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[자동차 이야기(63)] 낮은 기온이 자동차에 미치는 영향

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[자동차 이야기(63)] 낮은 기온이 자동차에 미치는 영향

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날씨가 추워지면 자동차의 시동이 잘 안 되는 것 같은데, 왜 그럴까?

공기의 온도가 낮아지면 쇠로 되어있는 엔진이 차가워진다. 기온이 낮으면 엔진 자체가 차갑기 때문에 분사된 연료는 결로(結露현상 : 이슬 맺힘 현상)이 발생되어(차가운 물이 담겨있는 주전자 외부에 물방울이 맺히는 현상과 같은 것) 연료가 제대로 유입되지 못한다. 즉 분사된 연료가 차가운 엔진 연소실 벽면에 달라붙는 현상이 발생된다. 따라서 공기의 잘 결합할 수 있는 조건이 되지 못하므로 시동이 잘 안될 수 있다.
자동차 엔진으로 유입되는 공기의 온도도 낮아서 분사된 연료가 (휘발유, 경유) 제대로 기화되지 않는다. 따라서 연소가 잘 안될 수 있다. 연소는 연료의 입자가 작아 공기와 잘 혼합되어야 공기 중의 산소와 결합이 잘 이루어지는 것이다.

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날씨가 추워지면 자동차 성능이 저하된다.

장작을 잘 타게 하는 원리도 같다

예를 들어 장작불을 피울 때 나무를 잘게 부수거나, 불이 탈 때 아래쪽을 들어주어 공기를 많이 넣어주면 장작이 잘 탄다. 즉 공기 중의 산소와 결합이 잘 일어나는 것이다.
기름이 탈 때 시커먼 그을음이 생기는 것은 충분히 산소가 공급되지 못하기 때문인데, 기름 분자의 바깥쪽은 공기 중의 산소와 결합이 잘 이루어지지만 기름덩어리가 클수록 안쪽은 공기와의 접촉이 이루어지지 않아 산소와의 결합이 일어나지 못하는 것이다. 그에 따라 시커먼 불꽃이 보이게 된다.

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연료입자가 적을수록 연소가 잘된다.


자동차 연료를 잘 타게 하려면 잘게 쪼개어야 한다. 그러나 날씨가 추우면 연료의 무화가 어렵다.

가솔린 자동차나 디젤 자동차 모두 인젝터를 이용하여 연료를 공급하는데, 연료를 잘게 쪼개 공기와 잘 섞이도록 하고 있다. 그러나 온도가 낮아지면 분사된 연료가 즉시 기화되지 못하고 결로현상으로 인하여 벽면에 묻어 엔진의 시동이 어렵게 만드는 것이다. 또 시동이 걸려도 출력을 제대로 낼 수 없어 성능이 안 좋아 진 것으로 느낄 수밖에 없는 것이다.

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가솔린엔진의 연료공급 시스템


특히 경유 자동차의 경우는 연소방식이 점화플러그(spark plug)를 이용하지 않기 때문에 공기의 온도가 낮으면 연소 자체가 잘 안된다. 따라서 예열플러그(공기를 데워주는 장치)가 고장 나면 시동이 곤란하다.
자동차의 연료도 잘게 쪼개어져(무화) 산소와 잘 결합할 수 있도록 만들면 공기 중의 산소와 충분한 결합이 이루어져 유해배출가스(CO, HC 등)도 적게 발생되고 힘도 충분히 낼 수 있을 뿐 아니라 연비도 좋아지는 것이다.

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디젤엔진의 연료공급 시스템

석유를 쓰는 한 지구 온난화는 어쩔 수 없다
석유계 연료는 성분이 탄소(C)와 수소(H)로 이루어져 있다. 석유가 연소하는 것은 공기 중의 산소와 결합하는 것이므로 탄소(C)는 산소(O2)와 결합하여 CO2가 되는 것이다. 석유를 연료로 쓰는 한 완전 연소되더라도 CO2를 발생시킬 수밖에 없다. 이 CO2는 지구온난화의 원인으로 밝혀져 있다. 따라서 석유를 연료를 사용하는 모든 자동차는 완전연소를 시킨다 하더라도 지구온난화 문제는 계속 야기되는 것이다. 그러므로 CO2를 배출하지 않는 자동차로 바꾸거나 그런 상황이 안 된다면 가급적 연비가 좋은 자동차를 이용하서 CO2 배출을 덜 시켜야 할 것이다.

