엔진 냉각 시스템이 어떤 원리에 의해 작동하는지 궁금하셨나요? 자동차 엔진 냉각 시스템이 필요한 이유와 엔진 냉각 시스템 작동 원리에 이어 수랭식 냉각 시스템과 전기차 냉각 시스템에 이어 라디에이터 캡 원리와 엔진 냉각 시스템 관리 방법에 대해 아래에서 자세히 알아보시기를 바랍니다.
글을 시작하며
오늘은 자동차 엔진의 생명유지장치인 냉각 시스템에 대해서 자세히 알아볼 예정입니다. 사람의 몸이 36.5°C의 체온을 유지해야 살아갈 수 있듯이 자동차 엔진 또한 적절한 온도를 유지해야 하며 그 온도를 유지하지 못하면 엔진이 과부하가 걸려서 고장 나게 됩니다.
특히 현재는 예전부터 활성화되어 있었던 내연기관 자동차뿐만 아니고 하이브리드 자동차나 플러그인 자동차 그리고 전기차나 수소차 등 다양한 종류의 자동차들이 상용화되고 있습니다. 따라서 예전에는 단순히 엔진의 온도를 낮추는 것이 목표였다면 지금은 엔진의 열을 관리에서 에너지 효율을 극대화하는 것이 주요 목표로 자리 잡았습니다.
그렇다면 냉각 시스템은 왜 필요하고 수랭식 냉각 시스템이란 무엇이며 냉각 시스템 작동 원리 이어 전기차 냉각 시스템과 라디에이터 캡 원리 그리고 어떻게 냉각 시스템을 관리해야 하는지에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
엔진 냉각 시스템이 필요한 이유
엔진은 열기관 중 하나로 연료를 태워서 열에너지를 운동 에너지로 바꾸는 장치입니다. 따라서 이 과정에 연소실 내부의 온도는 순간적으로 2,000도에서 2,500도까지 올라가게 됩니다. 그렇다면 만약 냉각 시스템이 없다면 자동차 엔진에서는 어떤 일들이 발생할까요? 만약 냉각 시스템이 없다면 크게 3가지 경우가 발생할 수 있습니다.
첫 번째는 금속의 용해 및 변경 과정으로 피스톤과 실린더가 녹아서 서로 붙게 되는 고착 현상이 발생할 수 있습니다.
두 번째는 조기 점화로 엔진이 너무 뜨거우면 스파크 플러그가 불꽃을 튀기기 전에 먼저 연료가 폭발해 버려 노킹 현상이 발생하여 엔진을 파괴할 수 있습니다.
세 번째는 오일 점도가 낮아지는 것으로 엔진 오일이 너무 타버리거나 너무 멀어져서 엔진 오일이 가져야 하는 윤활 기능이 제대로 발휘할 수 없을 것입니다.
하지만 이와 정반대로 엔진이 너무 차가워져도 문제가 발생할 수 있습니다. 엔진이 너무 차가워지면 연료가 잘 기화되지 않아서 불완전 연소가 발생하게 되는데, 그로 인해서 대기 오염 물질을 많이 배출하게 되어 연비가 떨어질 수 있습니다. 따라서 자동차 냉각 시스템의 주된 목적은 엔진의 온도를 무조건 차갑게 지키는 것이 아니라 약 85°C에서 105°C 정도의 가장 최적의 작동 온도를 잘 유지 할 수 있는 것입니다
그렇다면 냉각 시스템에 있어서 가장 기본이 되는 수랭식 냉각 시스템은 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
수랭식 냉각 시스템
현재 대부분의 자동차에서는 공기로 온도를 낮추는 공랭식 냉각 시스템이 아니라 냉각수를 순환시켜서 온도를 낮추는 수랭식 냉각 시스템을 사용하고 있습니다. 그렇다면 수랭식 냉각 시스템을 구성하고 있는 5가지 요소에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
수랭식 냉각 시스템의 첫 번째 요소는 급수 펌프로 냉각수를 엔진 구석구석으로 보내는 마치 심장과도 같은 역할을 수행합니다.
