테트라에틸납: 한 가지 문제에 대한 해결책이자 많은 새로운 문제의 원인

1920년대부터 1970년대까지 미국의 대부분의 휘발유 자동차는 납이 혼합된 연료를 사용했습니다. 그 이유는 당시 내연기관의 이상 연소로 인한 엔진 노킹 효과를 줄이기 위함이었습니다. 여기에는 테트라에틸납 형태의 납이 효과적이었지만, 1920년대에도 대체 노킹 방지제의 존재와 납 노출이 건강에 미치는 영향에 대한 불편한 인식이 있었습니다.

우리는 무엇이 테트라에틸납을 채택하게 되었는지, 그리고 환경 및 건강 관련 문제가 집중되면서 테트라에틸납이 단계적으로 폐지된 이유를 살펴보겠습니다. 하지만 노크 방지 효과는 어떻습니까? 우리는 또한 그 자리를 대신한 대체 노킹 방지제와 요즘 이 엔진 노킹 문제가 어떻게 처리되는지 살펴볼 것입니다.

내연 기관(ICE)에서 이상적으로는 실린더에 주입된 공기-연료 혼합물이 화염 전면이 점화 지점에서 바깥쪽으로 이동하는 완벽한 순간에 점화되어 공기-연료 혼합물이 모두 연소됩니다. 완전히 위로. 이렇게 하면 연료 혼합물의 에너지를 최대한 활용하는 동시에 피스톤의 깨끗한 스트로크가 가능해집니다.

그러나 실제로는 이 연료-공기 혼합물 주머니가 화염 전면에 도달하기 전에 점화됩니다. 이러한 소위 '냉염'은 피스톤에 의한 압축과 혼합물의 약간의 불균일성으로 인해 발생하여 실린더에 추가 압력 파동을 유발합니다. 이로 인해 실린더 압력이 상승하고 엔진 노킹을 나타내는 일반적인 금속성 핑 소음이 발생합니다. 스파크 플러그의 화염 전면 외부에서 점화되는 이러한 포켓의 수에 따라 결과적으로 구성 요소의 마모가 증가하거나 심지어 완전히 파손될 수도 있습니다.

따라서 연료의 옥탄가는 연료가 점화될 압축 수준(스파크 없이)을 본질적으로 결정하므로 매우 중요합니다. 따라서 옥탄가가 높은 연료는 연소가 덜 쉽지만 훨씬 더 높은 수준의 압축이 가능하여 효과적으로 더 많은 전력을 생산합니다. 대조적으로, 디젤 엔진은 공기만 압축하고, 압축 사이클이 끝날 때 연료가 분사되고, 압축된 공기의 열이 연료를 점화시키기 때문에 더 낮은 옥탄가의 연료가 필요합니다.

다행히도 이러한 조기 점화 효과를 방지할 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

자동 점화가 발생하는 온도와 압력을 높여 연료의 옥탄가를 높이는 화학 물질인 소위 노킹 방지제를 사용하여 첫 번째 지점을 선택할 수 있습니다. 테트라에틸납(TEL)이 그러한 물질의 한 예입니다. 그 화학 공식은 (CH3CH2)4Pb입니다.

엔진 실린더 내부에서 TEL의 기능은 차가운 화염의 연쇄 반응을 지속시키는 열분해된 라디칼을 처리하여 화염 전면 외부에서 발생하는 자연 발화를 끄는 것입니다. 여기서 납은 실제 반응성 물질이고 나머지 TEL은 가솔린에 용해되는 역할을 합니다(해당 알킬 그룹 제공).

TEL이 연소되면서 이산화탄소, 물, 납이 생성됩니다.

납은 산소와 추가로 반응하여 산화납(II)을 형성할 수 있습니다.

그대로 두면 납과 산화납(II)이 엔진 내부에 축적되어 엔진을 파괴하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 1,2-디브로모에탄 및 1,2-디클로로에탄과 같은 납 제거제를 첨가하여 브롬화납(II)과 염화납(II)을 각각 형성합니다(불행히도 둘 다 요오드화납(II)만큼 아름답지는 않습니다). 이러한 화합물은 정상 작동 중에 엔진에서 쉽게 제거되어 환경으로 방출됩니다.

납 외에도 휘발유 연료의 옥탄가를 높이는 두 가지 다른 물질인 에탄올(C2H6O)과 벤젠(C6H6)이 알려져 있습니다. 에탄올의 경우 이러한 옥탄가 상승 특성은 에탄올이 가솔린 연료의 완전한(비록 비용이 많이 드는) 대체품으로 적합하기 때문입니다. 기본적으로 에탄올은 대부분의 휘발유 연료보다 옥탄가가 높기 때문에 휘발유 연료에 일정 비율의 에탄올을 혼합하면 후자가 더 높은 옥탄가를 갖게 되어 원하는 노킹 방지 효과를 얻을 수 있습니다.