OM651 디젤 엔진의 예열과 후열

C220 CDI 는 OM651 엔진에 트윈 터보가 장착되어 있습니다. 디젤 엔진의 예열과 후열에 관해 정리해 봅니다. 

결론부터 말씀드리면 디젤 엔진은 예열을 통해 연비 효율과 내구성을 높일 수 있고 후열을 통해 터보챠저에서 발생할 수 있는 문제를 막을 수 있습니다. 일반적으로 예열은 외부온도와 밀접한 관련이 있는데요 외부온도가 낮을수록 예열이 더 필요합니다. 반면 후열은 터보차져의 동작과 밀접한 관련이 있고 외부온도와는 큰 관련이 없습니다. 그러나 너무 긴 예열과 후열은 도움이 되지 않는데요 외부온도가 매우 낮을 경우는 아래와 같이 변속기의 예열도 도움이 된다고 합니다. 

예열과 후열의 방법은 1) 예열은 엔진 오일이 적절히 순환되는 시점(약 30~45초)까지만 정차 중 예열을 하고 외부온도가 매우 낮을 경우우(영하) 변속기를 P -> R -> N -> D 로 20초씩 이동해주는 과정을 정차 중에 실시하고 2) 더이상 정차 중 예열 없이 저속주행을 통해 예열하는 것이 좋으며(즉, 시동 후 바로 급가속은 좋지 않습니다.) 3) 후열은 터보차져가 달린 엔진의 경우에만 실시합니다. 이 때, 도착 예정 시간을 미리 알고 도착 전 2~3분 동안 저 RPM으로 운행하여 미리 터보차져를 식혀주는 것이 정차 중 후열보다 훨씬 유리하며 정차시에는 마찬가지로 30~45초간의 후열을 실시합니다. 

엔진 스스로 예열하기: EGR

OM651 엔진은 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Re-circulation) 모듈이 장착되어 있습니다. 원래 EGR의 역할은 질소산화물(NOx)의 배출량을 억제하기 위하여 배기행정에서 나온 배기가스를 한 번 더 흡입행정 때 연료 혼합물과 섞어 실린더 내로 넣는 것입니다. 이를 통해 바로 질소산화물의 배기량을 30%이상 줄일 수 있습니다. 

이런 EGR을 엔진 예열에도 활용하는 것입니다. 간단히 말하면 배기가스를 바로 배출하지 않고 엔진으로 들어오는 공기를 이 뜨거운 배기가스를 통해서 가열시키는 것입니다. EGR의 공기 대 연료 비율 최적화를 통해 배기가스는 재순환 비율이 높아지고 냉각기를 통해 식게 되는데 이 때, HFM(hot-film air-mass sensor) 모듈에 의해 흡입된 외부의 차가운 공기가 바로 이 배기가스의 열을 전달 받아 온도가 상승하게 되고 이를 통해 엔진 예열이 보다 빠르게 진행되며 보다 높은 온도에서 연소가 됨으로서 배기가스를 줄일 수 있습니다. 

OM651 엔진은 대략 섭씨 0도에서도 엔진자체예열(pre-glow)없이 시동이 가능한데요 OM651을 포함한 최근의 자동차의 엔진들은 내부적으로 스스로를 예열하기 위한 기능들을 내재하고 있습니다. OM651 엔진은 커먼레일 방식의 디젤엔진입니다. 일반적으로 커먼레일 방식은 10초 이하의 짧은 자체 예열시간을 갖게 되며 다른 디젤엔진보다 매우 짧은 예열시간입니다. 그러나 외부 온도가 추울 경우 30초 정도로 넉넉한 예열도 나쁘지 않습니다. 

엔진의 지나친 예열의 예

추운 날씨에 엔진 시동 시 엔진의 RPM이 상승한 상태에서 공회전을 하다가 정상 RPM 으로 떨어진다는 경우가 있는데요 여기서 RPM이 떨어지는 것은 산소센서의 예열과 연관되어 있습니다. 산소 센서 예열은 여름 날씨에는 약 10초 정도 걸리지만 추울 땐 수분이 걸리기도 하는데요 일반적으로 시동이 켜지면 ECU는 산소센서가 적절히 예열될 때까지 공장 출하 시 초기 값으로 프로그램된 모드로 연료와 공기를 혼합하게 되는데 이를 OLF(Open Loop Fueling)이라고 합니다. 산소 센서가 예열이 되면 산소 센서와 MAF(Mass Air Flow) 센서를 포함한 다양한 센서로 부터 정보를 받아 연료와 공기의 혼합비를 결정하게 되는데 이를 CLF(Closed Loop Fueling)모드라고 하고 바로 이 시점이 RPM이 떨어지는 시점입니다. 

