[스크랩] 니트로메탄과 메탄올의 이해--펌글

[윤세훈(꾸러기)]

니트로메탄이나 메탄올등 우리가 많이사용하는 물질이지만 이해하시 쉽게 나온글이 없어 검색하던중

도움이 될것같아 발췌했습니다

이미 보신분은 틀린부분을 보완해주시구요 모르시는분께서는 도움되는 자료였으면 합니다

1. 메타놀(Methanol, CH3OH) 이란 ?

- 메타놀은 모형 글로우 엔진을 구동시키는 데에  가장 기본이 되는 연료입니다.  실물자동차의 휘발유나 경유처럼 말이죠.

- 잘 아시는 바와 같이 알코올의 일종으로서 광물성이며, 석유로 부터 분리/합성되는 석유화학물질(petroleum product)은 아닙니다.

- 하지만 대개의 석유화학물질 및 천연물질과도 잘 섞여서 두 종류 이상의 물질이 섞일 수 있도록 해 주는 매개체 역할도 한답니다.

- 모형엔진용의 메타놀은 수분의 함량이 0.05% 미만인 고품질의 것을 써야 합니다.
  유럽에서는 ISO Standard의 하나인 BSEN ISO 9002로 그 품질을 규정하고 있습니다.

2. 니트로(Nitro- )는 왜 필요한가 ?
                    ( 니트로메탄은 기폭제 ? 혹은 화력증강제 ? )

- 니트로 (메탄 or 벤젠)는 무엇인가 ?

글로우 모형엔진용 연료에 첨가하는 가장 중요한 물질중의 하나인 니트로메탄은 그 뛰어난 성능으로 인하여 오랫동안 모형 애호가들의
사랑을 받고 있습니다.

하지만 최근 그 높은 가격과 구하기 어려운 점 때문에 미국제나 국산 연료의 경우 유사한 제품으로 대체 생산하는 경우가 있습니다. 
당연히 그 성능은 많이 저하되지요...
     
니트로메탄은 "니트로파라핀"이라는 화학물질 중의 하나 입니다.  이 그룹의 다른 물질들에는 "니트로 에탄"과 "니트로 프로판"등이
있습니다.
니트로에탄은 과거에 엔진의 녹킹이나 데토네이션을 방지하기 위해 니트로메탄 대신 첨가제로 사용되었었는데, 당시에는 그 가격이
니트로메탄의 절반에 지나지 않았기 때문입니다.
하지만 현재에는 니트로메탄과 비슷한 가격이 되었고, 여러가지 부작용이 있기 때문에 더 이상 흔히 사용되고 있지 않습니다.

- 니트로메탄은 왜 비싼가 ?

이유는 간단합니다.  세계적으로 니트로메탄을 제조하는 회사는 단 두 회사의 3개 공장 뿐입니다.
게다가 한 회사는 모델용으로는 공급을 하지 않기 때문에, 우리는 독점판매를 하는 다른 한 회사로부터 이 제품을 사야만 하기 때문
이라고 합니다.

그것도 우리 모형업계에서 소모하는 양은 그 회사에서 생산하는 양의 5% 정도에 그치기 때문에 가격이 높을 수 밖에 없는 것이지요...
참고로 순도 96%의 우리 모형엔진에는 사용할 수 없는 정도의 저급 시약제품도 도매가격이 4만원(500cc)을 호가합니다.

- 니트로메탄은 곧 파워를 의미하는가 ?

그렇습니다.  높은 니트로메탄을 함유하는 연료는 대개 높은 출력을 냅니다. 
그럼 니트로메탄이 강력한 인화 물질이거나, 다이너마이트 같은 폭발력이 있어서 일까요 ?

그렇지 않습니다 !   오히려 니트로메탄은 폭발물로 분류되어 있는 것이 의심스러울 정도로 연소시키기가 힘이 듭니다.

메타놀을 엔진 내부에 흡입하면서 안개형태의 혼합기로 만들었을때, 이 혼합기를 완전 연소하는데 필요한 메타놀과 공기와의 비율은
약 1:6.5 인데 반해 니트로메탄의 경우에는 1:2 이하입니다.

따라서 메타놀의 일부를 니트로메탄으로 대체해 공급하고 연소시킨다면 같은 배기량의 엔진에서 한 싸이클에 더 많은 연료를 연소시킬
수 있답니다.  당연히 더 많은 파워가 나오겠지요.

