RC 연료의 니트로메탄

Source : http://www.gjrc.co.kr/bbs/view.php?id=tip&page=1&sn1=&divpage=1&sn=off&ss=on&sc=on&&select_arrange=hit&desc=desc&no=59&PHPSESSID=5eda647b781f0cede2a8f1743e0823c4

 

 

니트로메탄의 열량  
1Kg의 메탄올을 태우기 위해서는 6.45Kg의 공기가 필요하지만 1Kg의 니트로메탄을 태우기 위해서는
단지 1.7Kg의 공기가 필요할 뿐입니다. 엔진은 1행정당 실린더에 담을 수 있는 공기와 연료(혼합기)의
양이 한정됩니다. 따라서 출력을 높이기 위해서는 완전연소가 가능한 한도 내에서 보다 많은 연료를
실린더에 넣어 연소시켜야 하고 이때 공기비가 낮아도 연소가 가능한 니트로메탄은 메탄올에 비해
3.8배나 많은 양을 1행정에서 연소시킬 수 있습니다.
하지만 메탄올에 비해 니트로메탄은 에너지 밀도(발열량)가 낮습니다.
아래 표와 같이 메탄올은 19.9MJ/Kg, 니트로메탄은 11.3MJ/Kg, 가솔린은 43MJ/Kg 입니다.
따라서 엔진 1행정당 메탄올에 비해 최종적으로 3.8배보다 작은 2.2배의 동력을 얻을 수 있습니다.
니트로메탄을 RC연료로 사용하는 이유가 됩니다. 하지만 동시에 니트로메탄은 조기 점화와 노킹성향이
강하다는 점도 알아두어야 합니다.(따라서 고 니트로 연료사용시의 플러그는 표준치 보다 콜드타입이
적합합니다.)
니트로메탄의 화염온도와 연소속도
니트로메탄이 연소될 때 화염의 온도는 약 2400℃이고 대략 50cm/s의 층류연소(laminar combustion)
속도를 가지고있습니다. 이는 40cm/s의 메탄올 연소속도 보다도 빠릅니다.
(가솔린의 연소속도는 메탄올에 비해 10~20% 느립니다.)
따라서 이런 특성은 고속으로 운용되는 엔진에 적합하다 할 수 있습니다. 하지만 실제 연소속도는 공기
혼합비, 압력 그리고 온도에 더 큰 영향을 받습니다. 위에 제시한 연소속도로는 엔진을 돌릴 수가 없죠.
예로 우리가 15,000RPM의 엔진을 돌린다고 가정하면 1초당 250번의 폭발행정이 일어나고 이는 크랭크
축이 1회전하는데(1행정당) 1천분의 4초 즉 4ms의 시간이 걸린다는 계산이됩니다.
폭발행정에서 연료가 연소되는 구간은 크랭크 총 회전각 360°중에서 80°이고 연소시간은 약 0.8ms로
계산됩니다. 50,90급 엔진의 일반적인 스트로크가 약 21~22mm로 크랭크 회전각 80°에 해당하는
거리는 약 1cm로써 총 연소속도를 계산하면 약 1200cm/sec의 연소속도를 구할 수 있습니다.
이는 층류연소 속도의 약 30배에 해당하는 속도입니다.
니트로메탄의 냉각성능
연료는 액체상태입니다. 하지만 연소를 시키기 위해서는 기체상태라야 하고 액체상태의 연료를 기체로
바꾸기 위해서는 열이 필요한데 이 열을 기화열(Heat of vaporization)이라 합니다. 이 기화열은 연료가
기화하면서 엔진의 온도를 내려주고 동시에 낮아진 온도로 인해 피스톤의 가스압축을 원활하게 합니다.
RC엔진에서 발생하는 연소열과 마찰열을 내부적으로 냉각시키는 요인은 흡입공기, 연료의 기화열,
배출되는 가스와 윤활유가 대부분을 차지합니다.  
위의 표를 참고하면 메탄올의 기화열이 1.17 MJ/kg으로 니트로메탄의 0.56 MJ/kg 보다 높아 2배의
냉각효과를 기대할 수 있습니다. 하지만 앞서 설명대로 니트로메탄은 메탄올양의 3.8배의 대체효과를
가짐으로써 오히려 니트로메탄이메탄올에 비해  역으로 약 2배의 냉각효과를 가지게 됩니다.
흔히 니트로 함유율이 높은 연료가 히팅을 잘 하지 않는다고 하는데 그 이유가 이점 때문입니다.  
니트로메탄과 엔진출력
니트로메탄 증가에 따른 엔진의 출력은 RPM의 증가보다 토크의 증가측면이 크다고 할 수 있습니다.
RPM의 증가도 있으나 상대적으로 미약하고, 연료의 폭속과 폭압의 개념으로 구분할 때 폭압에 해당