예전에는 구동 벨트에 급수 펌프가 연결되어 엔진 회전수에 따라서 기계적으로 돌아갔기 때문에 엔진이 멈추면 펌프도 멈춘다는 단점이 있었습니다. 하지만 최근에 급수 펌프는 전동 급수 펌프를 사용하기 때문에 엔진 회전수와 상관없이 전자 제어장치에 따라서 펌프 속도를 조절합니다. 그렇기 때문에 냉각이 필요 없을 때는 급수 펌프의 작동을 멈춰서 연비를 높일 수 있고 시동을 끈 후에도 터보차저 등의 온도를 낮추기 위해서 계속해서 워터 펌프를 가동할 수 있다는 장점이 있습니다
수랭식 냉각 시스템에 두 번째 요소는 써모 스텟으로 냉각수의 흐름을 제어하는 밸브입니다. 만약 써모 스텟이 닫혀있을 때는 엔진 시동을 걸고 난 직후에 냉각수는 라디에이터로 하지 않고 엔진 내부에서만 도는 데 이를 소순환이라고 부르며 엔진 온도를 빨리 올릴 수 있습니다. 반면 써모 스텟이 열려 있을 땐 엔진이 80~90도 정도의 온도에 도달하면 자동으로써 써모 스텟이 열려서 냉각수가 라디에이터로 옮겨지는데 이를 대순환이라고 부릅니다. 따라서 예전에는 왁스 가열의 팽창 하는 원리를 이용하는 기계식 방식을 사용하였지만, 요즘에는 전자 제어 방식을 이용하여서 엔진 부하 상태에 따라서 개방 온도를 정밀하게 조절할 수 있습니다.
수랭식 냉각 시스템의 세 번째 요소는 라디에이터로 열 교환기 역할을 수행 합니다. 라디에이터는 엔진에서 뜨거워진 냉각수를 시키게 되는데 이때 얇은 알루미늄 핀이 촘촘하게 박혀 있어서 공기와 닿는 면적을 극대화하여 더 효율적으로 냉각수를 시킬 수 있습니다. 또한 달릴 때 들어오는 바람을 이용하여 냉각수의 열을 밖으로 내보낼 수 있습니다.
수랭식 냉각 시스템의 네 번째 요소는 냉각팬으로 호흡 보조기와 같은 역할을 수행 합니다. 차가 멈춰 있거나 낮은 속도로 달릴 때는 달릴 때 들어오는 바람이 없는데 이때 라디에이터 뒤에 있는 팬이 강제로 바람을 빨아들여서 냉각수를 시키게 됩니다. 그렇기 때문에 대부분의 자동차에서는 전동식 PWM 제어 펜을 사용하여 소음을 줄이고 효율을 높일 수 있습니다.
수랭식 냉각 시스템에 다섯 번째 요소는 냉각수로 마치 혈액과도 같은 역할을 수행 합니다. 순수한 물은 0도에서 얼고 100도에서 끓기 때문에 자동차에서 순수한 물을 사용하는 것은 적합하지 않습니다. 따라서 자동차에서는 에틸렌글리콜(Ethylene Glycol) 등의 성분이 섞인 부동액을 물과 5:5 또는 4:6의 비율로 섞어서 사용하게 됩니다. 따라서 냉각수는 어느 점을 낮춰서 동파를 방지하고 끓는점을 높여서 비 등을 방지하는 동시에 녹을 방지 하는 기능을 높일 수 있는 특징이 있습니다.
엔진 냉각 시스템 원리
냉각 시스템 작동 원리는 냉각 시동과 정상 작동 온도 도달 그리고 높은 부의 주행 및 정체 구간이라는 3가지 단계에 의해서 작동하게 됩니다.