즉 니트로메탄의 폭발력 때문이 아니라, 정해진 공간에서 더 많은 연료를 태울 수 있게 해 주기 때문에 더 큰 파워를 내는 것입니다.

그럼 메타놀은 제거하고 니트로메탄과 윤활유 만으로 연료를 만들어 태우면 최고의 파워를 얻을 수 있을까요 ?
니트로메탄은 메타놀보다 훨씬 더 잘 타지 않으므로, 니트로메탄 만의 연료는 제대로 점화가 되지도 않고, 또한 윤활유와 잘 섞이지도
않아서 제대로 윤활도 해 줄 수가 없습니다.

- 높은 니트로함량의 연료를 쓰면 히팅하지 않는다 ?

실제로 높은 니트로메탄 함량의 연료는 좀 더 많은 열을 내므로 엔진도 좀 더 높은 온도에서 작동을 하게 됩니다. 

하지만 앞절에서 설명했듯이 니트로메탄의 함량이 많을수록 한 행정(싸이클)에 더 많은 연료를 연소시키기 때문에 니이들밸브를 더
풀어서 써야 하고, 따라서 찬 혼합기의 흡입량과 윤활유의 흡입량도 많아져서 엔진의 동작온도는 높아지지 않을 수 있는 것입니다.

그러나 고압축비 레이싱 엔진에서는 반대의 부작용도 있으므로 주의해야 합니다.

물론 높은 니트로메탄 함량의 연료를 쓰면 아이들(idle) 동작 상태도 많이 좋아지며, idle RPM도 더 낮출 수 있답니다.
하지만 원래 비싼 연료를 더 많이씩 태워 없애므로 비용은 많이 들겠죠 ?

- 니트로메탄의 함량을 높일 수 있는 한계는 ?

이것은 castor oil(천연 윤활유,피마자유)의 사용 여부에 달렸습니다. 
한때는 순수하게 합성윤활유만을 선호하던 시절도 있었습니다만 이제는 그 단점들이 드러나서, 여러 제조사들의 광고에도 불구하고,
순수한 합성윤활유 만을 넣은 연료(Straight Synthetic)는 세계적으로 잘 쓰이지 않게 되었습니다,

현재 국내에서 구할 수 있는 니트로메탄 최대 함량은 세계 최고수준인 66% 입니다. (Model Technics SupaGlo S-66)
그보다 더 높으면 윤활유가 분리되어 엔진에 매우 나쁜 영향을 주게 됩니다.

3. 천연 윤활유 (Castor Oil, 피마자유) 란 ?

- Castor Oil은 현재까지 알려진 가장 우수한 모델 엔진용 윤활유입니다. 

엔진의 청결에 조금만 유의한다면 이 성능은 저하되지 않으며, 또한 엔진내부의 녹방지에도 좋은 효과가 있는 윤활유 입니다.  
다만 이 윤활유를 포함한 연료를 사용하면 연소시에 생긴 갈색 또는 검정색의 물질(gum)이 엔진 내부에 고착되며, 그대로 방치하고
계속 엔진을 사용하면 자꾸 그 두께가 두꺼워지며 제거하기가 힘들어집니다.

- 피마자 열매(Castor bean)에 대하여....

피마자는 열대 아프리카가 원산지 입니다. 
종종 정원수나 집안 화단에 심기도 하고 야생에 잡초처럼 자라기도 하며, 일년 또는 다년생 입니다.

"Ricinus Communis"라는 이름을 갖고 있는 피마자 씨앗은 사람과 동물, 또는 곤충들에게 독성이 있습니다. 

여기에 함유된 주요 독성 단백질 중 대표적인 성분은 "라이신(ricin)"이며, 씨앗을 씹거나 으깨지 않으면 피부에 접촉하거나 먹어도
큰 해는 없습니다만, 만일 씹거나 깨물어 먹으면 장에서 흡수되어 치명적인 독성을 나타냅니다.

씨앗 한개에 포함된 독성은 어린이를 사망에 이르게 할 수도 있으므로 주의하여야 합니다.  

어릴 적에 구워 먹기도 하고, 정부 시책에 따라 하교 후 들판에 나가 열매를 따 모아서 학교에 갖다 내기도 했었는데...  지금 생각하면 아찔 하군요...