CLF 모드에서는 연소에 사용되지 않은 연료는 재사용되지만 OLF 모드에서는 버려지가 됩니다. 여름철 예열에는 큰 관련이 없지만 겨울철에 엔진 예열을 위해 RPM이 떨어질 때까지 예열을 하게 되면 연료 소모가 꾀 발생하게 되며 정차중 예열의 한계로 소모된 연료 대비 예열이 많이 되지 않습니다. 그러므로 공회전 시간을 최소화하고 저속 주행을 위한 워밍업이 중요합니다. 

저속주행을 통한 예열

엔진에 오일이 적절히 순환하면 바로 저속 주행으로 들어가는 것이 좋습니다. OM651을 포함한 거의 모든 엔진은 적정 동작 온도가 존재하며 이 온도는 주행 없이 예열만으로는 올릴 수 없습니다. 그렇기 때문에 예열보다는 빠른 시간 안에 엔진을 적정 동작 온도로 올려주는 것이 중요하며 일부 국가의 벤츠 메뉴얼에서는 정차 중 예열을 피하고 빨리 엔진을 예열시키라고 가이드 한다고 합니다. 이는 정차 중 긴 예열이 아닌 저속 주행을 통해 엔진을 적정 온도로 올리도록 권장하는 것입니다. 

터보차저가 달린 디젤에 후열이 필요한 이유

이전에 쓴 OM651 엔진에 관한 글에서도 언급하였지만 OM651은 듀얼 터보차져가 들어가 있고 각각은 저속과 고속 주행에서 동작하도록 되어 있습니다. 터보챠저가 장착된 차량은 운행 후 후열이 필요한데요 엔진이 종료되면 터보챠저에 공급되던 오일의 순환이 멈추게 되지만 매우 빠른 속도로 회전하던 터보차져는 좀 더 동작하다 멈추게 되어 엔진오일 순환 없이 회전하는 타이밍이 발생하기 때문입니다. 

그러나 이런 극단적인 경우는 거의 발생하지 않을 것으로 보입니다. 이유는 "ECO start/stop 과 터보차져 그리고 후열"를 참고해 주세요.  

엔진만 예열이 필요한 것은 아닙니다. 

부드러운 주행을 위해 예열이 필요한 것은 엔진만이 아닙니다. 미션 또한 중요합니다. 미션도 적정 온도가 되었을 때 재 성능을 발휘하게 됩니다. 하지만 P또는 N모드에서의 엔진 예열은 미션 에열에 큰 도움이 되지 못합니다. P나 N에 있어도 오일자체는 순환하겠지만 예열이 되지 않는 것이죠. 자동차 시동 시 윤활이 필요한 부분이 엔진 이외에 여려 부분에 걸처 필요하기 때문에 정차 중 엔진 예열만으로는 이러한 부분에의 윤활이 이뤄질 수 없으므로 시동 후 급가속을 자제하시고 저속 주행으로 워밍업을 하는게 좋습니다. 

7G-Tronic Plus 미션의 start/stop 기능과 후열

앞서 7G-Tronic Plus 미션에 관해 정리한 글이 있었습니다. 7G-Tronic Plus 미션의 start/stop 기능이 바로 엔진 후열과 관련이 있습니다. start/stop 기능이 활성화 된 상태에서 고속 주행 후 후열없이 바로 엔진이 정지되는 상황이 발생하게 되면 이는 후열 부재로 인한 터보 손상 문제가 발생할 수 있는 것입니다. 이 문제에 대한 보다 자세한 설명은 "ECO start/stop 과 터보차져 그리고 후열"을 참고해 주시기 바랍니다. 

 

디젤에 대한 선입견

디젤이라는 이유로 지나친 예열은 연비만 낮출 뿐 자동차의 내구성 유지에는 큰 차이가 없다는 것이 일반적인 견해입니다. 단 엔진 내부 윤활 후 자동차 전체 윤활을 위해 저속 주행을 유지하고 급가속을 억제하다가 적정 온도가 되었을 때부터 속도를 내는 것이 내구성 유지에 큰 도움이 된다고 합니다.  처음에는 요즘 같이 여름 날씨에도 디젤이라는 이유와 오래오래 조용하게 사용하겠다는 이유로 예후열 각 2분씩 했었습니다. 후회합니다. 그리고 주행 시 고속 주행이 늘어날수록 그만큼 후열이 길어진다는 점을 고려해 보세요. 

과거 산타폐를 몰았을 때 정차 중 예열만 수 분 하고 바로 고속 운행을 했던 기억이 있습니다. 아마 그래서 그렇게 예열을 충분히 하였는데도 엔진 소음이 시간이 지나면서 커졌던 거 같습니다. 

<Reference>

http://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_engine

http://www.mbca.org/forum/whats-wrong-idling-warm

http://forums.mercedesclub.org.uk/showthread.php?t=81958&page=1

http://www.china-lutong.com/news/173.html

http://uk.answers.yahoo.com/question/index?qid=20071021035009AAiesuk

http://en.wikipedia.org/wiki/Common_Rail#Principles