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[자동차 이야기(61)] 자동차의 겨울나기

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[자동차 이야기(61)] 자동차의 겨울나기

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날씨가 이제 상강을 지나면서 강원도 지역은 얼음이 얼고 서울 경기북부 지역의 기온도 많이 내려가서 몸이 움츠려들고 따뜻한 곳과 따뜻한 음식을 찾게 된다. 절기에 맞추어 계절과 날씨가 잘 맞아 들어가는 것을 보면 옛 조상님들의 삶의 지혜가 녹아 있음에 새삼 감탄하게 된다.
지구온난화로 인하여 변덕스러워진 날씨에 혼란스러울 때가 많은 요즘이지만 계절의 변화에 따른 대비는 여전히 우리의 일상에 큰 부분을 차지한다.

겨울이 본격적으로 오기 전 사람들이 건강하게 지내기 위하여 예방접종도 하고 체온을 유지하는데 도움이 되는 보온성이 좋은 옷가지를 장만하거나 집안에 난방장치며 외풍을 막아주는 대비를 하는 것처럼 자동차도 겨울을 건강하게 나기 위해서는 세심한 준비가 필요하다, 자동차는 여러 가지 소재가 복합적으로 적용이 되어 있어서 어떤 것은 여름이건 겨울이건 계절에 상관없이 관리가 필요한 부분도 있고 또 어떤 것은 계절에 맞추어서 꼼꼼한 관리와 함께 경우에 따라서는 교체를 해줘야 하는 것도 있다,

우선 차량이 주행을 하는데 영향을 미치는 부분도 있고 주행에는 영향을 미치지 않지만 필수적으로 교체해야 하는 것도 있다. 차량이 정상적으로 주행을 하기 위해서는 내연기관, 변속시스템, 주행 장치, 제동장치, 조향장치, 각종램프, 냉,난방장치, 등 많은 장치들이 유기적으로 작용을 한다, 그럼 장치별로 겨울을 건강하게 나기 위한 방법을 알아보도록 하겠다.

내연기관
1) 냉각수

내연기관은 사용하는 연료에 따라 냉각장치의 구조와 장치의 구성이 조금씩 다르다,
공통적으로는 내연기관의 온도를 정상적으로 유지하기 위하여 있는 냉각수가 있으며 냉각수의 주성분은 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 물과 섞어 만든 혼합용액으로 보통 부동액이라 부른다. 에틸렌글리콜(HOCH2CH2OH)은 탄소계열의 유기화합물이며 독성이 있어 인체에 흡입되면 안 된다. 최근에는 독성이 약한 프로필렌글리콜(HOCH(CH3)CH2OH)를 사용하는데 에틸렌글리콜은 한개의 탄소에 결합된 H 대신에 CH3가 결합되어 프로필렌글리콜이 되며 에틸렌글리콜보다는 독성이 완화되어 인체에 무해(non-toxic)한 부동액은 프로필렌글리콜 성분이 대부분이다.

위와 같은 성분의 부동액을 겨울철 동파를 방지하기 위하여 수돗물과 희석을 하여 정해진 용량만큼 냉각장치에 주입을 한다. 일반적인 차량의 냉각수 용량은 대략 7리터 전후다 이 냉각수는 일정기간 사용을 하게 되면 내연기관의 온도변화에 따라 냉각수 온도 또한 변화를 하며 시간이 지나면 냉각수 성분이 산성화 되어 냉각라인에 스케일 침전과 심한 경우 녹발생과 더불어 각종 고무제품(러버)에 경화를 일으켜 신축성을 잃게 만들고 이로 인하여 밀봉이 느슨한 부위에서는 냉각수 누출이 일어난다. 냉각수가 부족하거나 냉각라인에 녹이 발생 되면 교체비용은 물론 시간 또한 많이 소요된다.

내연기관의 냉각라인구성은 라디에이터(냉각수순환코어) 워터펌프, 리저버탱크, 냉각팬모터, 각 부위를 연결시키는 호수(러버) 엔진블록, 세이프티 플러그, EGR쿨러, 오일쿨러, 등이 차량에 공통적으로 적용되고 연료특성에 따른 냉각장치의 추가는 아래와 같다.

하이브리드 & 전기자동차
인버터, 컨버터 냉각장치, 라디에이터, 워터모터, 리저버탱크,
수소자동차
스택, 라디에이터, 리저버탱크, 워터모터,

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냉각수 종류(왼쪽)와 냉각수 농도측정계.


