이전 포스팅에서 언급했던 것처럼 대부분의 자동차 엔진의 냉각 방식은 수냉식입니다.
오늘은 이 수냉식 시스템에 대해 보다 자세히 알아보겠습니다
수냉식 시스템의 종류
수냉식 시스템은 크게 네 가지로 구분할 수 있습니다만, 대부분의 자동차 엔진에서는 Force Circulation Water Cooling System을 사용합니다. 그래도 각각의 시스템이 어떤 방식인지는 참고삼아 알아보도록 합시다.
1) Non-Return Water Cooling System: 물로 엔진을 냉각 후 배출하는, 냉각수를 소모하는 단순한 시스템입니다. 냉각수는 저장 탱크에서 엔진 실린더로 직접 공급 되고, 엔진을 식힌 뒤 뜨거워진 물은 냉각하여 재사용 하지 않고 그대로 외부로 배출하여 버리는 방식인데, 이 시스템은 충분한 물을 사용할 수 있는, 대용량의 탱크를 설치할 수 있는 제한적인 상황에서만 사용이 가능합니다. Low H.P. 엔진, coupled with the irrigation pump이 그 예입니다.
2) Thermo-Syphone Water Cooling System: 이 시스템은 뜨거운 물은 위로 올라가고 찬 물은 아래로 내려가는 원리로 동작하는데, 냉각수가 쉽게 순환할 수 있도록 라디에이터를 엔진보다 높은 위치에 배치합니다. 냉각수가 water jacket (냉각수가 엔진의 실린더 블록과 헤드를 순환하는 통로)을 순환하면서 열을 흡수하여 뜨거워지면 자연스럽게 라디에이터가 있는 시스템 상단으로 이동하는데, 라디에이터에서 냉각수의 열을 흡수하여 다시 차갑게 만들어 아래로 내려가게 유도합니다. 이 냉각 방식은 엔진이 작동 온도를 유지 하는 데 뛰어납니다만 몇 가지 치명적인 단점이 있습니다. (1) 냉각수의 순환 속도가 상대적으로 느리고 (2) 시스템의 온도 차이가 있을 때에 순환이 시작되며 (3) 냉각수의 수위가 라디에이터의 송출관 상단 아래로 내려가면 순환이 멈추는 현상이 발생합니다. 이러한 이유로 인해 이 시스템은 더 이상 사용되지 않고 있죠.
3) Hopper Water Cooling System: 호퍼 냉각 방식은 주로 소형 엔진에 사용되는 간단한 시스템으로 다른 수냉식 엔진들과 다르게 라디에이터가 없다는 것이 특징입니다. water jacket을 엔진 실린더를 둘러 싸는 형태로 구성하여 냉각수가 순환하며 엔진의 열을 흡수하고, 뜨거워진 냉각수는 호퍼 표면에서 증기로 증발합니다. 냉각수를 소진하는 방식이기 때문에 이 시스템이 장착된 엔진은 냉각수를 주기적으로 리필해주어야 하는 단점이 있습니다.
4) Force Circulation Water Cooling System: 오늘날 대부분의 자동차, 트럭, 트랙터 등의 엔진에서 사용하는 냉각 시스템으로, 사이폰 시스템과 구성은 유사하지만 원심 펌프를 사용하여 워터 재킷과 라디에이터 전체에 물을 순환시킨다는 점에서 차이가 있습니다. 냉각수는 라디에이터 하부에서 원심 펌프를 통해 엔진으로 이동하고 워터 재킷을 순환하며 엔진의 열을 흡수합니다. 그리고 다시 라디에이터로 돌아와 복사 과정으로 열을 소진합니다. 펌프가 장착되어 시스템의 순환이 더욱 원활하게 할 수 있도록 하는 것이 가장 큰 특징이며 이 펌프는 크랭크축의 벨트의 힘으로 작동하므로 엔진 속도가 증가함에 따라 냉각수의 흐름이 증가합니다.
Force Circulation Water Cooling System (강제 순환수 냉각 시스템)의 구성
Force Circulation Water Cooling System (강제 순환수 냉각 시스템)의 주요 구성품은 (1) 워터펌프, (2)팬 (3) 라디에이터 및 라디에이터 캡, (4) 워터 재킷, (5) 서모스탯, (6) 냉각수 등이 있습니다.
