[기획]자동차 진화의 흔적, 냉각 시스템

 자동차가 효율적으로 작동하려면 무엇보다 냉각 시스템의 역할이 중요하다. 1920년대에 포드가 생산한 최초 대량 생산 모델 T부터 미래형 컨셉트까지 냉각 시스템은 필수다. 기본적으로 동력을 발생시키는 내연기관과 전기차 배터리 모두에서 열이 나오기 때문이다. 

 차에서 발생하는 열은 예상외로 강력하다. 시속 80㎞를 유지할 때 4기통 엔진은 분당 평균 3,000회의 폭발이 발생한다. 이 과정에서 효율적인 냉각이 이뤄지지 않으면 몇 분 만에 엔진이 파손될 수 있다.

 자동차 냉각 시스템은 워터펌프, 온도조절장치, 라디에이터, 내부 연결 호스 몇 개로 구성된다. 섭씨 45도에 육박하는 사하라 사막이나 한겨울 모스크바에서도 엔진 온도를 일정하게 유지해 주는 기능을 한다. 엔진 온도가 너무 낮으면 연료효율이 떨어지고 배출가스도 증가한다. 반대로 너무 오랜 기간 고온에 머무르면 엔진 과열로 심각한 손상을 초래할 수 있다.

 대부분 자동차 냉각 시스템은 수냉식이다. 액체 냉각수가 엔진 블록을 돌면서 열을 식히는 순환 시스템이다. 데워진 냉각수는 열교환기 역할을 하는 라디에이터로 흐른다. 냉각수가 라디에이터의 얇은 튜브를 통과하면 주행 중 유입되는 공기가 식혀준다. 

 ▲새로운 추세를 이끄는 소비자 요구와 규제
 전기차와 하이브리드차는 배출가스 저감 등 친환경 외에 저소음 엔진과 부품이 필수적이다. 정숙성이 뛰어난 만큼 엔진음 등이 상대적으로 크게 들릴 수 있어서다.  

 그러나 최근 친환경성 강화에 이어 제조사 부담을 가중시키는 또 다른 규제가 등장했다. 유럽연합(EU)이 제정한 '보행자 안전 법규(European Directive 2004/102/EC)'다. 규정에 따라 제조사는 자동차 부품 설계를 다시 고민해야 할 지경이다. 

 ▲새로운 설계 과제를 위한 장착 솔루션
 이러한 시장 요구와 규제에 따라 냉각 시스템은 그 어느 때보다 더욱 복잡해지는 중이다. 작고 가벼운 장치들로 기존 이상의 효율을 내야하기 때문이다.

 냉각 효율를 결정하는 요소는 크게 세 가지다. 라디에이터 표면적, 냉각수 순환 속도, 라디에이터를 통해 유입되는 공기의 양이다. 이들 중 하나만 문제가 생겨도 엔진 효율은  타격이 불가피하다. 라디에이터로 공기를 유입시키는 냉각팬 하나만 고장나도 엔진 과열에 따른 문제가 발생한다. 

 일반적으로 냉각팬을 엔진 어셈블리 안에 장착하는 일은 어려운 문제다. 이를 해결하기 위해 새로운 자동차 부품이 도입되기도 한다. 대표적으로 자동차 OEM 툴킷에 적용하는 톨러런스 링이 있다. 방사형으로 튀어나온 이 부품은 베어링 마운트 등 두 개의 짝을 이루는 부품 사이에 자리잡는다. 톨러런스 링은 부품의 고정력을 유지하면서 마찰을 줄여 소음·진동을 제거한다. 또 열팽창 중 부품 사이에서 발생하는 공진도 감소시킨다. 톨러런스 링 자체는 스테인리스강 또는 기타 불활성 합금으로 만들어져 유지보수가 필요 없도록 견고하게 설계된다.

 냉각 시스템에서 톨러런스 링은 극도의 기온 변화와 혹독한 환경에 견딜 수 있어야 한다. 여러 부품 사이에서 자연적으로 발생하는 열팽창 보정 역할을 해야 하기 때문이다. 

 ▲비용 절감으로 브랜드 충성도 강화
 제조사들은 다양한 각도에서 최적의 방식을 모색한다. 이를 통해 작고 가벼운 '녹색' 차에 더욱 강력한 엔진을 장착하는 방법을 발견하고 있다. 친환경차 운전자에게 쾌적한 승차 환경은 물론 연비 향상에 따른 금전적·환경적 이익을 제공하는 것이다. 다시 말해 자동차 수명주기 동안 유지보수가 필요없는 우수한 냉각 시스템은 제조사 뿐 아니라 소비자에게 장기적인 비용 절감 효과를 가져다준다.

 안효문 기자 yomun@autotimes.co.kr