.0 "디젤 연료로서의 지방산 메틸 에스테르(FAME)"를 참조하십시오.
디젤 연료 내의 미생물
연료 탱크 자체에서 수상이 형성되어 수분 함량이 높을 경우 연료 탱크에서 미생물이 성장할 수 있습니다(디젤 연료의 미생물). 장기간 정차해놓은 차량은 미생물이 발생하기에 적합합니다. 이때 미생물의 부식성 배설물 및 연료 장치를 막을 수 있는 생체 배설물이 발생합니다.
다음 증상은 차량 탱크 또는 지하 탱크가 미생물에 의해 오염되었음을 의미합니다.
• 필터에 퇴적된 물질과 출력 손실로 인해 연료 필터를 빈번하게 교환해야 함
• 탱크 내부 부식이 심해짐
기타
위에서 언급한 거의 모든 특성 또는 특성값은 서로 밀접한 관련이 있습니다. 이는 특히 밀도, 비등 특성, 점도, 인화점, 냉유동성 및 착화성에 해당됩니다. 한 특성이 변경되면 이에 따라 다른 특성도 반드시 바뀝니다.