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석유 연료는 완전연소 시 CO2와 물을 배출

엔진오일(윤활유)은 시동에 영향을 주지 않나?

엔진오일도 온도가 낮아지면 점도가 높아지기 때문에 엔진의 회전이 원활하게 되지 못한다. 점도는 끈끈한 정도를 얘기하는데, 윤활유가 끈끈해져 엔진이 회전하는데 부하를 더 주는 것이다.
엔진 내부의 크랭크축이 회전할 때 윤활유의 저항을 받는 것이다. 즉 오일의 점도가 높아져 끈적거림이 커져 회전저항이 발생한다. 엔진오일도 온도에 영향을 덜 받는 오일이 좋은 엔진오일이다.

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피스톤과 크랭크축(오일점도가 높으면 회전시 부하증가)

배터리 성능도 떨어져

날씨가 추워지면 배터리의 성능이 떨어진다. 배터리는 화학반응에 의해 전기를 발생시키는데, 온도가 낮으면 화학반응이 활발하지 않기 때문에 전기 발생이 적다. 따라서 시동걸 때 배터리의 전기로 엔진의 기동전동기를 돌려 시동을 걸어야 하는데, 모터를 돌리는 힘이 약해지고, 엔진은 윤활유의 점도증가로 부하가 걸리고, 연료는 연소가 잘 안되도록 무화가 잘 이루어지지 않으므로 시동이 잘 안되는 조건이 겹쳐지는 것이다.

피스톤과 실린더도 열을 받아야 제 성능 발휘

날씨가 추워지면 엔진 각 부위가 제 치수대로 팽창되지 않아서 성능이 떨어진다. 특히 엔진 내부의 피스톤과 실린더가 충분히 팽창해야 압축가스가 새지 않아 충분한 성능을 낼 수 있는데, 그렇지 못한 경우 엔진 성능이 떨어진다. 특히 시동할 때 압축이 잘 안되고, 엔진의 모든 조건까지 나빠지므로 낚은 자동차일수록 시동이 어렵게 된다.

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배터리 구조(화학반응으로 전기발생)

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피스톤의 열팽창

기온이 낮아지면 모든 조건이 좋지 않은데, 운전자들이 유의해야 할 사항은?

시동 시 시동이 잘 안된다고 기동전동기를 계속 돌리면 배터리의 성능도 급격히 떨어져 시동하기 어렵다. 자동차에서 가장 많은 전류가 흐를 때가 엔진 시동을 할 때이다. 따라서 운전자는 크랭킹(cranking) 시 시동이 안 되면 잠시 쉬었다 다시 시도하는 것이 좋다.

디젤자동차 터보장치 고장에 유의, 시동 시 악셀레이터 페달은 밟지 말아야

간혹 나쁜 운전습관을 가진 사람들 중에 시동 시 악셀레이터 페달을 많이 밟는 경우가 있는데, 이런 습관은 좋지 않다. 특히 디젤자동차의 경우가 많은데, 시동 상태가 좋지 않아 악셀레이터 페달을 강하게 밟으면 거의 모든 신형자동차는 터보장치가 달려 있어 이 장치가 고장 날 수 있다. 터보는 배출가스의 힘이 세면 돌아가는데, 충분히 오일공급이 되기 전에 돌아가면 베어링 손상을 가져올 수 있다.

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터보는 작동 시 고속회전. 시동직후 급가속은 베어링 손상 가능성이 있다.

시동을 잘 걸리게 하고, 예열을 빨리 시켜 정상적인 작동이 되도록 컴퓨터가 조정

근래의 모든 자동차는 시동 후 악셀레이터 페달을 밟지 않아야 한다. 컴퓨터가 온도에 따라 가장 적절한 상태로 엔진을 조정해주기 때문이다. 만약 악셀레이터 페달을 밟으면 자동차가 주행하는 것으로 착각하기 때문에 조건에 따른 적절한 조정이 맞지 않을 수 있기 때문에 시동도 잘 안되고 유해 배출가스도 더 많이 쏟아진다.
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장형성 신한대 기계자동차융합학과 교수

시동 후 엔진 회전수가 온도에 따라 다소 차이는 있지만 1,500-1,800rpm 정도 되었다가 차차 떨어지도록 되어있다.
또 지나친 예열은 연료를 낭비하고, 환경오염을 시킨다.
적절한 예열이 필요하지 지나치게 오랫동안 예열하면 연료의 낭비는 물론, 공전운전 시 유해배출 가스가 많이 쏟아진다.


장형성 신한대 기계자동차공학과 교수