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유기화학 책 중에 분자구조별로 어떤 IR 스펙트럼이 흡수가 잘되는지 도표로 정리된 책이 있습니다.
미국 캘리포니아 주립대학(CalTech, LA) 화학과 교수로 재직하셨던 Stanley H. Pine 교수가 쓴 유기화학(Organic Chemistry) 5판입니다. 1987년 출판된 뒤로 절판되어서 구하기가 좀 힘듭니다. 중고서적을 사야합니다.
Overview - Organic Chemistry http://search.barnesandnoble.com/Organic-Chemistry/Stanley-H-Pine/e/9780070501188
이 책에는 각종 유기화합물의 반응과정에 대하여 열역학적 에너지 특성, 분광학적 특성 (IR스펙트럼, 핵자기공명스펙트럼, UV-Visible 스펙트럼)과 대조하여 설명이 되어 있습니다.
특히, 부록에 유기물의 탄소결합 종류별로 각종 분광학적 스펙트럼, 특히 IR스펙트럼이 잘 정리되어 있습니다.
위키피디아에도 그 개념이 정리되어 있습니다. 주로 구글에서 "IR Spectroscopy"로 검색하면 찾아볼 수 있습니다.
Infrared Spectroscopy by Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy
유기물내의 본드 별로 흡수되는 IR 주파수 대역은 아래에 개략적으로 정리되어 있습니다. 책에서 보는 것이 더 설명이 자세하기는 합니다만, 책의 내용은 저작권 문제가 있어 Wikipedia에서 검색되는 자료를 참고하시기 바랍니다.
Infrared Spectroscopy Correlation Table http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy_correlation_table
IR Spectroscopy에 대한 그래프를 예로 보면서 이해하기는 아래 자료가 더 편할겁니다. 이 자료가 실제적으로 가장 간편하게 이해하는 데는 도움이 됩니다.
Infrared Spectroscopy by MSU http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/InfraRed/infrared.htm
IR Spectroscopy를 한국어로 된 자료로 이해하려면 아래 한남대학교의 분석특론 교재 PPT 파일을 참고하면 됩니다. 분석 원리와 사용된 공식, 분석기 구성등에 대하여 굉장히 체계적으로 잘 정리되어 있습니다. <li class="g"> </li>
# 엔진과 IR 대역 스펙트럼, VID 간의 관계의 이해
열역학에서 다루는 온도, 부피, 압력, 깁스에너지 같은 것은 에너지를 양의 입장에서 다루는 고전적인 열역학적 고찰이며, 분광학적 특성은 미시적으로 관찰하는 양자역학적 특성입니다. 양자역학적 특성은 복잡한 분자결합을 계산해서 예측할 수 없기 때문에 특정하게 실험을 위해 제한된 온도, 압력, 농도 조건 에서 여러가지 파장의 에너지를 주입해가면서 그 파장의 에너지가 흡수되는 패턴을 관심 구조의 물질에 대하여 실험하여 측정한 것입니다. 그 일부가 표로 정리될 수 있던 것입니다.
따라서 그 표에서 나온 분광학적 패턴표는 참고가 되기는 하지만 실제 엔진과 연료의 연소반응에 대비해서 이해할려면 실험기계에서 측정하는 것과는 다른 실시간으로 아주 빠르게 변하는 다양한 온도, 압력, 부피 조건이 변하므로 표와는 조금 다르게 가변성을 가지게 되며 그에 맞게 측정될 수 있어야 합니다. 그런데, 엔진으로 들어오는 연료, 공기 자체에 여러가지 화합물, 혼합물 들이 섞에 있기 때문에 정밀하게 측정되기는 매우 힘든 것이므로 경험적으로 주입된 연료가 어떤 것일때 어떤 정도의 파장대역의 에너지가 효과적으로 흡수되더라라고 알수 있을 것입니다.
시시각각 변하는 엔진의 흡입, 압축, 폭발, 배기 공정 중에 주로 공기흡입후 연료과 공기가 섞였다고 판단되고 압축이 되기 직전 사이의 시간에 관심영역의 IR, UV-Visible 에너지를 주입해보면서 그 흡수결과를 변화된 출력변화 특성과 대조하여 에너지 주입후 연료가 흡수한 뒤 효과가 있는지 없는지 알게 될 수 있지요. 그 흡수효과를 측정하려면 엔진의 rpm과 흡입후 연료혼합-압축까지의 시차 이내여야 하므로 타이밍 정밀도는 수천분의 1초~수만분의 1초 정도는 되어야 합니다.
6,000rpm = 6,000 rotation per minute = 100 rotation per sec, 즉 초당 100회전입니다.
