[좋은 중고차 고르기 시리즈 1] 자동차의 구조와, 엔진의 동작 원리.

[좋은 중고차 고르기 시리즈 1] 자동차의 구조와, 엔진의 동작 원리. 

 

필자는 올해 운전면허를 취득한 사회초년생 소프트웨어 개발자입니다.

이 블로그의 본래 목적은 소프트웨어 개발의 원리, 느낀 점, 방법론 등을 다루는 것이었습니다. 소프트웨어 개발의 개념을 다루면서 실제 개발에서 생기는 문제를 풀기가 쉬워졌고, 전채적인 시스템의 맥락을 한눈에 파악할 수 있었습니다.

 

요즘 제 관심사는 자동차로 크게 이동했습니다. 좋은 자동차를 합리적으로 구매하고 싶어 졌고, 중고차라는 선택지가 상당히 매력적이었습니다. 하지만 중고차는 매력적인 만큼 리스크도 상당합니다. 내 차가 어떤 문제가 있을지 초보자의 입장에서는 쉽사리 알 수 없었고, 운 좋게 문제 확률이 적은 차를 구매했더라도 신차에 비해 유지보수하기 어렵습니다.

 

처음에는 그냥 굴러가는 차를 사면 된다는 생각이었습니다. 그런데 막상 중고차 시장을 들여다보니 알 수 없는 말들 뿐이더군요. 누유, 엔진소리, 하체부식, 미션슬립 같이 어렵고 낯선 말들이 널렸습니다. 누유는 기름이 새는 거겠죠? 그런데 저 같은 사람들이 기름이 왜 새는지, 어떤 기름이 새는지, 기름이 새면 뭐가 안 좋은지 알까요? 소프트웨어 구조처럼, 자동차도 구조와 원리를 이해하지 못하면 좋은 선택을 할 확률이 줄어들고, 리스크에 대처하지 못할 확률이 커집니다. 

 

자동차에 대해 제대로 모르는 채로 중고차를 구매한다는 것은, 지도 없이 사막을 해매는 것과 같죠.

이 시리즈는 제 공부 기록이기도 하지만, 저처럼 맨몸으로 사막을 횡단하는 여행자들을 위한 초보자용 나침반이기도 합니다. 그리고 언젠가 중고차를 사거나 차를 접하게 될 때 더 나은 선택을 할 수 있는 지식의 저장소가 되었으면 합니다.

 

자동차의 구조

자동차를 막 배우는 입장에서 느낀건, 자동차는 하나의 기계지만, 결국 여러 시스템과 부속품들의 집합이라는 것입니다. 자동차는 마치 사람처럼 여러 시스템들이 유기적으로 작동하면서 움직입니다. 사람의 몸이 심장, 뇌, 근육, 뼈, 신경 등으로 연결되어 움직이듯 자동차도 그러하다는 것입니다.

중고차를 고를 때 이런 점들을 알고 있다면, 어디서 문제가 있는지, 이 문제가 어떤 영향을 주는지, 혹은 전 주인의 관리 수준을 판단하는데 큰 도움이 될 것입니다. 

 

자동차의 종류는 여러 가지가 존재하고, 그 종류마다 구조도 다릅니다. 오늘 알아볼 자동차는 가장 보편적인 가솔린 기반 전륜구동 세단입니다. 아반떼, K3, 소나타, 말리부 등이 이에 해당합니다.

 

이 글에서는 자동차의 핵심 시스템을 크게 6가지로 나누어 설명합니다. 

엔진, 변속기, 브레이크, 조향장치, 전기장치, 서스펜션입니다. 우선 하나하나 러프하게 알아보도록 하겠습니다.

 

엔진

엔진은 에너지를 동력으로 전환하는 장치입니다. 자동차의 심장급 역할을 하며, 보닛 안에 위치해 있습니다. 엔진이 작동을 멈추면 자동차는 자체적으로 단 한 발짜국도 이동할 수 없습니다. 주행 중에 갑자기 힘이 빠지거나 시동이 걸리지 않는다면 대부분 엔진 계통의 문제입니다. 엔진은 연료를 태워 폭발시키고 이 힘을 회전 운동으로 바꾸어냅니다. 보통 가솔린이나 디젤을 연료로 사용합니다. 공기, 연료, 점화 이 세 가지가 실린더 안에서 폭발을 일으킵니다. 엔진 내부의 여러 개의 실린더와 피스톤이 있으며, 폭발이 피스톤을 움직이고, 그 힘이 바퀴로 이어집니다.

