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디젤 엔진 자동차는 보통, 가솔린 엔진 차에 비해 연비가 높다. 디젤의 탄소화합물은 가솔린에 비해 연소시 더 많은 에너지를 방출하며, 상대적으로 압축비를 높일 수 있어 열효율 측면에서 우수하기 때문이다.
글_ 고석연기자

디젤차의 인기가 날로 높아지고 있다. 2016년 상반기 신규 등록된 국내 완성차 중 절반을 넘어선 51.9%가 디젤차이며, 수입차는 지난해 전체 판매 비중의 67.8%가 디젤의 몫이었다. 디젤 자동차의 인기 비결은 여러가지가 있겠지만, 가장 먼저 뛰어난 연비를 꼽을 수 있다. 제조사의 동일한 모델 중 배기량이 거의 비슷한 가솔린과 디젤, 모델의 공인연비를 비교해보면 연비 차이를 확인할 수 있다.

위의 그림에서 알 수 있듯이 BMW 320d의 공연비는 16.6km/L(복합)이고 320i의 공연비는 12.8km/L(복합)이다. 배기량에 큰 차이가 없는데도 연비는 30% 가까이 차이가 난다. 게다가 디젤 차는 가솔린 차보다 더 무겁다. 이유가 뭘까?

같은 부피에 더 많은 에너지를 가진 디젤

자동차 연료로 사용하는 디젤과 가솔린은 원유를 정제시킨 탄화수소화합물이다. 이 연료는 연소 과정에서 산소화 결합하여 물과 이산화탄소로 분리되며 에너지를 만든다. 즉 연료 분자가 몇 개의 탄소와 수소로 구성되어 있는지를 알아보면 상대적으로 발생하는 에너지의 비율을 예측할 수 있다.

먼저 디젤 분자는 12개의 탄소 원자에 수소 원자 26개가 결합한 형태이다. 여기에 산소 분자 18.5개(37개의 원자)와 결합해 이산화탄소 분자 12개와 물 분자 13개를 만든다. 가솔린 분자는 8개의 탄소 원자에 수소 원자 18개가 결합되어 있다. 이 가솔린 분자는 산소 분자 12.5개(25개의 원자)와 결합해 이산화탄소 분자 8개와 물 분자 9개를 만들게 된다.

디젤과 가솔린 분자 1개가 연소 과정에서 필요한 산소 분자의 수는 각각 18.5개와 12.5개다. 즉 이론적으로 디젤이 가솔린에 비해 1.5배 에너지를 많이 가지고 있으며, 같은 양으로 더 많은 일을 할 수 있다는 이야기다. 물론, 실제로는 첨가물을 통해 휘발유의 옥탄가를 높였고, 자동차의 연비는 많은 요인들이 반영되기 때문에 이론적인 연료 에너지에 정확히 비례하지는 않다.

가솔린에 비해 압축비가 높은 디젤

또 하나의 체크 포인트는 두 엔진의 압축비다. 열효율이란 일에너지에 공급된 열에너지의 대한 비율을 의미하며, 이 수치가 높을수록 연비가 좋다. 열효율을 높이는 방법 중에 한가지는 압축비를 올려 폭발압력을 증가 시키는 것이다.

하지만, 구조적인 제한으로 자동차에 사용하는 엔진은 무한정 압축비를 높일 수 없다. 특히, 플러그를 이용해 폭발을 유도하는 가솔린 엔진의 압축비를 일정 수준 이상으로 높이면 압축 과정에서 온도가 과도하게 올라가게 되고, 폭발시점을 제어하지 못해 노킹현상이 일어난다.

이 노킹현상은 불규칙한 진동을 일으키며, 심하면 피스톤면, 커넥팅로드, 엔진블록을 비롯한 부품들에 손상을 준다. 즉 엔진의 내구성 확보 측면에서도 일정 압축비를 넘기는 것은 큰 모험인 것이다. 이런 이유로 가솔린 엔진의 압축비는 9~11:1으로 디젤 엔진의 압축비(15~22:1)보다 낮다.