엔진 실린더 블록 재질은 크게 4가지로 회주철과 단조 주철 그리고 알루미늄 합금과 마그네슘 합금으로 나누어 볼 수 있습니다. 그렇다면 이 4가지 실린더 블록 재료가 어떤 특징과 장단점을 지니고 있는지 정리하였으니 실린더 블록 소재별 차이점에 대해 자세히 알아보시기를 바랍니다.
자동차에 있어 심장이라고도 불리는 엔진에서 가장 거대한 부품이 바로 실린더 블록입니다. 전기차가 보편화되어 가고 있는 과도기에서 플러그인 하이브리드 차량과 고효율 하이브리드 차량의 수요가 많아지면서 어떤 엔진 실린더 블록 재질을 사용할 것인지 많이 논의되고 있습니다. 예전에는 단순히 튼튼한 재질만을 선호하였지만 이제는 열효율과 경량화 그리고 친환경성 등 다양한 목적을 달성하기 위해 고민하고 있습니다.
그렇기 때문에 이 글에서는 예전과 현재 어떤 실린더 블록 재질이 사용되었으며 각 실린더 블록 소재가 지닌 특징과 장단점에 대해 정리하였으니 이 글을 통해 실린더 블록 재료에 따라 자동차 성능이나 연비 그리고 지구 환경에 어떤 영향을 미치는지 확인해 보시기를 바랍니다.
엔진 실린더 블록 필요성
실린더 블록은 엔진에 있어 가장 기초가 되는 부분인데 안에는 피스톤이 왕복 운동하는 원통형 공간의 실린더가 있으며 냉각수가 흐르는 워터 재킷 그리고 엔진 오일이 순환하는 오일 갤러리 등이 복잡하게 구성되어 있습니다. 그렇다면 실린더 블록의 재질이 왜 그렇게나 중요할까요? 그 이유는 실린더 블록이 견뎌야 하는 환경이 가혹하기 때문입니다.
첫 번째는 초고온과 초고압의 환경을 견뎌야 하기 때문입니다. 연소실 안에서 발생하는 1,000도가 넘는 엄청난 열과 수십에서 수백 바에 달하는 엄청난 압력을 견뎌야 합니다.
두 번째는 반복되는 마찰을 견뎌야 하기 때문입니다. 1분에 수천 번의 상하 운동을 하는 피스톤이 만들어 내는 엄청난 마찰을 견뎌야 하며 그로 인해 발생하는 마모를 최소화해야 합니다.
세 번째는 진동과 소음을 흡수하는 것이 중요합니다. 4행정 사이클 중 폭발 행정에서 발생하는 엄청난 진동과 소음을 흡수한 후 줄여야 하는 것이 중요합니다.
네 번째는 경량화로 무게를 줄이는 것이 중요합니다. 실린더 블록은 엔진 전체 무게의 약 20~30%를 차지하는 것처럼 엄청나게 무거운 부품이기 때문에 실린더 블록을 가볍게 만든다면 자동차 전체의 연비를 높일 수 있고 배기가스 배출량을 줄일 수 있습니다.
엔진 실린더 블록 재질 비교
현재 사용되는 엔진 실린더 블록 재질은 크게 4가지로 회주철, 단도 주철, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금이 있습니다.
경량화의 관점에서 보면 회주철은 매우 무거워서 제일 안 좋으며 단조 주철이 그다음으로 무겁고 알루미늄 합금은 가벼운 편이고 마그네슘 합금이 가장 가볍습니다.
강도나 내구성의 관점에서 본다면 회주철은 좋고 단조 주철이 매우 뛰어나지만 알루미늄 합금은 평범하고 마그네슘 합금은 가장 안 좋습니다.
열전도와 관련하여 방열성에 대해 살펴보면 회주철은 매우 낮아서 제일 안 좋으며 단조 주철은 평범하지만 알루미늄 합금은 좋고 마그네슘 합금은 매우 뛰어나다는 장점이 있습니다.
소음이나 진동 억제 능력에 대해서 살펴보면 회주철은 매우 뛰어나며 단조 주철은 괜찮은 편이지만 알루미늄 합금은 평범한 편이고 마그네슘 합금은 제일 안 좋다는 단점이 있습니다.
제조 단가의 경우 회주철이 가장 저렴하지만 단조 주철은 꽤 비싼 편이고 오히려 알루미늄 합금이 평범한 편이지만 마그네슘 합금이 제일 비싸다는 단점이 있습니다.
따라서 회주철은 대형 상용차나 건설기계에 많이 사용되며 단조 주철은 프리미엄 디젤차나 고성능 터보 자동차에 사용됩니다. 반면, 알루미늄 합금은 승용차나 하이브리드 차량에 사용되며 마그네슘 합금은 레이싱카 등에 사용됩니다.
회주철
가장 오랫동안 그리고 가장 널리 사용된 엔진 실린더 블록 소재는 주철 중에서 회주철인데 이는 탄소 함유량이 2% 이상인 철 합금을 의미하며 절단면이 회색이라서 회주철이라고 불립니다.