 

변속기

변속기는 흔히 미션이라 불리며, 자동차에서 엔진 다음으로 중요한 시스템입니다. 엔진이 만들어낸 힘을 바퀴로 전달하는 과정에서 상황에 따라 적절한 힘과 속도로 전달해 주는 역할을 합니다. 자동차가 출발하거나 언덕을 오를 때는 큰 힘이 필요하고, 고속으로 달릴 때는 빠른 회전이 필요합니다. 변속기는 이 두 상황을 바꾸어주는 장치입니다. 변속기의 종류는 수동, 자동, CVT 등 여러 방식이 있지만 근본이 되는 원리는 모두 동일합니다. 가속할 때의 충격이나 미끄러지는 느낌이 있다면 대부분 변속기의 문제입니다.

 

브레이크

브레이크는 차를 멈추게 하는 시스템입니다. 자동차가 멈추지 못하면 큰 사고로 이어지기 때문에 생명과 직결되는 부품입니다.

바퀴에 붙은 회전하는 디스크를 패드가 꾹 눌러서 마찰로 바퀴를 멈추는 방식입니다. 그래서 브레이크패드는 교체가 필요한 소모품 중 하나입니다.

 

조향장치

조향장치는 핸들의 움직임을 바퀴로 전달하는 역할을 합니다. 핸들(스티어링휠)을 돌리면 그 움직임이 조향장치를 따라 앞바퀴로 전달되어 차량의 방향을 바꿉니다. 유압식 파워 스티어링 방식과, 전자식 파워 스티어링 방식이 있는데 요즘 나오는 차들은 대부분 전자식 파워 스티어링 방식을 사용합니다. 

 

전기장치

전기장치는 자동차에서 전기에너지를 소비, 생성, 저장, 분배하는 전체 시스템을 말합니다. 요즘 자동차는 전기 없이는 돌아가기 쉽지 않습니다. 네비게이션, 카메라, 조명, 창문 등 많은 것들이 전기 없이는 움직이지 않습니다. 심지어 요즘은 조향이나 브레이크도 전자식으로 동작합니다. 이렇게 요즘 차는 전기차가 아니더라도, 움직이는 전자장치나 다름없습니다.

 

서스펜션

서스펜션은 도로의 충격을 흡수하고, 차체를 안정적으로 지지해 주는 장치입니다. 자동차가 너무 출렁이지도 않고, 너무 딱딱하지도 않게 유지해 주는 역할을 합니다. 차를 선택할 때 기준 중 하나인 승차감이 바로 이 서스펜션의 영역이죠. 맥퍼슨 스트럿 방식이 일반 자동차에 많이 쓰이며, 고급차에는 더블 위시본 같은 방식이 쓰입니다. 주행 중 삐걱삐걱 소리가 나거나 차가 한쪽으로 기운다면 서스펜션의 문제일 확률이 높습니다.

 

휠, 타이어

휠과 타이어는 독립된 시스템은 아니지만, 차에서 절대 빼먹을 수 없는 핵심 포인트입니다. 유일하게 도로와 직접 접촉하는 부분으로써, 성능 안전 승차감 연비까지 다양한 부분에 영향을 줍니다. 타이어 상태에 따라 제동거리가 달라지고, 환경에 따라 필요한 타이어가 다릅니다. 휠은 단순 타이어를 고정시키는 역할뿐만 아니라, 브레이크의 열을 외부로 식혀주고 회전력을 효율적으로 전달하는 등의 역할을 합니다.

 

 

이제 어떤 시스템이 어떤 역할을 하는지는 어느 정도 정리 되었습니다. 다음으로 엔진의 구체적인 동작 원리에 대해 알아보고 글을 마치겠습니다.

 

엔진의 동작 원리

내연기관 엔진은 연료를 태워서 생긴 폭발력을 피스톤을 통해 바퀴까지 전달해 주는 방식입니다. 작동의 핵심은 4행정 사이클입니다.

 

1. 흡입

피스톤이 아래로 내려가면서 공기와 연료 혼합기를 실린더 안으로 끌어들입니다. 

