스크랩 RC연료의 니트로메탄

[김필수]

메탄올과 함께 모형연료의 주성분을 이루는 니트로메탄은 그 특성에 대해 RC유저들 사이에서 많은

정보들이 오가고 있지만

"니트로메탄은 폭발물이라서 엔진의 파워가 올라간다",

"니트로메탄은 연소되기  어려운 물질이다",

"니트로메탄은 스스로의 폭발력이 없고 메탄올의 연소를 돕는 조연제이다" 등등

그 출처를 알 수 없고 혼란만 가중시키는 정보가 많아 니트로메탄과 관련한 문헌과 자료를 찾아

RC연료에 사용되는 니트로메탄의 특성과 내용을 중심으로 정리했습니다.

니트로메탄의 물성

분자식 CH3NO2. 무색의 액체로서 분자량 60.0, 끓는점 101℃, 비중 1.129(25℃)이다. 요오드화

메틸과 아질산은을 반응시키면 생긴다. 수용액은 리트머스에 대하여 산성을 나타내며, 점화되면

폭발하기 때문에 대량을 취급할 때나 알칼리나 이물질(異物質)이 들어가지 않도록 조심해야 한다.

용해력이 큰 용매로서 쓰이며, 로켓의 연료로도 사용된다. 약하지만 독성이 약간 있다.   

니트로메탄은 엄연한 폭발물입니다. 폭발하기 위한 조건이 다를 뿐이죠. 군의 탄폭약 분류도 TNT, C3,

C4, RDX, 암모늄 나이트레이트와 함께 폭약으로 분류하고 실지 1995년 미국 오클라호마 연방건물 폭탄

테러의 폭약으로 질산암모늄과 니트로메탄이 사용되었습니다. 

쉽게 접할 수 있는 니트로메탄의 사용처로는 극한의 파워를 얻기 위한 드레그 레이싱의 레이싱 연료가

있습니다. 일반적으로 니트로(Nitro)라고 불립니다.

니트로메탄의 분자구조는 가솔린과 같은 탄화수소물과 비교할 때 대기중에 휠씬 작은 산소로도 완전

연소가 가능하게 되어있습니다. 연소에 필요한 산소를 니트로메탄 분자구조 자체에서 충당하게 됩니다.

화학식으로 보면 다음과 같습니다.

4CH₃NO₂ + 3O₂ → 4CO₂ + 6H₂O + 2N₂

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.

- 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

[주희준]

RC 엔진(글로우)에 미치는 니트로메탄의 역할에 관하여 많은 이해가 되었음을 인정하지 않을 수 없습니다.