회전수에 엔진의 행정을 나누고, 그 안에서 시간을 쪼개야 정밀도를 논할 수 있으므로 적어도 수백개로는 쪼개야 그 측정범위에 들어오므로 100 * 수백 = 수만 분의 1초 정도의 정밀도는 요구됩니다.
ECU에서 하는 전자제어는 수천분의 1초 이하의 정밀도로 움직이는 센싱 (주로 그것의 수십, 또는 수백배 느린)과 피드백을 다룹니다. 따라서, 자동차에서 사용되는 전자제어로는 연소특성에 도움이 되는 파장의 에너지를 미세하게 컨트롤 할 수 없습니다.
파일럿 분사라 해서 직분사 과정에서 본분사 전에 온도상승에 도움이 되는 소량의 연료를 미리 주입하여 태우도록 하는 과정이 있기는 합니다. 이건 수천분의 일 정도의 시간 정밀도로 일정한 시간 사이클에 맞춰서 연료를 소량 보내기만 하는 것이므로 측정하는 것은 큰 의미가 없습니다.
열역학적으로 평균적인 속성인 온도를 올려서 연료와 공기가 반응하는 것을 좋은 조건으로 만드는 것이 자동차회사의 엔진들에서 하는 일입니다. 그런데 그것만으로 연료를 충분히 타도록 하지 못하면 매연도 나오고 배기가스도 나오는 것이죠. 이런 매연과 배기가스를 저감시키기위해 21세기의 엔진은 다시 엔진으로 배기가스를 밀어넣어 태우는 재순환 과정을 거칩니다. 또한, 촉매와 매연저감장치 등을 사용해서 추가적인 중화, 필터링을 하여 출력손실이 생깁니다.
그런데, 고압으로 연료를 분사하는 직분사 엔진은 그 연료 방울이 작아서 미세한 유속오차에도 표면에서 반응할 수 있는 공기의 양이 많았다 적었다 하므로 아주 작은 매연과 반응성이 독한 배기가스가 발생하기 쉽습니다. 그 양이 문제가 아니고 질이 문제가 됩니다. 무게로 재는 양은 적어도 매연, 또는 배기가스가 되는 분자들의 갯수가 많고 그 사이즈가 작아서 독성과 반응성이 매우 강합니다. 화학반응은 주로 표면에서 우선적으로 일어나기 때문이죠.
VID는 연료의 물리화학적 특성에 맞는 맞춤 에너지를 주사하여 연료과 공기가 반응하는 것을 좋은 조건으로 만들어주는 역할을 합니다. 온도가 다소 낮더라도 연료에 맞는 활성화 에너지가 공급되면 공기와 반응하기 좋아지므로 냉간연소가 잘 되는 것도 이해가 되구요. 그 결과로 열역학적인 조건만으로 맞춰줬을때보다 더 짧은 시간내 연소가 되면서 더 높은 토크가 나옵니다. 또한, 반응이 신속하고 부하가 적어서 노킹이 감소하여 피스톤의 좌우떨림인 편향진동이 줄어드는 것, 토크가 향상됨이 실험을 통해 99년에 서울대 논문으로 검증되었습니다. 이는 VID 장착 후 엔진의 출력이 향상되는 잇점 뿐아니라 내구성이 향상됨을 의미합니다.
연소가 잘되게 만들기 위해서는 전체적으로 필요한 에너지가 꽤 많으므로 열역학적인 조건이 베이스가 되고 거기에 추가로 상승효과를 VID가 넣어주는 IR 대역에 공진파가 만들어준다고 보면 편합니다. VID는 기존 엔진에서 열역학적인 특성 조절을 위한 기구나 부품변화, ECU 개조없이 외부에서 연소반응에 도움이 되는 공진에너지만 실시간으로 잘 주입해서 연소효율과 반응속도를 개선해서 출력특성을 질좋게 개선하는 보조장치로서 역할을 합니다.
VID가 그런 파장의 에너지(주로 IR 대역과 그 주변 대역)를 발생시키고 측정하고 파장과 시간을 변화시켜가면서 교정하여 실시간으로 가장 효과적으로 흡수되는 파장의 에너지와 타이밍을 결정하여 공급하는 것으로 이해하면 됩니다. 그게 연료에 공진형태로 실린더내 빈 공간을 잘 전달되고 그 타이밍과 세기가 적절하게 맞아 연료로 잘 공급되면 깔끔하게 연소가 되어 매연과 배기가스가 거의 없는 엔진이 되는 것이죠. 주입하는 공진파의 패턴에 따라서 탄소와 산소 반응, 수소와 산소 반응은 유리하고 질소와 산소 반응에는 영향이 없는 스펙트럼의 파를 쏴주는게 핵심입니다.