2. 압축

피스톤이 다시 올라가면서 흡입된 혼합기를 높은 압력으로 압축시킵니다.

3. 점화

점화플러그가 불꽃을 튀겨 혼합기를 폭발시킵니다. 강한 압력이 피스톤을 아래로 튕겨냅니다.

4. 배기

타고 남은 연소가스를 배기실린더 바깥으로 흘려보냅니다. 이 과정을 초당 수십 번~수백 번 반복하면서 지속적으로 회전력을 만들어냅니다.

 

여기서 이런 의문이 생겼다면 당신은 저와 같은 부류입니다. "1흡입에서 어떻게 피스톤은 아래로 내려가는 걸까?"

이 답은 바로 회전 중인 크랭크축에 있습니다. 흡입 행정은 폭발이 없기 때문에 자체적으로 힘을 만들지 않습니다. 그럼에도 피스톤이 아래로 내려갈 수 있는 이유는, 이전 사이클에서 얻은 회전력이 크랭크축에 저장되어 있기 때문입니다.

여기서 크랭크축이 무엇이냐. 바로 피스톤의 위아래 왕복운동을, 회전운동으로 바꿔주는 장치입니다.

 

자전거에서 페달을 아래로 누르는 건 상하운동이지만, 이는 결국 바퀴의 회전운동으로 전환됩니다. 크랭크축에 회전력이 저장되었기 때문이라고 말하는 것은 어려운 문장이지만 사실,  1흡입에서 피스톤이 아래로 내려가는 것은 4배기에서 다시 1흡입으로 이어진다는 것입니다. 계속 이렇게 돌아가는 겁니다.

항상 어떤 것은 폭발하고, 어떤 것은 돌아가고 있어야 하기 때문에 4행정 사이클을 수행할 실린더가 여러 개여야 하는데요. 이 실린더의 개수가 흔히 불리는 n기통입니다. 6기통 엔진은 실린더의 개수가 6개, 8기통 엔진은 실린더의 개수가 8개인 것이죠. 실린더의 부피를 의미하는 것이 cc(세제곱센티미터)이고, 여기에 실린더의 개수를 곱한 값이 자동차의 총배기량입니다. 500cc에 4기통 엔진은 2000cc가 되죠. 배기량이 높을수록 더 많은 공기와 더 많은 연료를 태워 강한 출력을 낼 수 있습니다. 하지만 세금이 비싸지고, 연비가 나빠지죠. 때문에 cc가 낮은 경차나 준중형차 등이 저렴한 유지비로 운행 가능합니다. 당연히 배기량이 높으면 환경을 많이 더럽히게 되니, 세금이 비싸지는 것이겠지요. 경차는 법적으로 1000cc미만이어야 하기 때문에, 3기통 엔진을 주로 사용하며 총합이 998cc 정도입니다.

 

아니 그런데, 제가 처음 의문을 가진 것은 이게 아닙니다. 맨 처음에 누가 피스톤을 움직이냐는 것입니다. 우주 공간에서는 움직임을 방해하는 공기가 없기 때문에 움직이는 물체에 에너지가 손실되지 않습니다. 움직이던 물체가 쭈욱 흘러가죠. 그렇다 해도 누가 처음에 에너지를 주지 않는다면 손실될 에너지 자체가 없는 것입니다, 이 역할을 스타트모터가 해줍니다. 

 

자동차의 엔진은 처음부터 자기 힘으로 움직일 수 없습니다. 그래서 시동을 걸 때에 배터리에서 전기를 받아 전기모터가 엔진의 크랭크축을 강제로 회전시켜 줍니다. 이때 이후로는 알아서 흡입 -> 압축 -> 폭발이 일어나고, 엔진이 자기 힘으로 돌아갑니다. 이 때문에 배터리가 방전된다면 시동이 걸리지 않습니다. 전기모터의 원리는 중학교 과학 시간에 배우기 때문에 스킵하겠습니다.

 

터보? 자연흡기?