여기에 얽힌 재미있는 사건 ; 1970년대 말 당시 불가리아의 반체제 언론인이었던 "게오르기 마르코프"씨는 영국 런던의 "워털루"역에서
옆에 지나던 사람의 우산끝에 살짝 스치듯 부딪혔는데, 얼마 후에 원인 모를 병으로 시름시름 앓다가 죽었던 사건이 있었습니다. 

사후에 정보요원들에 의해 밝혀진 바에 의하면, 당시 우산 꼭지에 구멍이 뚫려있는 조그만 쇠구슬을 붙여 거기에 피마자씨 독을 넣고, 이 쇠구슬을 피부에 찔러 넣어서 독성이 몸에 서서히 퍼지도록 해서 죽어가도록 했다는 것입니다.  유명한 이야기 이지요.

그럼 우리가 쓰는 연료에 이 독이 들어 있을까요 ?
그렇지 않습니다.  피마자 씨앗은 기계로 눌러서 기름을 짜 내는데 이때 "라이신"도 같이 짜져서 나옵니다만,  라이신은 수용성이라서
피마자유에는 녹지 않습니다.  때문에 라이신은 100% 피마자유와 분리 추출되어 의학적인 용도로 쓰인답니다.

어째든 이 파마자유(Castor Oil)는 우리 모형엔진용 윤활유로서 더할 나위 없이 좋은 것임에 틀림이 없습니다.  

다만 점도가 높고, 검뎅(gum)이 생기고, 사용후 청소가 용이하지 않을 뿐 아니라, 전적으로 이것에 의존하여 연료를 제조하면 큰 출력을
낼 수 있는 연료를 제조하기 어렵고, 플러그의 수명을 단축시킵니다.

따라서 합성 윤활유와 적절한 비율로 섞고 적당한 첨가제로 단점을 보완하여 우수한 품질의 연료를 만들 수 있답니다.

천연 정제 피마자유에 첨가제를 배합하여, 메타놀과 잘 분리되지 않고 섞이며, 모든 윤활특성을 대폭 향상시킨 레이싱캐스터오일
(Racing Castor Oil)은 매우 좋은 특성을 나타내지만, 가격은 합성유의 가격보다 높아지므로 일부 유럽산 고급 레이싱 연료에 사용됩니다.
또한 각종 첨가제는 연료의 특성을 상당히 변화시키고, 연료 배합의 안정성에도 영향을 크게 미치므로, 비록 그 양이 매우 적다고 하여도
대단히 중요하게 취급되고 있습니다.

4. 합성 윤활유 (Synthetic Oil)는 ?

  
 @ Flash Point(발화점)는 높은 것이 좋다 ?

자세한 특성은 다음 절에 자세히 비교설명 하였으므로 이를 참조하시기 바라며, 이곳에선 몇가지 특이점 만을 설명하고자 합니다.

일반적으로 모형항공기 또는 배, 자동차등 R/C용으로 제조되는 연료에 포함된 윤활유는 대개 기존의 소형엔진 및 유사한 용도의 것
중에서 가장 좋은 성능을 나타내는 것을 골라서 쓰며, 특별히 R/C전용으로 개발을 해서 사용하는 경우는 흔하지 않습니다.  

따라서 R/C용 연료의 주 성분인 알코올(친수성)에 이러한 석유(탄화수소 계열)용으로 개발된 윤활유를 사용하게 되면 ‘물과 기름의 관계’
처럼 좋은 성능을 발휘하지 못하는 저급 연료가 되는 것입니다.

R/C전용으로 개발된 윤활유들도 있는데, 이 중 대표적인 것으로 Klotz Techniplate Oil과 E.D.L.의 두 가지를 들 수가 있습니다.

먼저 개발된 Klotz Techniplate Oil은 특히 열악한 환경에서 동작하는 엔진에 적합한 윤활유로서 세계적으로 이미 높은 명성을 얻고
있으며, 아마도 이 글을 읽으시는 여러분들 중 많은 분들께서는 이 이름을 들으신 적이 있을 것입니다. 

Ron Irvine이라는 사람에 의해 많이 알려졌으며, 특히 Irvine과 O.S. 엔진에 적합하다고 알려져 있으나, 이는 일반적인 스포츠 엔진이
아니라 보우트, 턱티드팬 제트기, 곡예용 헬기, 오프로드/온로드용의  고성능 엔진에 주로 적용된다는 것을 염두에 두셔야 합니다.

또한 최근 개발된 E.D.L. Oil은 Klotz Oil의 성능에 추가적인 성능개선을 목표로 새로이 개발된 윤활유로서, 이미 전 유럽과 미주지역
에서 그 성능을 인정받고 있습니다.

