자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 3-1 엔진 냉각 시스템

 

 

 

 

 

 

이번 포스팅에서는 자동차 엔진의 열을 관리하는 냉각 시스템에 대해 알아보겠습니다 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

엔진에 냉각 시스템이 필요한 이유

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 엔진 냉각 시스템이 필요한 이유는 크게 세 가지로 볼 수 있습니다. (1) 엔진을 냉각하여 발생하는 과도한 열을 제거하고 (2)엔진이 작동할 수 있는 작동 온도를 최대한 빨리 도달하게 합니다. (3) 마지막으로 엔진이 가장 효율적으로 작동할 수 있는 온도를 유지합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 엔진 실린더에서 발생하는 연소 가스의 온도는 약 1500~2000°C 정도의 고온이며, 이는 실린더 바디와 엔진 헤드 소재의 녹는점보다 높은 수치입니다. (녹는점이 가장 높은 금속인 백금은 1750°C, 철은 1530°C, 알루미늄은 657°C 수준) 따라서 이 열을 방치하면 부품의 손상은 물론이며 엔진의 고장 원인이 될 수 있습니다. 또한 높은 온도로 인해 윤활유의 피막이 산화되어 표면에 탄소 침전물이 생성되며, 이로 인해 피스톤이 고착됩니다. 결국 과도한 열은 엔진의 고장 원인이 되므로 따라서 온도 변화를 최소화해야 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 엔진에서 에너지를 보다 효율적으로 활용하기 위해서는 일정한 온도를 만족해야 합니다. 정지 상태의 차가운 엔진을 단시간의 예열로 작동에 필요한 수준의 고온을 빠르게 도달하고 이 온도가 일정하게 유지 될 수 있도록 해야 하죠. 이 기능 역시 쿨링 시스템이 필요한 이유인데요, 엔진이 차가울 때에는 냉각수의 흐름을 제한하여 작동 온도에 신속하게 도달하도록 도와주고 엔진 작동 시에는 연소실에서 발생하는 열의 30% 정도만 제거하여 엔진이 작동에 필요한 온도를 유지할 수 있도록 합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

엔진 냉각 방식: 공냉식

 

 

 

 

 

 

 

 

 자동차 엔진의 냉각방식에는 크게 공랭식과 수냉식이 있습니다. 공냉식은 공기 및 바람으로 열을 식히는 방법이고, 수냉식은 유체를 통해 열을 식히는 방법입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 공냉식 시스템은 공기의 흐름에 의해 열이 외부로 전달 되는 방식으로, 얇고 넓은 형태의 알루미늄 핀을 엔진 블록에 장착하여 이 알루미늄 핀이 실린더의 열을 흡수하고, 외부의 공기로 이 핀의 열을 제거하는 방식으로 엔진을 냉각시킵니다. 보다 효율적인 냉각을 위해 실린더와 실린더 헤드 주변에 핀을 장착하여 외부 공기의 접촉 면적을 넓히는 것이죠. 냉각수 등의 액체가 없기 때문에 추운 날씨의 균열이나 손상의 위험, 매우 더운 날씨의 액체 증발 등의 위험이 없어 사막이나 북극과 같은 극단적인 기후 조건에서도 문제 없이 사용 할 수 있습니다. 공냉식은 대부분 마력이 낮은 트랙터, 오토바이, 스쿠터, 소형차 또는 기계의 운동 속도가 엔진 냉각에 효율적인 출력을 내는 소형 항공기 엔진 등에서 사용합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 공냉식 시스템의 장점으로는 (1) 설계가  간단하고 (2) 워터 재킷, 라디에이터, 순환 펌프 및 냉각수 등이 없기 때문에 무게가 상대적으로 가볍고 (3) 비용이 저렴하며 (4) 관리 및 유지 보수도 편리합니다.
공랭식 시스템의 단점으로는 (1) 공기의 열전달 계수가 물의 열전달 계수보다 낮기 때문에 상대적으로 냉각 시스템의 효율성이 떨어지고, (2) 실린더 주변을 시원하게 유지하기 쉽지 않아 실린더 변형이 발생할 수 있습니다. (3) 또한 작동 소음이 많이 발생하고 (4) 주변 온도, 분진, 공기 유입이 어려운 상황에 따라 효율이 떨어질 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

엔진 냉각 방식: 수냉식

 

 

 

 

 

 

 

 

 수냉식 시스템은 냉각수를 사용하여 엔진의 열을 식히는 방식입니다. 엔진 내에 냉각수가 순환하는 관을 구성하여 이 관을 통해 부동액과 혼합된 냉각수가 순환하면서 엔진의 열을 낮춰줍니다. 오늘날 대부분의 자동차 엔진에서 사용하는 냉각 방식이 바로 수냉식이죠.

 

 

 

 

 냉각수 통로가 실린더 주위의 엔진 블록, 실린더 헤드의 위를 통과하여 흐르며 엔진의 열을 흡수하고, 뜨거워진 냉각수는 열 교환기의 한 종류인 라디에이터로 이동하여 다시 차가워 집니다. 이렇게 차가워진 냉각수는 처음으로 되돌아가 열을 다시 흡수하는 순환을 합니다. 냉각수를 순환 시키기 위해 별도의 펌프가 동작을 하죠. 일반적으로 엔진에서 열이 발생하는 곳은 윗부분이며 라디에이터는 아랫 부분에 장착이 되는데 이는 뜨거운 물이 찬물 위로 상승한다는 원리를 응용하여 냉각수의 순환을 돕습니다. 

 

 

 

 

 

 수냉식 엔진의 장점은 (1) 엔진 예열 시간이 빠르고 (2) 공기보다 열용량이 높기 때문에 엔진 온도를 더 안정적으로 유지할 수 있습니다. 보다 좋은 엔진 성능을 낼 수 있는 것이죠.  
수냉식 엔진의 단점은 (1) 공냉식 엔진에 비해 라디에이터, 워터 펌프, 냉각수 및 호스와 같은 시스템 구성 요소가 많아 설계가 복잡합니다. (2) 엔진의 무게도 무거워지고 가격도 보다 비싸지죠. (3) 또한 관리 측면에서 공냉식에 비해 번거롭습니다. 예를 들어 엔진 과열 시에 증발 등으로 시스템 내 냉각수가 약간씩 손실이 발생하는데, 일정한 양의 냉각수가 항상 순환해야 하므로 주기적으로 보충을 해주어야 합니다. (4) 극한의 환경에서는 냉각수의 증발, 결빙 등으로 엔진 고장을 야기할 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

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