한다는 뜻이 됩니다. 니트로메탄의 증가는 위에 설명한 니트로메탄 연소속도와 연관 지어 RPM의
증가를 쉽게 연상할 수 있지만 고 니트로 연료의 사용은 보다 짙은(Rich) 혼합기를 사용하는 환경이
되고 이는 연소속도의 지연을 유발하게 됩니다. 폭속을 만족하는 연소시간의 지연은 곧 스트로크
전반에 걸쳐 폭압을 분산하는 역할을 하므로 실질적인 엔진의 토크(출력)증가를 가져오게 됩니다.
여러 자료를 요약하면 다음과 같습니다.
1. 모형용 글로우 연료는 알콜, 니트로메탄, 윤활용 오일의 합성으로 이루어진다.
2. 15%, 20%, 30%는 연료내 니트로 성분의 함량을 말하며 니트로의 역할은 초기 점화 및 냉각에 영향을 미치게된다.
3. 실제 연료내의 폭발력은 알콜이 담당하지만 니트로가 없다면 작은 글로우 플러그의 잠열만으로는 파워풀한 폭발이 일어나기 어렵다.
4. 니트로가 폭발하면 주위의 온도는 차가워진다. 고니트로를 사용할수록 리치한 연료세팅 및 열흡수효과가 뛰어나므로 히팅걱정이 많이 사라진다.
5. 같은 20% 오일이라 하여도 50급 미만은 저점도 오일을 사용하고, 60급 이상의 엔진은 고점도 오일이 함유된 연료를 사용한다.
6. 지상용과 수상용은 매우 높은 알피엠을 사용하기에 저점도 오일을 사용하고, 항공용에비해 3~5%정도 적은 오일을 사용한다.
   (지상용과 수상용에서 높은 니트로를 사용하는 이유는 RPM이 높은만큼 많은 열이 발생하기에 높은 니틀를 통해서 많은 냉각이 필요하기 때문이다.)
   (높은 니트로함량은 RPM보다 토크에 영향을 많이 끼친다.)
7. 항공용의 경우 섭씨100도를 기준으로 하지만 자동차의 경우 120도의 고온에도 무난하게 잘 돌아 준다.
8. 항공용 연료를 차량에 쓸경우 중속까지는 엔진이 돌아 주지만 고속에서는 쉽게 꺼진다.
9. 지상용 연료를 항공에 사용한다면 20회 정도는 문제 없지만 얼마 못가 엔진의 마모 및 히팅의 위험으로 엔진의 수명이 현저하게 떨어진다.
10. 2사이클 엔진의 경우 연료가 크랭크축을 통해 엔진블럭을 통과하여 실린더로 들어가기 때문에 실린더에서 폭발이 이루어지면 니트로 특성상
   주위의 온도를 낮추기 때문에 냉각경로를 살펴보면 엔진 블럭, 크랭크축, 캬브레이터까지 시원한 냉각이 이루어진다.
   이유인즉~ 넉넉한 니들만으로 히팅을 예방할 수 있다.
11. 4사이클 엔진의 경우 연료가 헤드를 통에 바로 유입되기 때문에 실린더에서 폭발이 이루저 지더라도 니트로성분의 특성을 통해 매니폴더와 캬브레이터만 냉각이 이루어진다.
     또한 RPM이 현저히 낮게 때문에 니트로로인한 냉각효율이 좋지 못하다.
    배기량이 낮다면 엔진 열 또한 낮기대문에 프로펠러에서 나오는 바람과 윤활성 오일로서 충분하지만.
    배기량이 높은엔진은 그만큼 폭발온도가 높아지므로 프로펠러에서 나오는 바람과 윤활유로서 충분치 못하고 곳바로 히팅으로 이어진다.
    4사이클의 경우 히팅이 되면 2사이클보다 치명적이다.
    대배기량 4사이클의 경우 넉넉한 니들만으로 히팅을 예방할 수 없다.
    이유인즉~ 이에 맞는 오일 성분과, 냉각성분, 등을 통해 히팅을 예방할 수 있다.
    잘못된 지식으로 무조권 오일 함량이 많은 연료라하여 사용하면 안된다.
    연료를 선택할때 세계적으로 충분히 검증된 회사와 이에 맞는 성분등 각각에 맞게 만들어진 연료..특성에 맞게 골라쓴다.
-참고자료 -
*    Nitromethane  From Wikipedia, the free encyclopedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Nitromethane
**   Combustion in glow plug engines
http://members.tripod.com/myles_sheehy/id26.htm
*** 메틸알콜의 화염전파속도에 관한 연구    
      Study on the Flame Propagation Velocity of Methyl Alcohol 출처:한국과학기술정보연구원