2)엔진오일
냉각수와 더불어 중요한 관리 품목인 엔진오일은 대부분 사계절을 대응하도록 점도지수가 특정되어 나온다. 그래도 구분을 하자면 엔진오일의 여러 특성중 유동성 이라는 것이 있는데 이 유동성은 온도와 밀접한 관계가 있는데 온도가 내려가면 유동성이 떨어지면서 냉간시에는 윤활이 원활하게 이루어지지 않는다, 이런 경우에는 소음과 더불어 금속에 미세한 상처가 발생 하거나 심한 경우 고착이 발생할 수도 있다, 오일의 점도 지수는 국제 규격으로 사용 온도별 구분이 있는데 겨울철은 대부분 5~30W 정도 규격을 사용한다. 앞의 숫자가 낮을수록 냉간시 유동성이 우수하고, 숫자가 커질수록 높은 온도에서도 일정한 점도를 유지 한다. 또한 엔진의 온도가 상승할 경우 점도 지수가 낮은 오일의 경우 엔진에 문제를 발생시키기 때문에 너무 숫자가 낮은 것만이 좋은 것은 아니다. 참고로 엔진오일의 기능을 살펴보면 아래와 같다.

엔진오일의 4대작용
윤활작용: 내연기관(엔진)의 경우 시동을 걸고 정상 온도에서 분당회전수가 650~750rpm 회전을 하는데, 내연기관의 구성을 보면 피스톤, 밸브기구, 크랭크축, 캠샤프트, 체인장치등과 이외에도 크고 작은 부품구성에 윤활이 필요 하며 각 부품이 원활하게 작동을 하고 마모 발생을 억제하는 작용을 한다. 특히 엔진블록 내부를 피스톤은 상하 운동을 하는데 이 때 엔진블록 측면과 피스톤은 마찰이 발생되는데 엔진오일이 엔진블록과 피스톤의 마모를 줄여주는 역할을 한다.

기밀유지: 내연기관의 엔진블록과 피스톤은 압력을 만들기 위한 장치로 일종의 주사기 원리와 유사하다, 이런 장치의 특성상 일정한 간극이 있는데 피스톤크기와 엔진블록 사이즈에 따라 승용차의 경우 대략0.02~0.07정도의 간극이 있으며 이 간극을 피스톤링이 일차 기밀유지를 하고 엔진오일이 2차 윤활과 기밀작용을 한다. 이 기밀이 잘 유지가 되어야 엔진의 출력이 좋은 것이다 그러나 사용하다 보면 이 간극은 마모로 인하여 확대 되는데 엔진오일이 초기 시동 시나 운행 조건에 따라 발생하는 마모를 줄여준다.

청정유지: 엔진오일의 오염은 연소시 발생하는 미연소 가스나 연소 후 발생하는 가스와 엔진으로 공기 흡입시 이물질 등이 엔진오일과 엔진내부에서 혼합이 되면서 오염이 되고 또한 연료연소과정에서 발생하는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소산화물, 입자상물질 등이 발생하는데 입자상 물질은 엔진오일의 색을 짙은 브라운이나 검은색으로 변하게 한다. 이런 이유로 오래 사용하거나 기간이 오래된 엔진오일은 슬러지가 발생하고 슬러지가 많아지면 윤활유의 원활한 순환을 방해하게 된다.

방청 및 냉각: 엔진오일의 기능으로 방청 작용과 냉각 작용은 매우 중요하며 엔진 내구성에 큰 영향을 미치게 된다. 방청기능은 엔진의 작용 특성상 온도가 변화가 있고 서로 다른 금속의 차이로 결로 현상이나 수분 유입으로 녹이 발생하는 것을 방지한다. 냉각작용은 엔진냉각수가 하기도 하지만 엔진 연소실의 폭발시 온도가 1500°C도 전후로서 냉각수가 순환되지 않는 엔진내부의 냉각은 엔진오일이 냉각역할을 하는데 냉각을 하지 못하면 금속끼리의 마찰이 심해지고 심한 경우 고착이 될 수 있다.

이외에도 엔진오일이 갖추어야 할 특성은 탄화성이 낮을것, 산화 안전성이 좋을것, 인화점이 높을것, 기포 발생이 적을 것 등이 있다.

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엔진오일 종류


변속기
변속기는 수동변속기와 자동변속기가 있으나 최근 변속기는 대부분의 자동차가 자동변속기를 사용한다, 자동 변속기를 작동시키기 위해서는 유압을 필요로 하는데 이 유압을 식혀주기 위하여 냉각장치가 별도로 장착이 되어 있는 차량도 있지만 대부분 내연기관 라디에이터에 함께 구성되어 있어서 특별한 차량이 아닌 경우에는 내연기관과 함께 관리하면 된다.
그러나 유압을 형성하는 변속기 오일은 계절 구분이 무의미 하지만 겨울이 오기 전에 자동 변속기 오일량은 점검을 받아서 오일량이 정상적으로 있는지 오일의 상태는 어떤지 확인을 해보는 것이 좋다.