엔진에 스펙을 이야기할 때 자연흡기와 터보라는 단어를 자주 들어보셨을 것입니다. 이 둘의 차이는 1흡입의 공기 유입 방식에서 갈립니다. 자연흡기는 사람이 숨 쉬듯이 자연스럽게 공기를 들이마시는 방식이라면, 터보는 선풍기를 콧구멍에 들이미는 것과 같습니다. 터보는 배기가스로 터빈을 돌려 강제로 공기를 유입시키기 때문에 당연히 자연흡기보다 더 높은 출력을 낼 수 있습니다. 그렇다고 터보가 무조건 좋은 건 아닙니다. 피스톤이 움직이면서 자연스럽게 공기가 들어오는 자연스러운 동작의 자연흡기에 비해 억지스러운 터보는 구조가 복잡하고 열도 많이 발생하기 때문에 관리와 정비가 어렵습니다. 또 당연히 비싸겠죠.

작은 어린애에게 채찍질을 하면 일의 능률이 높아질 수는 있겠지만, 당연히 유지하기는 어려울 것입니다.

자동차의 엔진을 이야기할 때 1.6은 단순히 1600cc의 배기량을 가진 차량이고, 2.0 터보는 2000cc의 배기량을 가진 차량이 터보까지 달려있는 것을 의미합니다.

 

연료에 따른 차이

동작 방식이 다른 전기차, 수소전기차, 하이브리드차 등은 다음에 이야기하도록 하고, 오늘은 가솔린, 디젤, LPG 연료에 따른 차이에 대해 알아보겠습니다. 연료 특성에 따라 구조나 유지비 출력 등이 상이합니다.

 

가솔린 엔진은 지금까지 위에서 말했던 것이기 때문에 스킵하고, 디젤과 LPG엔진을 간단하게 알아보겠습니다.

 

디젤 엔진은 압축점화방식을 따릅니다.

1. 실린더로 공기만 흡입합니다.

2. 피스톤이 공기를 고온 고압 상태로 만듭니다. 

3. 압축열만으로 연료를 분사하여 저절로 폭발하게 만듭니다.

4. 피스톤이 밀려내려 가 회전력이 발생합니다.

가솔린 엔진과는 점화플러그가 없다는 점이 가장 큰 차이입니다. 이런 디젤 엔진은 시끄럽고, 연비가 좋다는 특성을 가집니다.

 

LPG 엔진은 액체 연료를 쓰는 디젤, 가솔린과 달리 기체 연료를 사용합니다. 즉 가스죠.

1. 기체 상태의 LPG와 공기가 혼합됩니다.

2. 실린더로 흡입하여 압축시킵니다.

3. 점화플러그로 점화하여 폭발시킵니다.

4. 회전력이 발생합니다.

LPG 엔진은 기화기 또는 인젝터로 기체 연료를 분사시킵니다. 탄소 배출이 적고 출력이 약하다는 특성을 가집니다.

 

가솔린과 LPG 엔진은 스파크 점화 방식으로, 연료와 공기를 먼저 혼합한 후 점화플러그로 불을 붙입니다. 반면 디젤 엔진은 압축 점화 방식으로, 공기만을 먼저 압축한 뒤, 고온 상태에서 연료를 분사하면 스스로 불이 붙습니다. LPG는 연소 방식은 가솔린과 유사하지만, 연료가 기체이고 연소 특성이 달라 출력이 약간 떨어지고, 대신 연소는 더 깨끗합니다. 이처럼 연료의 특성에 따라 엔진 구조와 작동 방식이 크게 달라지고, 출력, 효율, 내구성에도 영향을 미치게 됩니다.

 

LPG 엔진을 장착한 자동차는 원래 렌터카, 택시, 장애인 등 특정 목적에 따른 구매 및 사용이 가능하도록 제한되었습니다. 하지만 2019년 규제 완화 이후 일반인도 LPG 차량을 구매할 수 있게 되었습니다.

 

엔진오일과 냉각시스템

중고차 알아보면서, 혹은 차를 유지하면서 엔진오일과 냉각수 관리가 필요하다는 말은 무조건 들어보셨을 겁니다. 그런데 이게 정확히 왜 필요한 걸까요? 우리는 엔진 시스템을 이해했기 때문에 이 또한 쉽게 알 수 있습니다.

먼저 엔진오일은 피스톤과 실린더 벽 사이, 크랭크축과 베어링 사이, 로커암 등의 금속 부품들 사이를 윤활시켜 주어 마모와 열 발생을 줄여줍니다. 엔진오일이 없다면 부품들은 금방 고착되고 마모되어 수명을 다 할 것입니다. 때문에 엔진오일은 5000~10000km 주행 시마다 교체가 필요합니다. 