회주철 장점은 크게 4가지로 내마모성과 진동 흡수 능력 그리고 경제성과 열변형에 대한 저항성이 뛰어나다는 것입니다.
첫 번째 장점은 내마모성과 윤활성이 좋다는 것인데 회주철 안에 있는 흑연 단면이 자체적인 윤활제 역할을 하여 피스톤 링과 발생하는 마찰을 줄여줄 수 있습니다.
두 번째 장점은 진동 흡수 능력이 뛰어나다는 것입니다. 흑연 조직이 진동과 소음을 흡수하여 부드럽게 엔진을 구동할 수 있게 해주어서 예전에 출시한 고급 세단에서 주철 엔진이 많이 사용되었습니다.
세 번째 장점은 주조성이 좋아 경제적이라는 것입니다. 회주철은 녹는 점이 낮아서 복잡한 형태의 실린더 블록을 만들어낼 수 있으며 원재료와 가공 비용이 적습니다.
네 번째는 열변형에 대한 저항성이 뛰어나다는 것입니다. 회주철은 열팽창 계수가 낮아서 높은 온도에서도 형태가 잘 변형되지 않고 그 모양을 잘 유지할 수 있습니다.
다만, 이런 장점에도 불구하고 회주철은 크게 2가지 단점을 지니고 있습니다.
첫 번째 단점은 무겁다는 것으로 비중이 약 7.2 수준으로 매우 무거운 편에 속합니다. 그로 인해 연비가 떨어지며 자동차의 전후 무게 배분에 악영향을 미칠 수 있습니다.
두 번째 단점은 열전도율이 낮다는 것으로 열을 빠르게 내보내지 못해서 높은 성능의 자동차나 높은 회전에서 냉각 효율이 떨어집니다.
또한 배출가스 규제와 연비를 높이지 못하는 등의 이유로 일반 승용차에서 회주철로 만들어진 실린더 블록은 거의 사라졌습니다. 하지만 내구성이 뛰어나며 경제적이라는 이유 등으로 인해 트럭이나 버스에 여전히 많이 사용되고 있습니다.
단조 주철
디젤 엔진이나 고성능 터보 엔진에서 발생하는 엄청난 폭발 압력을 견디기 위해서 주철의 강도와 알루미늄의 경량화라는 장점을 모두 살린 실린더 블록 소재가 바로 CGI라고 불리는 단조 주철입니다.
단조 주철 구조에 대해 살펴보면 회주철처럼 흑연이 얇은 조각 모양이면서 지렁이처럼 연결된 벌레 모양을 지니고 있습니다. 이런 모양으로 인해 주철과 강철의 장점을 모두 지닐 수 있게 되었습니다.
단조 주철 장점은 크게 3가지로 강도가 높고 경량화가 가능하며 열변형 저항성이 높다는 것입니다.
첫 번째 장점은 강도와 내구성이 뛰어나다는 것으로 일반 회주철에 비해 인장 강도가 75% 이상 높고 피로 강도가 2배 이상 높습니다. 그로 인해 엄청난 실린더 압력을 계속해서 견딜 수 있는 것입니다.
두 번째 장점은 경량화 설계가 가능하다는 것입니다. 단조 주철 자체가 튼튼하기 때문에 두께를 얇게 설계할 수 있어 기존 주철 블록에 비해 15~20% 정도 더 가볍게 만들 수 있습니다. 물론 그렇다고 하더라도 알루미늄 합금보다는 무거운 것이 사실입니다.
세 번째 장점은 열변형 저항성이 뛰어나다는 것입니다. 온도 변화에 따른 팽창이나 수축 반응이 적어서 실린더가 안 좋은 환경에서도 찌그러지지 않게 도와주며 오일을 적게 소모할 수 있게 해줍니다.
반면, 단조 주철 단점에 대해 살펴보면 가공하기 어렵다는 것인데 소재가 너무 질기고 단단해서 드릴로 인해 발생하는 마모가 심한 편입니다. 또한 가공하기 어려워 제조 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
그렇기 때문에 단조 주철은 예전에 아우디 르망 레이스카나 포드의 고성능 트럭 등 일부 모델에서만 사용되었는데 현재는 가공 기술이 발전되어 생산 단가를 많이 줄일 수 있게 되었습니다. 따라서 대배기량 디젤 엔진이나 고성능 하이브리드 자동차의 터보 엔진 실린더 블록 재질로 많이 사용되고 있습니다.
알루미늄 합금
알루미늄 합금의 등장으로 인해 주철에서 알루미늄 합금으로 재질이 많이 변경되었으며 현재 하이브리드 자동차나 내연기관 승용차의 90% 이상에서 알루미늄 합금 실린더 블록을 사용하고 있습니다. 그렇다면 잘 사용하던 주철을 버리고 왜 알루미늄 합금으로 재질을 변경하였을까요?
알루미늄 합금 장점은 크게 2가지로 가볍고 열 전도성이 높다는 것입니다.