첫 번째 단계는 냉각 시동입니다. 운전자가 시동 버튼을 누르는 데 이때 엔진 온도는 바깥의 온도와 비슷합니다. 그리고 써모 스텟은 닫혀 있는 상태이며 급수 펌프는 돌아 가지만 냉각수는 엔진 블록과 헤드 내부 내에서만 돌아가게 됩니다. 따라서 히터 코어 쪽으로만 일부 공기가 순환되게 됩니다. 이 단계의 목적은 빠르게 예열해서 엔진오일의 정도를 낮추는 동시에 배출가스 저감 장치를 활성화할 수 있습니다.
두 번째 단계는 정상 작동 온도 도달 단계입니다. 냉각수 온도가 약 85°에 도달하면서 써모 스텟은 서서히 열리게 되는데 이때 뜨거워진 냉각수가 라디에이터의 상부 호수를 통해서 라디에이터 안으로 들어가게 됩니다. 라디에이터를 통과하면서 식은 냉각수는 다시 하부 호스를 통해 엔진으로 들어가게 됩니다.
세 번째 단계는 고부하 주행 및 정체 구간 단계입니다. 이때는 오르막길을 오르거나 더운 여름철에 수온의 온도가 95도에서 100도를 넘어 가게 되는데 이때 수온 센서가 해당 현상을 감지하고 전자 제어 장치의 신호를 보내게 되면 냉각 팬은 빠른 속도로 돌아가면서 강제로 열을 식히게 됩니다. 특히 최신의 나온 자동차의 경우에는 액티브 에어 플랩(Active Air Flap)이 그릴을 활짝 열어서 공기 유입량을 최대로 늘리기 때문에 더 빨리 온도를 낮출 수 있습니다.
전기차 냉각 시스템
간혹 전기차 소유주분 중 전기차에는 엔진이 없기 때문에 냉각 시스템이 필요 없는 것이 아니냐고 생각을 할 수 있는데 전기차에도 더 복잡하고 정교한 냉각 시스템이 필요합니다. 그렇다면 전기차에서 사용되는 냉각 시스템인 통합 열 관리 시스템은 무엇인지 아래에서 자세히 알아보도록 하겠습니다
전기차에서는 엔진 대신 모터나 인버터 그리고 감속기로 구성된 PE(Power Electric) 시스템이 열을 내는데 이때 가장 중요한 것은 고전압 배터리입니다. 배터리의 온도가 너무 차가우면 주행 거리가 줄어들지만 너무 뜨거우면 화재 위험성이 있으면서 배터리 수명이 급격하게 줄어들 수 있습니다. 따라서 배터리는 25도에서 35도 정도 온도가 가장 적당합니다.
내연 기관차에서는 엔진의 낭비되는 열을 이용하여 난방을 가동했지만 낭비되는 이 매우 부족합니다. 그렇기 때문에 히트 펌프 기술을 사용합니다. 전기차의 모터와 배터리에서 발생하는 아주 작은 열들을 열심히 모아서 냉매를 압축시킨 후 실내 남방의 활용 하게 되는데 이것이 2026년에 전기차에서 겨울철 주행거리를 결정짓는 중요한 요소로 작동하게 됩니다.
그리고 만약 배터리를 급속 충전 중이거나 빠른 속도로 주행하고 있어서 배터리가 너무 뜨거워지면은 단순히 라디에이터만으로 배터리 온도를 낮추는 것이 무리일 수 있습니다. 따라서 이때는 에어컨 냉매를 이용하여 냉각수를 차갑게 만드는 킬러라는 장치를 통해서 배터리 온도를 빠르게 낮추는 것이 필요합니다.
그렇기 때문에 현재 전기차 냉각 시스템은 냉각수 회로와 에어컨 냉매 회로 그리고 배터리 관리가 하나로 통합되어서 서로 열을 주고받는 유기적인 시스템으로 진화하게 되었습니다.