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변속기 오일 교체(왼쪽)와 변속기 오일


브레이크 시스템
브레이크 시스템은 온도 변화에 큰 영향은 없지만 브레이크액은 온도에 따라 끓는점이 다른데 현재 차량들은 대부분 DOT 3,4정도 등급의 브레이크액을 사용한다. 브레이크 패드의 경우 마모도를 점검하여 규정 한계값을 넘긴 경우에는 교체를 하고 , 브레이크액 특성상 수분의 흡수를 잘하는 특성이 있으므로 점검을 통하여 브레이크액에 미량이라도 수분이 있을 경우에 겨울철에 수분이 동결되어 문제가 발생할 수 있으므로 교체해줘야 한다. 따라서 차량이 출 고후 4년차가 넘은 경우, 또는 주행거리 4만킬로 이상인 차량은 브레이크액을 교체하는 것이 좋다.

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브레이크액


후륜구동 차량
후륜구동 차량은 디퍼런셜 이라는 종감속 장치가 있다, 큰 화물차들을 뒤에서 보면 뒤 바퀴축 가운데 부분에 있는 둥그런 구 모양의 틀 안에 있는 장치로 내연기관에서 동력이 발생되면 변속기가 적절한 기어변속을 통해 프로펠러 샤프트를 통해 이곳으로 동력이 전달 되고 여기에서 뒤쪽 좌, 우측 바퀴에 최종적으로 동력이 전달되는 것이다. 이 장치 안에는 피니언기어, 베벨기어, 사이드기어, 베어링 등이 조합되어 있으며 이 장치들이 원활하게 작동하기 위한 윤활유가 주입되는데 윤활유의 점도가 높으면 유동성이 떨어지면서 구동저항이 생기는 것이다.
겨울에는 점도지수가 낮은 겨울용 윤활유로 교체하면 구름저항을 조금이라도 줄이는 효과가 있다.

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디퍼런셜 박스(왼쪽)와 디퍼런셜오일


배터리
겨울철이 되면 시동성이 중요 해지는데 시동성에 영향을 미치는 중요한 장치가 배터리와 스타트모터다, 배터리의 경우는 전해액이 액체 상태인 것이 적용이 되는데 전해액은 온도가 내려가면 전해액 비중이 내려가면서 전해액의 전도도는 떨어지고 이에 따라 배터리의 전기 저장능력이 떨어지고 시동성이 낮아지는 것이다, 배터리의 상태를 최적화하기 위해서는 SOC(Sart Off Charger) 관리를 하는데 인위적으로 할 수 있는 것은 배터리를 보온을 해주면 조금 도움이 되지만 일일이 그렇게 하기는 쉽지 않다 이와 별도로 항상 배터리의 SOC를 최적화 하기위해 충전장치(발전기)의 상태 확인이 필요하다.

내연기관이 작동을 하면 발전기는 팬벨트에 의해 구동이 되고 발전기 출력제어는 엔진컨트롤 유닛이 배터리 상태에 따라 적절히 가변하여 제어한다, 따라서 발전기, 구동벨트, 배터리센서, 배터리 보호덥개, 배터리 단자 조임과 부식여부 점검과 함께 꼭 점검이 필요한 것이 차량의 암 전류상태다. 암 전류는 차량의 운행이 끝나고 주차후 전원이 모두 OFF된 상태에서 배터리 소모전류를 확인하는 것으로 차량에는 전원을 모두 OFF 하더라도 상시전원공급이 꼭 필요한 곳이 있기 때문에 일정량의 전기소모가 있다, 대략 30mA 정도로 이 이상 암 전류가 흐른다고 하면 반드시 암 전류 흐르는곳을 점검 받아야 한다. 배터리의 수명은 대략 생산일 기준 3년정도 주행거리는 4~5만 킬로미터, 배터리 수명은 운행조건에 따라 차이가 많이 발생하므로 전문가에게 진단장비로 꼼꼼한 점검을 받기를 권한다.

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배터리(왼쪽)와 배터리 전압 테스터

타이어
요즘 출시되는 타이어는 대부분 올 시즌 타이어로 특별히 겨울용 타이어의 필요성을 많이 못 느끼는 분들이 많다, 그러나 조금이라도 자동차에 관심이 있는 분들이라면 조금 달리 생각을 할 수 있다, 우선 타이어는 고무재질로 되어있다는 것은 누구나 다 아는 것이지만 이 고무가 온도에 따라서 지면에 밀착하는 데 영향을 미치는 경도문제는 간과한다.
타이어를 제조할 때 고무재질과 함께 스틸과 와이어 그리고 고무의 신축성에 영향을 미치는 컴파운드재질을 첨가하게 되는데 이 컴파운드가 어느 정도 비율로 배합되느냐에 따라 타이어가 온도변화에 따라 신축성에 영향을 받는다, 따라서 컴파운드 함량을 높여 부드러운 겨울용 스노타이어는 온도가 내려가도 신축성이 유지되어 지면에 잘 밀착이 되기 때문에 덜 미끄러지는 것이다.