산소가 부족하면 매연과 미연탄화수소(HC), 이산화탄소가 쉽게 발생하고, 섭씨 450도 이상의 고온에서는 공기중의 산소(O2)가 연료와 반응하지만 일부는 질소(N2)와 반응해서 질소산화물(NOx)가 되는데 온도가 높을수록 그 비율이 높아집니다. 그래서 NOx 를 줄일려면 활성화된 연료가 공기중의 산소와는 잘 반응하고 질소과 반응하는 기회를 잘 주지 않는게 중요하죠.
또한, 공기의 흐름을 안정시키는 것도 매우 중요합니다. 연소로 인한 폭발시 그 폭발력이 흡배기의 저항을 적절하게 이길 수 있으면 그 유동성 오차는 대폭줄어듭니다. 차량구조별로 어느정도 흡기와 배기의 구조물과 장치에 저항이 있습니다. 가능하면 배기시 폭발력이 그 저항을 이길 수 있는 정도는 나와주어야 그 오차로 인한 유동성이 줄어 ECU에 설정된 공연비 설정과 오차가 최소화될 수 있습니다. 이는 자동차에서 원가절감을 위해 일정 수준내서는 무시할 수 밖에 없었던 흡배기의 오차로 인한 공연비 오차 발생에 따른 매연과 배기가스 증가과 재순환에 따른 환경오염, 센서와 인젝터, 밸브 구동 부품들의 오염과 내구성 문제를 획기적으로 개선하는데 큰 도움이 됩니다. 실제로 흡배기 구조에서 관리 구불구불하거나 가늘어서 저항이 크고 버퍼링을 해주는 소음기 설계가 좋지 못한 차량들에서 매연과 배기가스가 육안(머플러 팁 안쪽을 닦아봄)과 냄새(NOx의 경우 식초냄새)로 쉽게 식별이 될 정도로 감소하였고, 완전연소시 발생하는 수증기가 대량으로 발생함을 확인할 수 있습니다. 머플러 팁 안쪽을 닦아보면 기름성분(주로 에진오일)이 묻어나던 차량에서 VID 장착후 기름기가 없어지고 없던 물방울이 고이고 엔진의 소음과 진동, 특히 실린더 라이닝과 피스톤이 마찰하는 날카로운 금속성 마찰음이 사라진 것이 그 증거입니다.
연비와 탄소배출량 문제를 개선하기 위해서 직분사, 터보 같은 기술이 등장했지만 이것은 고전적인 열역학과 표면과학, 전자제어 등에 기초하고 있습니다.
따뜻한 물에 목욕하는데 섭씨 60도 정도의 물인데도 가정내 욕실의 온수와 미네랄온천의 온수는 피로회복 효과가 다르지요. 열역학적인 방법은 그냥 온도계로 재었을때 섭씨 60도 인가만 보는 것이고, 분광학적인 관점은 일반 온수와 온천의 미네랄 온수가 그 스펙트럼 특성에서 차이가 있으므로 미네랄온천수가 피로회복에 더 효과적이라는 것을 설명하는 것입니다. 그러나 일반 욕실의 온수든, 미네랄온천수든 식으면 원하는 목적을 달성할 수는 없습니다. 온도계로 60도라는 기준까지 에너지는 있어야 하고, 더 효과적이 되기 위해서는 미네랄온천수처럼 미네랄 물질이 가지고 있다가 방하해주는 원적외선의 에너지가 적당히 있는게 좋지요.
연비를 좋게 하면서 최대 출력을 얻으려니 좁은 실린더와 적은 기통수로도 힘을 내는데 도움이 되는 직분사, 터보차저 등이 보편화되고 있습니다. N/A방식 MPI나 기회기식 엔진에 비해 이런 엔진은 뿌려지는 연료가 미세하고 공기의 유동성이 커지다보니 그 영향으로 인한 불완전연소된 미세 매연, 배기가스 입자수가 많습니다. 또한 출력도 단위 기름 방울들의 작은 폭발력 들이 합해지는 것인데 끈기있게 꾸준히 타는 장작이 아닌 가는 불쏘시개나 낙엽이 타듯하는 화력입니다. 그러다 보니 잔뜩 공기와 연료를 집어넣어주지 못하는 조건에서는 여유있고 끈덕진 화력이 안나오죠. 즉, N/A 차량은 장작처럼 초반부터 끈덕지고 강한 열이 나올 수 있다면 직분사 차량은 터보차져가 돌기 전까지는 뜨겁기는 하나 끈덕지고 강하지는 못한 열이 발생하는 것으로, 출력으로 나오는 토크 또한 그런 양상입니다. 그래서 직분사 엔진은 터보차져가 충분히 작동하기 전까지는 N/A 엔진보다 토크빨이 약해서 가속감도 떨어지다가 터보차져가 잔뜩 연료와 공기를 밀어넣고 분주하게 rpm을 올려서 작동하고 온도도 올라가면 토크가 빠르게 상승합니다. 출력특성이 부드럽게 상승했다 하강하지 못하고 서서히 답답하게 상승하다가 갑자기 너무 빠르게 상승하고 줄때는 너무 빨리 줄어들게 되지요. 터보랙으로 인해 차가 액셀을 밟아도 지연이 심하다가 갑자기 튀어나가고 액셀을 풀면 갑작스레 엔진브레이크가 걸리는 이유입니다. 운전자의 의지와 오차가 크게 반응하므로 안전운전에도 불리하고 시간당 에너지 변화가 큰 상태서 미션이 빠르게 체결되면 미션충격도 커져서 내구성이 짧아지기 쉽지요.
