현대적인 냉각 시스템 설계: 온도보다 파워트레인이 더 중요합니다

엔지니어링 논문을 읽는 것은 지루한 작업인 경향이 있지만, 나와 같은 기술자에게는 일반적인 자동차 냉각 시스템이 실제로 어떻게 개선될 수 있는지에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 물론 우리의 즉각적인 생각은 냉각 시스템이 어떻게 엔진을 더 시원하게 유지할 수 있는지에 대한 것입니다. 한 논문에 따르면 그렇지 않습니다. 반대로, 작동 단어는 "온도"에 관한 것이 아닙니다. 그것은 "파워트레인"에 관한 것입니다. 내연기관(ICE) 기술의 진보된 상태를 고려할 때, 최근의 일부 냉각 시스템 혁신은 실제로 엔진 토크와 연비를 높이는 동시에 배기가스 배출을 줄입니다. 아이디어를 단순화하겠습니다. 새로운 냉각 시스템 기술은 ICE가 더 좋고 더 깨끗하게 작동하도록 만들 것입니다. 이제 몇 가지 기본 사항을 검토하여 동일한 내용을 살펴보겠습니다.

더 많은 전력과 경제성을 위해 냉각 시스템을 조정하는 것은 흥미로운 일이지만, 이 이야기의 가장 큰 부분은 현재 냉각 시스템 기술이 1900년대 초반에 도입된 단순한 열 사이펀 시스템에서 그다지 발전하지 않았다는 것입니다. 열사이펀 시스템은 열팽창된 냉각수가 뜨거운 엔진에서 수직 코어 황동 라디에이터의 헤더 탱크로 상승하도록 하여 냉각수를 순환시킵니다. 열 수축으로 인해 냉각수가 가라앉기 시작하면 냉각수는 라디에이터 코어를 통과하는 공기 덩어리로 열을 방출합니다. 라디에이터 코어가 냉각수 열을 소산한 후 냉각수 흐름은 하부 엔진 블록으로 돌아가서 사이클을 반복합니다. 그러나 아무리 단순하더라도 열 사이펀 시스템은 30마력 미만을 생산하는 엔진에서만 잘 작동했습니다.

더 많은 마력이 등장하면서 벨트 구동 원심 워터 펌프는 열 사이펀 시스템을 거의 모든 유형의 기후에서 작동할 수 있는 현대적인 양압 흐름 냉각 시스템으로 전환했습니다. 불행히도 원심 워터 펌프는 대부분의 운전 상황에서 엔진에 필요한 것보다 더 많은 냉각수 순환을 공급하므로 현대 에너지 보존 측면에서 비효율적입니다.

실린더 헤드를 통한 물의 분포는 블록에 주조된 통로와 실린더 헤드 개스킷에 찍힌 통로에 의해 제어됩니다. 시스템에 관계없이 엔진 블록, 실린더 헤드 및 뜨거운 배기 포트 주변을 통해 냉각수 흐름을 균등하게 분배하는 것은 모든 현대 냉각 시스템의 주요 목표로 남아 있습니다.

이상적으로, ICE는 연소 부산물인 물이 정상 작동 중에 엔진 오일에서 증발되도록 하기 위해 물의 끓는점 근처에서 작동해야 합니다. 냉각수 온도를 높게 설정하지 않으면 엔진 오일은 중요한 오일 통로를 막고 내부 부품을 부식시키는 검고 점성이 높은 슬러지로 빠르게 변합니다. 오늘날 왁스 펠릿으로 제어되는 온도 조절 장치는 냉각수 흐름과 온도를 기계적으로 관리하는 표준 방법입니다.

온도 조절 장치는 엔진 예열 중에 냉각수의 흐름을 차단하여 주철 엔진 블록과 알루미늄 실린더 헤드 사이의 열팽창률에 현저한 차이를 유발합니다. 이러한 열 전달의 불평등은 결국 실린더 헤드의 금속 피로와 실린더 헤드 개스킷의 고장을 유발할 수 있습니다. 냉각수 바이패스 회로를 사용하면 온도 조절 장치가 닫힌 동안 엔진 블록과 실린더 헤드를 통해 냉각수를 순환시켜 워터 펌프가 엔진 어셈블리를 고르게 데울 수 있습니다. 대부분의 바이패스 회로는 워터 펌프의 압력 배출구에서 온도 조절 장치 베이스까지 냉각수를 직접 순환시켜 정확한 온도 조절 장치 개방 온도를 보장합니다.

라디에이터는 냉각수를 상대적으로 차가운 대기로 전달하여 열을 제거합니다. 라디에이터는 과거의 황동 라디에이터에서 플라스틱 헤드 탱크가 있는 현대식 알루미늄 코어 라디에이터로 발전했습니다. 그 당시에는 실제적으로 라디에이터를 차체 판금 전면에 장착하여 도로 속도에서 자유롭게 흐르는 공기를 수집했습니다. 오늘날 라디에이터는 공기 역학적 목표를 달성하기 위해 차체 판금 뒤에 배치되며, 이로 인해 라디에이터 냉각수 용량 및 자유 흐름 공기 노출과 관련된 주요 설계 문제가 발생합니다.