E.D.L.은 Extreme Duty Lubricant를 뜻하며, 극한 환경에서 그 역할을 충분히 하는 연료라는 뜻이며, 영국의 Model Technics사에서
최초 개발해서 자사의 연료에 사용하며, 미주 지역의 일류 제조사에도 공급하고 있다고 합니다.

이제 이 EDL 윤활유의 특징을 알아 봅니다.

 1) 고온 특성 (High Flash Point and thermostability)

상용으로 쓰여지는 일반 엔진들의 연료:공기의 혼합비는 약간 리치(Rich)하게 동작 되도록 미리 세팅되어 있으나, 우리 모형용 엔진은
니이들 밸브를 이용해 사용자가 마음대로 세팅이 가능하도록 되어 있습니다. 

따라서 조금 더 나은 RPM을 얻기 위해 니이들 밸브를 지나치게 조이는 경우가 허다합니다.

이러한 경우 온도가 급상승하게 되고, 일반적인 합성 윤활유들은 제 기능을 잃거나 타 버리게 되어서 결국은 엔진을 망가뜨리게 됩니다.

발화점은 높으나, 고온에서 제 기능을 잃어버리는, 즉 thermostability(온도 안정성)가 낮은 윤활유들을 사용하는 연료들은 제 아무리
윤활유의 발화점이 높더라도 우리에겐 쓸모없는 저급의 연료일 뿐입니다.

E.D.L.은 이러한 특성(thermostability)이 우수하여, 흔히들 합성유는 천연유(피마자유,Castor Oil)보다 발화점이 낮다는 통념을 깨고,
우리가 모형용으로 쓸 수 있는 현재의 윤활유를 통 틀어 가장 발화점이 높고, 또한 발화점 근처에 이르더라도 제 기능을 충실히 해 내는
윤활유로 알려져 있습니다.

 2) 극한 압력

모형 엔진들은 일반 상용 엔진들에 비해 같은 배기량에서 수배의 힘을 냅니다. 따라서 각부 베어링의 마찰면에서의 압력은 상상 이상으로
대단히 높습니다.  

E.D.L.은 이러한 마찰면에서 만족할 만한 성능을 발휘하도록 설계된 독특한 윤활유 입니다.

 3) 극한의 마찰 속도

최근의 신형 엔진들은 최고 40,000 RPM 가까이에서 까지 동작합니다.  따라서 피스톤을 비롯해 모든 운동 마찰면의 마찰운동 속도는
대단한 것 입니다.  E.D.L.은 이러한 속도를 충분히 수용한다고 알려져 있습니다.

 4) 미세한 간격

모형 엔진, 특히 ABC 타입의 엔진들의 피스톤과 실린더 (정확히 말하면 피스톤 라이너 또는 슬리브)와의 간격은 대단히 미세합니다. 
일반적인 윤활유는 이러한 경우에 유막이 끊기는 상황이 발생하는데, E.D.L.은 위에 기술한 3가지의 극한 환경에서도 이러한 미세 간격
에서 제 기능을 하는 것으로 알려져 있습니다.

 5) 대단히 녹과 부식이 심한 환경조건

모형 엔진은 매일 사용하는 일상 엔진이 아니라 일주일 또는 수 주일 이상 방치되기 쉽상이며, 따라서 엔진의 작동시발생한 연소후 물질이
베어링, 피스톤 등 엔진의 부품들을 부식시키고 녹슬게 합니다. 
이러한 해로운 성분들은 주로 타다 남은 메타놀, 니트로메탄, 물, 기타 연소로 인한 부산물 들인데, E.D.L은 이러한 현상을 최대한 억제
하는 특성을 지닌 것으로 판명되고 있습니다.

5. 천연 윤활유와 합성윤활유의비교

먼저 각각의 특징을 열거해 봅니다.

*Castor Oil (피마자유)

  - 최고의 윤활 성능을 나타냄.

  - 엔진 각 부품에 녹을 슬게 하지 않는다. (가장 중요한 사용 이유임.)
  - 폭발/연소의 결과로 엔진의 각부에 검뎅이 끼게 한다.  특히 메인 베어링을 포함하여 일정한 주기로 제거를 해 주어야 함.

  - 니트로메탄과 절대 섞이지 않는다.