이런 직분사 터보차저 차량들에 VID를 적용해서 배기량 크고 기통수가 더 많은 N/A 처럼 편안하고 부드러운 토크 상승과 하강을 얻어서 좋은 질감의 토크밴드를 얻는 것이 참 즐거운 경험입니다. 자동차라는게 인간의 기대치에 잘 부응하고 반응해야 하는데 그런 고급스런 반응성을 얻는데 도움이 크게 됩니다. 직분사와 터보 같은 최근 기술이 제공하는 개선된 연비와 이산화탄소 저감, 저배기량 엔진을 사용할 수 있으면서도 다기통 고배기량 차량에서 느끼던 후덕하고 자연스럽고 운전하기 편하고 고급스런 토크특성을 닮아갈 수 있으니까요.
생물중에는 사이드와인더라는 사막에 사는 방울뱀이 있습니다. 이녀석은 동물이나 광물에서 방출되는 적외선(IR, Infrared)을 정밀하게 구별하여 먹이를 사냥하는 독사인데, 열역학적인 표현으로는 1만 분의 1도를 구별한다고 말하기도 합니다. 분광학적으로는 IR 스펙트럼의 주파수와 그 세기로 일반 물체와 생물체를 아주 정교하게 감지한다고 보면 됩니다. 미군이 만든 아주 정교한 열추적 미사일에 이녀석 이름이 붙어있기도 합니다. 아군의 전투기와 적군의 전투기, 무기 등에서 나오는 열 스펙트럼을 구분해서 적군의 전투기와 무기를 추적해서 공격하는 타격 미사일중의 한 모델에 붙은 이름이죠.
에너지 변환장치인 엔진, 그것에 도움을 주는 VID에 대하여 과학이론을 근거로 살펴봤네요. 자동차 엔진과 VID에 대한 해석은 나름 제가 배웠던 물리학, 화학, 전지전자, 그리고 독학했던 자동차공학과 전자제어, IT분야에 종사하면서 경험했던 임베디드 시스템과 SW 등에 대한 복합적인 이해를 근거로 하고 있습니다.
유기화학, 물리화학, 물리학, 자동차구조에 대한 배경 설명이 도움이 되었으면 합니다.
버그픽스 올림.
버그픽스의 생활튜닝연구소 http://cafe.naver.com/bugfixlifetuninglab 031-8003-7489
참고자료:
참고자료: 자동차에서 힘의 균형과 고장문제에 대한 고찰 미션의 충격을 줄이는 튜닝 (MT, AT, CVT, DCT) 자동차 회사의 다운사이징 살펴보기
P.S. 버그픽스의 생활튜닝연구소에서는 VID(Variable Ignition Distributor)의 토크보상 관점의 튜닝효과에 주목하여 "토크보상킷"이란 별명을 사용하고 있습니다.
--- 버그픽스의 생활튜닝연구소에서 자동차를 튜닝하는 목적은 양보다 질을 올리기 위함입니다. 자동차에서 아쉽거나 부족한 점을 보완하여 그 차만의 숨은 매력과 장기를 드러내게 하여 행복한 자동차생활을 만들어드립니다.
최대출력, 최대마력, 제로백 등 같은 양적 수치보다는 얼마나 운전자의 의지에 오차없이 반응하고 노면을 즐겁고 편안하고 정확하게 반응하면서 일체화된 느낌을 가질 수 있느냐에 주목합니다.
순정차량의 개조없이 자연과학의 기본인 에너지 흐름이 자연스럽게 인간과 조화되도록 보강하고 보정하는 비개조식, 친환경 튜닝 영역을 개척하고 있습니다.
원문: 연료와 같은 유기물에 잘 공진되는 IR대역 스펙트럼에 대한 고찰과 엔진튜닝 효과에 대한 이해 http://cafe.naver.com/bugfixlifetuninglab/95
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