겨울철 경유차의 시동이 잘 안 걸리는 현상이 나타나는데요, 경유 속의 긴 사슬 알케인 성분이 저온에서 결정화되어 연료 필터를 막는 이유가 궁금합니다.

Question

겨울철 경유차의 시동이 잘 안 걸리는 현상이 나타나는데요, 경유 속의 긴 사슬 알케인(파라핀) 성분이 저온에서 결정화되어 연료 필터를 막는 이유가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

겨울철 경유차의 시동 문제는 경유의 화학적 구성 성분인 파라핀 계열 알케인의 물리적 상태 변화에서 시작됩니다. 경유는 탄소 원자가 대략 10개에서 20개 정도 길게 사슬 형태로 이어진 알케인 분자들로 이루어져 있습니다. 이 긴 사슬 구조는 분자 사이의 접촉 면적이 넓어 분자 간에 끌어당기는 힘인 분산력이 상당히 강하게 작용합니다.

​기온이 충분히 높을 때는 이 분자들이 에너지를 얻어 자유롭게 움직이며 액체 상태를 유지하지만, 기온이 영하로 떨어지면 상황이 달라집니다. 온도가 낮아져 분자의 운동 에너지가 줄어들면 강한 분산력에 의해 분자들이 서로 규칙적으로 배열되기 시작합니다. 이때 마치 물이 얼어 얼음이 되듯 경유 속의 파라핀 성분들이 고체 입자로 굳어지는 결정화 현상이 일어납니다.

​초기에는 아주 작은 미세한 결정들이 나타나 경유가 뿌옇게 흐려지는 구름점에 도달하며, 온도가 더 내려가면 이 결정들이 서로 엉겨 붙어 눈에 보일 정도의 커다란 덩어리가 됩니다. 이렇게 생성된 고체 파라핀 결정들은 연료 탱크에서 엔진으로 가는 길목에 있는 연료 필터의 미세한 구멍들을 촘촘하게 막아버립니다. 결국 연료의 흐름이 차단되면서 엔진에 충분한 경유가 공급되지 못해 시동이 걸리지 않거나 주행 중 시동이 꺼지는 현상이 발생하는 것입니다.

​이를 방지하기 위해 정유사에서는 겨울철에 파라핀 함량을 줄이거나 결정 생성을 억제하는 첨가제를 섞은 동절기 경유를 공급합니다. 하지만 영하 15도 이하의 극심한 한파 속에서는 동절기 경유조차 결정화될 수 있으므로 야외 주차를 피하거나 연료 필터의 예열 장치를 점검하는 등의 관리가 필요합니다. 이는 물질의 상태 변화가 기계적 장치의 작동을 물리적으로 방해하는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

겨울철에 경유차 시동이 잘 걸리지 않거나 출력이 떨어지는 것은 경유 속 긴 사슬 알케인이 저온에서 결정화되어 연료 흐름을 방해하기 때문인데요, 즉 경유를 구성하는 여러 탄화수소 중 녹는점이 상대적으로 높은 성분들이 먼저 고체 왁스 결정으로 석출되기 때문입니다. 경유는 대략 탄소수 C10~C22 정도의 다양한 탄화수소 혼합물인데요, 이중에서 직선형으로 길게 뻗은 긴 사슬 알케인은 분자들이 가지런히 배열되기 쉬워 분자 간 반데르발스 힘이 강하게 작용합니다. 그래서 가지형 분자보다 녹는점이 높고, 온도가 내려가면 액체 상태를 유지하지 못하고 결정으로 정렬되기 쉽습니다. 예를 들어 짧은 탄화수소인 휘발유 성분은 저온에서도 잘 흐릅니다. 하지만 경유에는 더 무겁고 긴 사슬 성분이 많아 추위에 민감하며, 온도가 특정 지점 아래로 내려가면 먼저 일부 파라핀 분자가 서로 모여 미세한 왁스 결정핵을 만들고, 이것이 자라면서 눈꽃 같은 결정 입자가 형성됩니다. 온도가 더 내려가면 결정이 커지고 서로 엉키며 네트워크를 형성하는데요, 결과적으로 연료 점도가 증가하고 흐름성이 급격히 나빠집니다.

이때 특히 긴 사슬 알케인이 잘 결정화되는 것은 직쇄 분자는 막대처럼 생겨 서로 평행하게 정렬되기 쉽기 때문입니다. 이렇게 규칙적으로 배열되면 결정격자를 만들기 유리한데요, 반면에 가지형 탄화수소는 구조가 울퉁불퉁해 잘 포개지지 않아 결정화가 어렵고 녹는점도 낮습니다. 그래서 겨울용 경유는 직쇄 파라핀 함량을 조절하거나, 저온 유동성 개선제를 넣어 결정이 크게 자라지 못하게 만드는 것입니다. 감사합니다.