  - 윤활에 필요로 하는 양이 적다. - 따라서 메타놀의 양을 그만큼 늘릴 수 있기 때문에, 특히 아이들 성능이 좋아지고, 더 많은 힘을
    낼수 있게 한다.

  - 보통의 합성유보다 통상 섭씨 100도 이상 높은 온도에서도 그 성능이 저하되지 않는다.

  - 부식을 억제하는 효과도 있다.

  - 링-타입의 엔진에 적합한 특성을 많이 갖고 있다.

  - Fox사의 일부 엔진들, 또는 Cox 엔진등 볼-소켓 콘로드 타입의 엔진에는 반드시 이러한 윤활유가 다량 함유된 연료를 써야한다.

* Synthetic Oil (합성유) - 일반적 품질의 것들에 한정함.

  - 검뎅이 거의 생기지 않는다.

  - 차체나 기체 등에 묻은 배기물 등을 제거하기 쉽다.

  - 엔진의 각부에 녹을 슬게 하기 쉽다. - 연소 후 생기는 산화부산물이 습기를 흡수하는 성향이 있기 때문임.

  - 대개 니트로메탄과 잘 섞인다.

  - ABC/ABN/AAN 타입의 엔진에 비교적 적합한 특성을 많이 갖추고 있다.

  - 30% 가까운 니트로메탄 함량의 연료를 필요로 하는 레이싱 버기, 보우트, 헬기들에는 보다 낮은 점도의 윤활유가 필연적이므로 많이
    사용되며, 많은 양의 비행을 하는 패턴기등에 사용하는 연료도 쓰로틀 급조작 응답특성이 좋고, 청소가 용이하며, 튠드파이프를 장착
    한 상태에서의 사용에 적합한 관계로 많이 애용된다.

일반적으로 링-타입(Ring Type)의 엔진에는 피마자유가, ABC/ABN/AAC 타입의 엔진에는 합성유가 주로 많이 포함된 연료를 쓰는 것이 바람
직하다고 알려져 있습니다.

그러나 엔진의 종류에 따른 오일의 선정은 그렇게 간단한 것이 아닙니다.

윤활유의 선택에는 윤활막의 유지, 점도, 발화점(Flash Point), 고온 안정성, 그리고 엔진의 파워, 쓰로틀링 특성, 아이들 안정성,
플러그와의 연계성, 엔진의 설치 환경, 주위의 여건,... 등등등 이루 헤아릴 수 없는 많은 조건들이 관여합니다.

따라서 이러한 조건들을 최대한 고려하여, 기대하는 출력을 내면서도, 다루기 쉽고 주위 여건의 변화에 최대한 적은 영향을 받도록 연료를
개발하고 제조하는 것입니다. 

론 기본적인 이론만으로는 니트로메탄과 메타놀, 그리고 윤활유만 섞으면 될 것 같지만, 자작 연료와 상품화된 연료의 차이는 거기에서
나는 것입니다.
그러므로 제반사항을 고려한 적정한 비율의 합성윤활유와 소량의 천연윤활유를 함유하고, 여기에 적절한 종류와 양의 첨가제, 그리고
고도의 섞는 기술이 어우러진 연료를 선택해 쓴다면, 많은 분야에서 만족할 만한 결과를 얻을 수 있을 것입니다.

6. 기타 첨가제는 ?

모형 엔진용 연료에 첨가되는 첨가제는 여러 가지의 기능을 합니다.  비록 그 양이 적다고는 하지만, 이것의 역할은 대단하며, 자세한 내용은 각 제조사의 비밀로 되어 있습니다.

주요 기능으로서는

첫째, 연료의 각 성분이 고루 잘 섞여서 서로 분리되지 않도록 하는 것이고,
둘째, 점화특성을 안정시켜, 안정된 아이들 특성을 갖도록 해 주고
셋째, 점화시 불꽃 번짐을 제어하여 최대의 안정된 힘을 얻으면서 엔진의 각 부분에 무리가 덜 가게 하며
넷째, 진동에 의한 기포의 발생을 억제하고 제거해 주는 등

많은 역할을 하고 있습니다.

그러나 첨가제의 선택 시 가장 주의해야 할 점은, 고온에서도 오일과 잘 조화를 이루어서,  연료를 뭉치게 하여 피스톤이 꼼짝 못하게
만드는 부작용이 없어야 하는데, 이러한 것은 오로지 시험에 시험을 거듭해서만 얻어 질 수 있는 것으로서, 흔히 업계에서는 "Black Magic"
이라고들 합니다.