RC 자동차 냉각핀이 효과가 있을까?
RC(Remote Car) 니트로 엔진 버기의 냉각핀 설치의 이점
문득, 처음 RC를 입문하던 때가 떠올랐습니다. 처음 구입한 차량은 K사의 저렴한 엔진버기였습니다.
부스터를 점화플러그에 꼽고 리코일을 당겨 시동을 걸 때의 엔진소리는 참 박진감있고 설렜습니다. 첫 차를 사고 얼마지나지 않아 엔진 출력을 상승시키기 위해 많은 부품들을 찾아보던 중 발견한 제품이 있었습니다.
연료 냉각핀입니다. 저는 처음 엔진 RC의 구조를 보고 디젤 차량의 EGR을 떠올렸습니다.
EGR 이란 디젤엔진이 최적의 체적 효율을 가질 때 나오는 NOx(질소산화물)을 줄이기 위해 엔진 연소실로 일부러 배기가스를 넣어서 다시 태우는 방법입니다.
이는 엔진의 효율과 출력을 떨어뜨리지만 환경규제를 맞추기 위해서는 어쩔 수 없는 업계의 선택입니다. 물론, 암모니아 요소로 분해하는 방법도 있습니다. 엔진 RC차량은 EGR과 엄연히 다르지만 운행 중에 엔진실에서 연소되지 못한 연료들이 기화된 상태로 연료통에 들어가는 걸 관찰할 수 있었습니다. 이렇게 기화된 연료는 액체 상태의 연료와 혼합되어 다시 연소실 내부로 들어가게 되는데 동일 시간에 들어가는 연료의 밀도가 줄게 되므로 엔진의 효율, 출력, 냉각에 안 좋은 영향을 끼치게 됩니다.
이를 방지하고자 나온 제품으로 연료 냉각장치(fin)가 있는데 이 장치의 효용성을 판단하기 위해 간단한 계산을 해보았습니다.
핀의 직경과 전체 길이, 두께를 측정하여 열전달 공식으로 핀의 효율과 핀 출구 온도를 추정할 수 있는데 열전달 내용은 길고 어려우니 생략하고 간단한 열역학 지식으로 대략적인 핀의 효율을 확인 해보겠습니다.
열전도 식을 이용하면 핀의 냉각으로 인한 출구 온도가 계산되는데 미분방정식의 풀이가 들어가야 하므로 많은 분들의 이해를 돕기 위해 더 간단한 방법으로 전달하고자 열전달 내용은 제외했습니다.
공기가 이상기체라는 가정에서 핀의 입구 온도를 엔진 배기 온도인 약 100 ℃, 핀의 출구온도가 5 ℃ 냉각된 95 ℃ (368 K)라고 했을 때 계산을 해보면 다음과 같습니다.
(K=절대온도의 단위로써, 물질 혹은 물체를 이루는 입자의 운동에너지가 완전히 제로인 상태를 0 K라고 함)
[이상기체 상태 방정식]
압력*단위 체적 = 밀도*기체 상수*온도(절대온도)
1. 연료 냉각장치가 없을 때 : 엔진실로 100℃ 의 연료 유입 (100 [℃] = 373 [K])
-> 알코올의 밀도 : 0.79 [kg/m^3]
Pv= ρRT (밀도 x 기체 상수 x 온도)
-> Pv = ρ(연료 핀 입구) x R x 373K = ρ(연료 핀 출구) x R x 368 K
-> 0.79 x R x 373 = ρ(연료 핀 출구) x R x 368 K
-> ρ(연료 핀 출구) = 0.8007 kg/m³
따라서, 핀 출구부 밀도는 연료 핀 미 장착 시 대비 1.26% 증가되는 결론을 얻을 수 있습니다.
냉각에 따른 연료 밀도 증가 비율이 선형적인 모습을 나타낸다고 생각하면, 5℃ 냉각 시에 단위체적당 연료 밀도 1.26% 증가됩니다. 이는 배기 연료 냉각핀의 전체 길이와 핀의 개수가 많을수록 더 높은 효과를 얻을 수 있습니다. 동시에 핀의 간격이 너무 좁으면 그 사이에서 대류가 발생하여 효율이 좋지 않습니다. 결과적으로 냉각핀 설치는 흡기 행정 시에 들어가는 연료 밀도량이 증가하여 2 행정 엔진의 냉각과 출력 향상에 도움이 된다고 볼 수 있습니다.
연료 냉각핀은 주변 환경온도가 낮을수록, 엔진의 온도가 높을수록 효율이 좋아집니다.
열에너지의 이동은 각 물체 간의 온도차가 심할수록 활발해지기 때문입니다.
특히 서킷에서 주행하시는 분들이라면 오랫동안 지속되는 엔진의 러닝타임에 의해 엔진 온도가 많이 상승할 텐데 연료 냉각핀을 설치하면 엔진 쿨링에도, 출력 향상에도 도움이 될 것이라고 추정됩니다.