워터 펌프 (Water pump)는 시스템에서 냉각수를 순환시키는, 냉각수에 동력을 공급하는 역할을 합니다. 일반적으로 엔진 크랭크 축의 벨트의 힘으로 작동하며 원심형 펌프로 실린더 블록의 전면 중앙에 장착됩니다. 펌프의 흡입 측이 라디에이터의 하단부에 연결되고, 시스템에서 냉각수가 외부로 손실되는 것을 방지하기 위해 펌프 내부에 다양한 디자인의 씰이 장착되어 있습니다. 하이브리드 엔진이나 전기차에는 전동식 워터 펌프를 사용하기도 합니다.
팬 (Fan)은 엔진 냉각 시스템에서 대기의 공기를 라디에이터로 유입하게 하여 라디에이터의 냉각 효율을 높히고, 엔진의 외부 표면에 공기를 순환하게 하여 엔진의 열을 제거하는 역할을 합니다. 엔진 전체 냉각 시스템의 효율을 높여주는 구성품으로 일반적으로 워터 펌프 풀리에 장착되지만 일부 엔진에서는 크랭크 샤프트에 직접 연결되기도 합니다. 라디에이터가 냉각수를 식히긴 하지만 공회전 상태나 저속 운행 시에는 라디에이터의 효율이 낮기 때문에 이 팬이 냉각수를 식혀주죠.
라디에이터 (Radiator)는 외부 공기를 활용하여 냉각수를 식혀주는 역할을 합니다. 방열 효율을 높이기 위해 표면적이 넓은 핀(fin) 형태로 되어 있으며 엔진에서 나오는 뜨거워진 냉각수가 흐르는 과정에서 열을 흡수하죠. 라디에이터는 자동차 정면의 그릴 바로 뒤에 위치하며, 외부 공기와 쉽게 접촉 할 수 있도록 합니다. 라디에이터에는 라디에이터 캡 (Radiator Cap)이라고 하는 압력 스프링이 있는데요, 이 스프링이 냉각수의 압력을 높여주어 끓는 점을 낮추고 부피를 팽창 시킴으로써 냉각수를 외부로 빠져나가게 합니다. 이를 냉각수를 리저버(resorvoir)로 흐르도록 유도하여 저장한 뒤, 엔진의 온도가 하강했을 때 다시 라디에이터로 유입되게 하여 원래의 시스템으로 들어오게 합니다.
워터자켓 (Water jacket)은 엔진의 실린더 블록을 둘러싼, 흡입구 및 배출구가 있고 냉각수가 채워진 금속 케이싱입니다. 냉각수가 워터자켓을 통과하고 순환하게 하면서 연소실에서 발생하는 열을 흡수하여 엔진의 온도를 낮춥니다.
서모 스탯(Thermostat), 온도 조절 장치는 온도에 따라 라디에이터와 엔진 사이의 냉각수의 흐름을 조절하는 역할을 합니다. 엔진의 시동을 걸 때는 엔진이 작동 온도에 더 빨리 도달 할 수 있도록 연소실로 흐르는 밸브를 차단하며, 반대로 엔진이 과열하면 밸브를 열어 라디에이터를 지나 연소실로 흐르게 하여 엔진을 냉각 시킵니다. 단순해 보이지만 이러한 순환으로 냉각 뿐만아니라 크게 두 가지의 효과를 기대 할 수 있는데 1) 엔진 내부의 수분 응결이 빠르게 연소되어 연비가 좋아지고 엔진 수명이 늘어나며 2) 추운 날에는 히터의 작동을 도와 실내로 뜨거운 공기를 더 빨리 공급하게 합니다.
부동액 또는 엔진 냉각수는 엔진의 온도를 조절하는 유색 액체로 엔진 전반을 순환하며 작동 온도를 유지 하게 합니다. 일반적인 물은 날씨에 따라 얼어 버리거나 증발 해버릴 수 있고 엔진을 부식 시킬 수 있기 때문에 부동액을 사용해야 하며, 물의 끓는점보다 높아야 하기 때문에 알콜, 글리세린, 에틸렌, 글리콜 및 기타 화학 물질을 섞어 제작합니다. 보통 50:50 비율 정도로 물과 섞어 사용하며, 부동액의 비율이 너무 높으면 오히려 냉각 성능이 감소할 수 있습니다. 엔진 오일, 워셔액 등과 마찬가지로 냉각수 또한 주기적으로 점검과 교체가 필요합니다. 최소 1년에 두 번, 특히 여름과 겨울에 냉각수 레벨을 확인하는 것이 좋습니다.
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