첫 번째 장점은 경량화로 비중이 약 2.7 정도로 주철 대비 1/3 정도의 가벼운 무게를 자랑합니다. 따라서 실린더 블록 하나에 수십 kg을 줄일 수 있어 연비와 가속 성능을 높이며 코너링에서 더 안정적이며 부드럽게 할 수 있게 되었습니다.
두 번째 장점은 열 전도성이 뛰어난 것으로 주철보다 열전도성이 약 3배 이상 높아서 연소실에 있는 열을 냉각수로 빠르게 전달할 수 있습니다. 그로 인해 노킹 현상을 예방하며 더 높은 압축비를 사용할 수 있게 되어 엔진의 열효율을 높일 수 있어서 하이브리드 자동차에 사용되는 앳킨슨 사이클 엔진 원리에 따라 꼭 필요한 소재가 되었습니다.
그렇다고 하더라도 알루미늄 특성상 부드럽고 마모에 약해서 쇠로 된 피스톤 링과 직접 마찰할 수 없다는 단점이 있습니다. 또한 그로 인해 실린더 내벽을 보호하기 위한 추가적인 기술이 필요한데 어떤 기술이 필요한지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째 기술은 주철 라이너 삽입으로 초기 및 보급형 알루미늄 실린더 블록에 사용되는 방식입니다. 이는 실린더 구멍 안에 얇은 주철 파이프인 라이너를 끼워 넣는 것으로 경제적이지만 그만큼 무게가 올라가고 냉각 효율이 조금 떨어진다는 단점이 있습니다.
두 번째 기술은 플라즈마 코팅 기술로 현재 가장 많이 사용되는 기술 중 하나입니다. 실린더 안에 있는 라이너를 없애고 얇은 철/탄소 합금을 플라즈마 상태로 녹여서 알루미늄 내벽에 0.2mm 수준으로 얇게 코팅하는 기술입니다. 닛산이나 포드 그리고 현대자동차 등에서 사용되며 무게를 줄이면서 동시에 내마모성과 냉각 성능을 높일 수 있다는 장점이 있습니다.
마그네슘 합금
마그네슘 합금은 매우 가볍기로 유명한데 비중이 1.7밖에 되지 않아서 사실상 알루미늄보다 약 30% 이상 가볍습니다. 따라서 엔진 실린더 블록 무게를 최대한 줄이고 싶다면 반드시 사용해야 하는 재질 중 하나입니다.
물론 마그네슘 합금 장점은 가볍고 열을 빨리 식힌다는 것이지만 2가지 치명적인 단점으로 인해 널리 사용되지 못했습니다.
첫 번째 단점은 갈바닉 부식으로 철이나 알루미늄 등 다른 금속과 접촉한 상태에서 수분에 노출되면 마그네슘이 부식되어 녹아내리기 때문에 특수 코팅과 절연 볼트를 반드시 사용해야 합니다.
두 번째 단점은 크리프 현상으로 150도 이상 높은 온도에 계속하여 노출된 채로 하중을 받으면 모양이 변형되는 것입니다. 따라서 실린더 블록의 체결 부위가 헐거워질 수 있습니다.
그로 인해 BMW가 N52 직렬 6기통 엔진에서 알루미늄 코어 밖을 마그네슘 합금으로 감싸는 복합 구조를 사용하였지만 제조 단가가 높고 관리하기 어렵다는 이유로 다시 알루미늄 합금으로 돌아왔습니다. 그 이후로 순수하게 마그네슘 합금만을 사용하여 만든 실린더 블록은 거의 없습니다. 다만, F1 등 모터스포츠나 하이퍼가 등에서 희토류 원소를 첨가하여 고온 크리프 저항성을 높인 특수 마그네슘 합금을 사용하는 등 신소재를 활용하여 엔진 경량화를 추구하는 것으로 제한적으로 사용되곤 합니다.
지금까지 엔진 실린더 블록 재질 4가지인 회주철과 단조 주철 그리고 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 특징과 장점 및 단점에 대해 자세히 알아보았습니다.
결론부터 먼저 말씀드리면 모든 상황에서 다 사용할 수 있는 완벽한 금속은 아직 없다는 것입니다. 만약 무거운 화물을 끌어야 하는 트럭이라면 어떤 상황에서도 잘 변하지 않으며 내구성이 뛰어난 회주철과 단조 주철이 더 좋은 소재일 것입니다. 반면, 친환경 하이브리드 자동차에서는 최신 코팅 기술이 사용된 알루미늄 합금이 더 좋은 소재일 것입니다.
따라서 더 강하면서 가볍고 열효율이 높은 실린더 블록 소재를 찾기 위해 지금도 많은 공학자들이 연구하고 있으니 앞으로도 더 새로운 실린더 블록 소재가 등장할 것이라고 생각합니다. 그렇기 때문에 일상생활에서는 알루미늄 합금을 사용하며 상용차에서는 주철을 사용하고 있다가 새로운 소재의 실린더 블록이 등장하면 그때 관심을 가져보는 것을 추천해 드립니다.