 

 

그럼 엔진오일은 도대체 어떻게 엔진을 순환하는 걸까요?

1. 주행 중 떨어진 오일을 보관하는 엔진 하단에 있는 오일 저장소인 오일팬에 있는 오일이 있습니다.

2. 오일펌프가 이를 흡입하여 압력을 겁니다.

3. 오일필터가 오일의 슬러지나 금속찌꺼기들을 걸러줍니다.

4. 윤활 대상 부위에 오일이 공급됩니다. 

 

우리가 중고차를 점검할 때 핵심 중 하나로 보는 누유가 바로 여기서 일어납니다. 주요 누유는 이런 부속들에서 생깁니다.

 

• 엔진 하단의 저장소인 오일팬에서 고무패킹이 경화되어 누유 발생.
• 실린더 헤드 커버의 고무 패킹이 경화되어 누유 발생.
• 오일 필터 조임 불량이나 고무링 노후 시 누유 발생.
• 크랭크샤프트가 고속으로 회전하여 축 주변이 오일씰로 마모되면 누유 발생.

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그런데 엔진이 폭발하는 열이나 엔진오일의 열은 어떻게 빠져나갈까요? 바로 냉각시스템에 의해서입니다.

엔진이 뜨거워지면 냉각수가 엔진 블록 주변 통로를 돌면서 열을 빼앗고, 라디에이터에서 그 열을 공기로 식힌 뒤, 다시 엔진으로 돌아갑니다. 차량 주행 중의 공기 흐름이나, 정차 시에는 팬이 공기 흐름을 발생시켜 열을 빼앗습니다.

중고차를 볼 때에는 이 냉각수의 누수나 색상, 오일이 섞였는지 등을 확인해야 합니다. 냉각수의 색이 뿌옇거나 점성이 있다면 내부 부품들이 손상되었을 확률이 높다는 것을 반증합니다.

 

엔진 ECU

요즘 차는 단순히 돌아가지 않습니다. 점화 시기, 연료 분사량, 배기량 등을 모두 전자적으로 컴퓨터가 관리합니다. 내부 센서들이 감지한 데이터를 통하여 엔진의 작동을 동적으로 조절합니다. 시동이 걸리지 않거나, 연비 급감하거나, 출력이 저하되면 ECU문제일 가능성이 큽니다. 중고차에서 무리한 튜닝이 있거나, 침수차일 경우에는 ECU 고장 가능성이 커집니다.

 

마무리

오늘 공부한 엔진이라는 복잡한 생명체는 단순히 연료를 태우는 기계가 아니었습니다. 폭발, 회전, 냉각, 윤활, 전자 제어 등 수십 가지 시스템이 동시에 유기적으로 움직이며 앞으로 움직이겠다는 하나의 목표를 향해 나아갑니다.

이 글에서 살펴본 엔진의 구조와 원리는, 자동차의 핵심을 들여다보는 첫걸음에 불과합니다. 눈에 보이지 않는 피스톤의 왕복 운동, 크랭크축의 회전, 냉각수의 흐름, 그리고 작은 센서 하나의 오작동으로도 전체가 흔들릴 수 있는 정밀한 세계입니다.
자동차는 도로 위의 거대한 기계지만, 그 내부는 마치 고도로 훈련된 생물처럼 복잡하고 정교했습니다. 중고차를 고르는 데 있어, 엔진은 가장 비싼 부품이자 가장 고치기 어려운 영역입니다. 겉으로 멀쩡해 보이지만, 내부에서는 이미 마모와 손상이 누적되고 있을지도 모릅니다.
하지만 그 움직임의 원리를 이해하고, 냉각수 한 방울의 의미를 읽을 줄 안다면 우리는 훨씬 더 나은 선택을 할 수 있습니다.

 

지금까지 우리는 자동차의 심장, '엔진'을 들여다봤습니다.
다음 글에서는, 이 심장에서 뿜어져 나온 힘이 어떻게 바퀴까지 전달되는지 알기 위한 변속기와 구동계의 세계로 들어가 보려 합니다.
이제 자동차의 맥박을 느낄 준비가 되셨다면, 다음 페이지로 함께 가시죠. 🙌 🙌