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[자동차 이야기(63)] 낮은 기온이 자동차에 미치는 영향

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[자동차 이야기(63)] 낮은 기온이 자동차에 미치는 영향

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.

날씨가 추워지면 자동차 성능이 저하된다.이미지 확대보기
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.

연료입자가 적을수록 연소가 잘된다.이미지 확대보기
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.

가솔린엔진의 연료공급 시스템이미지 확대보기
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.

디젤엔진의 연료공급 시스템이미지 확대보기
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.

석유 연료는 완전연소 시 CO2와 물을 배출이미지 확대보기
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.

피스톤과 크랭크축(오일점도가 높으면 회전시 부하증가)이미지 확대보기
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.

배터리 구조(화학반응으로 전기발생)이미지 확대보기
배터리 구조(화학반응으로 전기발생)

피스톤의 열팽창
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.

터보는 작동 시 고속회전. 시동직후 급가속은 베어링 손상 가능성이 있다.이미지 확대보기
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.
장형성 신한대 기계자동차융합학과 교수
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