라디에이터 캡 원리
냉각 시스템에서 가장 중요한 라디에이터 캔 원리에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다
물은 대기압인 1기압에서 100도에 끓지만 엔진 내부 온도는 100도를 넘어갈 때가 정말 많습니다. 만약 냉각수가 끓어올라서 수증기가 된다면 냉각 효율은 떨어지며 엔진은 터질 수 있습니다. 따라서 해당 현상을 막기 위해 라디에이터 뚜껑은 내부를 밀폐시켜 압력을 높이는 방식을 사용합니다.
마치 압력밥솥처럼 내부 압력을 대기압보다 높은 1.1~1.3bar 정도로 유지하면 냉각수의 끓는점은 약 110도에서 120도까지 올라갈 수 있으니 100도가 넘어가는 상황에서도 액체 상태를 유지하며 냉각 기능을 유지할 수 있습니다
다만 주행 하고 난 후에 라디에이터 뚜껑을 열면 안 되는데 라디에이터 캔 뚜껑을 여는 순간 압력이 다시 대기압 인일 기압으로 떨어지면서 100도가 넘는 냉각수가 순식간에 끓어오르며 폭발하듯 분출할 수 있기 때문에 심각한 화상을 입을 위험이 있습니다. 따라서 주행을 끝마쳤다고 해서 라디에이터 캡을 바로 열지 않기를 바랍니다.
엔진 냉각 시스템 관리 방법
자동차 냉각 시스템 또한 관리가 필요한데 크게 3가지 방법으로 관리 할 수 있습니다
첫 번째 관리 방법은 냉각수 색깔과 양을 확인하는 것입니다. 보조 탱크의 수 위 가나 L 사이의 위치에 있는지 확인해야 하는데, 만약 냉각수 색깔이 탁한 갈색이나 검은색으로 변했다면 이는 내부에 노기 발생했거나 엔진오일이 섞인 것일 수 있어 최대한 빨리 교체해야 합니다. 물론 부동액은 5년에 주행거리 100,000km 이상 사용할 수 있지만 그 이전에 상태가 변질될 수 있으니 상태가 이상하면 바로 점검받아야 합니다.
두 번째 관리 방법은 바닥에 누수 흔적을 확인 하는 것입니다. 주차된 차 바닥에 녹색이나 분홍색 또는 파란색 액체가 떨어져 있다면 이는 냉각수가 누수 되어 있을 확률이 매우 높습니다. 또한 냉각수는 그 특유의 달콤한 냄새가 나니 만약에 자동차 주차된 곳 밑에 액체에서 달콤한 냄새가 난다면 냉각수가 누수되었다는 사실을 의심해 보시기를 바랍니다.
세 번째 관리 방법은 수온계의 움직임을 확인 하는 것입니다. 계기판에 있는 수원계는 항상 C(Cold)와 H(Hot) 사이의 중앙에 있어야 하는데, 만약 HOT인 쪽으로 바늘이 움직인다면 즉시 안전한 곳에 차량을 정차한 후 시동을 끄고 나서 차량을 견인해야 합니다. 만약 무리에서 주행 한다면 엔진 헤드가 변형 되어 폐차 수준까지 수리비가 많이 나올 수 있으니 이 점 유의하시기를 바랍니다.
글을 마치며
지금까지 냉각 시스템이 필요한 이유와 수랭식 냉각 시스템의 이어 냉각 시스템 원리와 전기차의 냉각 시스템 그리고 라디에이터의 원리에 이어 냉각 시스템 관리 방법까지 자세히 알아보았습니다.
예전에는 냉각 시스템이 단순히 온도를 내리는 역할만 했다면 요즘에는 에너지를 효율적으로 분배하고 관리하는 지능형 에너지 매니저의 역할도 함께 수행하고 있습니다. 따라서 요즘 나오는 냉각 시스템은 모두 효율과 내구성이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 역할을 수행하는 것이라고 보면 됩니다.
하지만 자동차 냉각 시스템 또한 관리가 필요한 영역이기 때문에 평소에 냉각 시스템을 관리하지 않았다면 이번 기회에 가까운 정비소에 들러 냉각 시스템에 문제가 없는지 한번 확인해 보시기를 바랍니다.