그렇다면 스노타이어를 앞쪽두개, 또는 뒤쪽두개만 교체한다면 어떨까? 물론 교체를 안 한 것보다는 조금이라도 나을수 있지만 이런 방법은 추천하지 않는다. 왜냐면 이렇게 교체 하게 되는 경우 앞, 뒤의 타이어가 지면에 밀착되는 뮤값(접지력)이 다르다는 것 때문이다, 이런 경우 미끄러짐이 서로 다르게 되어 언더스티어 또는 오버스티어 현상을 일으킨다. 따라서 앞,뒤 한 셌트로 교체하는 것이 바람직하다.

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겨울용 타이어(왼쪽), 고속용 타이어(가운데), 올 시즌 타이어(오른쪽)


디젤 차량의 예열프러그 & PTC 히터
디젤엔진은 가솔린과 다르게 압축착화 방식으로 작동을 한다, 가솔린은 강제로 불꽃을 일으켜 작동을 하지만 디젤 엔진은 고온고압으로 자동 점화를 하는데 이 방식은 온도가 내려가고 차가운 상태에서는 점화가 잘 이루어지지 않는다. 그래서 디젤 차량에는 가솔린과 다르게 연소실 가열장치가 장착이 되는데 일명 예열플러그다 이장치의 특징은 순간적으로 플러그 온도를 1000도까지 급상승시켜 디젤연료에 점화를 유도한다. 이 플러그는 필요한 경우에만 작동을 하게 되는데 순간 온도가 이렇게 높다보니 전극의 끝부분에 변형으로 일정기간 사용하면 교체가 필요하다 대략 차량출고 기준 4년 이후 차량주행거리 7만키로 이상의 디젤엔진 차량은 점검을 받아야 한다,

PTC히터는 정특성 서미스터 원리를 이용한 소자로 온도가 낮은 경우 저항이 감소하고 전기가 잘 통하며 열이 발생하고 온도가 특정값 까지 증가하면 저항이 증가하여 전기흐름이 원활하지 않은 특성을 이용한 장치로 디젤엔진의 높은 열효율로 냉간상태 초기 시동시 신속한 난방을 보조하는 역할은 하여 냉난방장치와 함께 실내에 장착이 되어 있으며 작동시 전기소모가 많다, 이 장치도 일정 수명이 있어서 겨울이 오기 전에 한번 점검을 받아 두는 것이 좋다.

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예열플러그(왼쪽)와 PTC히터


와이퍼블레이드 & 워셔액
와이퍼 블레이드는 앞, 뒤의 유리창에 이물질을 닦아내기 위한 장치이다, 유리에 닿는 면이 고무재질로 되어 있으면서 유리와의 마찰을 줄이기 위하여 코팅을 하고 프레임은 고무나 플라스틱재질로 만들어 지는데 유리와 밀착되는 고무부분이 여름철을 지나면서 햇빛과 자외선에 노출이 되면서 고무가 탄성을 잃게 되고 코팅성분도 감소하여 와이퍼 작동시 드드득 소음이 나거나 중간 중간 부분적으로 덜 닦여서 불편을 초래한다. 이런 이유로 겨울철에는 기온이 내려가면서 고무에 탄성은 더 단단해지고 프레임 또한 신축성이 떨어져 유리창을 께끗하게 닦아내지 못하게 된다. 따라서 겨울철 눈이나 도로에 제설용으로 살포되는 염수등으로 유리창 오염이 더 심해지므로 미리 와이퍼블레이드도 교체하는 것이 바람직하다.

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류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수

또한 워셔액은 알코올, 물, 계면활성제, 방청제로 구성되어 있는데 간혹 겨울철에 여름용을 사용하다 심한 경우 워셔액이 얼어서 사용을 못하거나 워셔액 용기가 파손되는 경우도 있으니 워셔액 점검도 빼놓지 말아야 한다. 겨울용은 영하10도 이하에서도 얼지 않는 것으로 교체 하도록 한다. 그전에는 워셔액에 메탄올 성분이 첨가되어 유해성분에 대한 논란이 있었지만 2018년 2월부터 인체에 무해한 에탄올 성분이 첨가된 것을 판매 하도록 법으로 규정하고 있다.

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와이퍼 블레이드(왼쪽)와 워셔액



류충효 신한대 기계자동차융합공학과 교수