베이퍼 록
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1. 개요
베이퍼 록은 연료가 기화하여 엔진 또는 브레이크 시스템의 작동을 방해하는 현상이다. 과거 기화기 방식의 가솔린 엔진에서 연료 펌프의 위치와 연료 라인의 압력으로 인해 발생 빈도가 높았으며, 항공기에서는 연료의 낮은 증기압을 통해 예방한다. 자동차 브레이크 시스템에서는 브레이크액의 기포 발생으로 제동력 저하를 일으키며, 고속 브레이킹이나 긴 내리막길에서 풋 브레이크 사용 과다 시 발생할 수 있다. 최신 연료 분사 방식 엔진과 브레이크 시스템은 베이퍼 록 발생 위험이 줄었으며, 엔진 브레이크 사용, 브레이크액 정기 교환 등으로 예방할 수 있다.
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디스크 브레이크는 회전하는 디스크 로터를 캘리퍼 내 패드로 압착하여 제동하는 방식으로, 페이드 현상 감소, 소음 감소, 제동력 조절 용이 등의 장점이 있지만, 제동력 부족과 복잡한 구조의 단점도 있어 자동차, 오토바이, 자전거 등 다양한 분야에서 여러 형태의 로터와 캘리퍼로 활용된다.
2. 원인 및 발생 빈도
베이퍼 록은 주로 연료 시스템 내부 온도 상승으로 인해 발생한다.
기화기를 사용하는 구형 가솔린 엔진의 경우, 엔진 구획 내에 저압 기계식 연료 펌프가 연료 탱크보다 높은 곳에 위치하고 엔진에 의해 직접 가열되어 베이퍼 록 발생 가능성이 높았다. 연료 공급 라인에서 부압(게이지 압력)이 발생하면 탱크와 펌프 사이에 베이퍼 록이 발생할 위험이 커졌다.
연료 분사 방식이 적용된 최신 엔진은 연료 탱크 내에 전기식 잠수형 연료 펌프를 사용하여, 연료 펌프가 엔진보다 낮은 온도에서 작동하고 연료 공급 시스템 전체가 정압 상태를 유지하여 베이퍼 록을 예방한다.
차량이 교통 체증에 갇히거나 엔진이 뜨거울 때 시동을 끄고 잠시 주차하면 엔진룸 온도가 상승하여 베이퍼 록이 발생할 수 있다. 더운 날씨나 고도가 높은 곳에서도 발생 가능성이 커진다.
중력 공급 연료 시스템도 베이퍼 록에 취약하다. 연료 라인에서 증기가 형성되면 밀도가 낮아져 연료 무게로 인한 압력이 감소하고, 이는 연료를 탱크에서 기화기로 이동시키는 힘이므로 연료 공급이 중단될 수 있다.
베이퍼 록은 항공기 강제 착륙의 원인이 되기도 한다. 항공 연료는 자동차 가솔린보다 증기압이 낮게 제조되며, 항공기는 고도 변화에 따른 압력 변화에 더 민감하다. 액체는 저압 환경에서 더 낮은 온도에서 끓는다.
2. 1. 기화기 방식 연료 시스템
과거 기화기 방식의 연료 시스템은 엔진룸 내에 위치한 기계식 연료 펌프를 사용했는데, 이 펌프는 엔진에 의해 직접 가열되었고, 연료 탱크보다 높은 곳에 위치하여 연료 라인 내 압력이 낮아져 베이퍼 록 발생 위험을 높였다.[1] 연료는 공급 라인에서 부압(게이지 압력) 하에서 이동했기 때문에 탱크와 펌프 사이에 베이퍼 록이 발생할 가능성이 더 컸다.[1]기화기 내 플로트 챔버에 연료 증기가 유입되면, 챔버가 부분적으로 또는 완전히 비워져 엔진으로 공급되는 연료-공기 혼합비가 불안정해져 엔진 성능 저하를 유발했다.[1] 대부분의 기화기는 플로트 보울에 고정된 연료 수준에서 작동하도록 설계되었기 때문에, 연료 수준이 낮아지면 혼합 비율이 묽어져 문제가 발생했다.[1]
기화기 장치는 플로트 챔버로 공급되는 연료 증기를 효과적으로 처리하지 못할 수도 있었다.[1] 대부분의 설계는 플로트 보울 상단과 기화기의 흡입구 또는 외부 공기를 연결하는 압력 균형 덕트를 포함했지만, 펌프가 베이퍼 록을 효과적으로 처리하더라도 플로트 보울에 들어가는 연료 증기는 배출되어야 했다.[1] 이 증기가 흡입 시스템을 통해 배출되면 혼합 비율이 농후해져 혼합 제어 및 오염 문제가 발생하고, 외부로 배출되면 탄화수소 오염, 연비 손실 및 냄새 문제가 발생했다.[1]
이러한 문제를 해결하기 위해 일부 연료 공급 시스템에서는 연료 증기를 연료 탱크로 반환하여 액체 상태로 응축시키거나, 활성 탄소 충전 캐니스터를 사용하여 연료 증기를 흡수했다.[1] 이러한 시스템은 일반적으로 플로트 보울이 아닌 엔진 근처의 연료 라인에서 연료 증기를 제거했으며, 펌프의 과도한 연료 압력을 탱크로 되돌리기도 했다.[1]
2. 2. 연료 분사 방식 연료 시스템
현대의 연료 분사 방식 엔진은 대부분 연료 탱크 내부에 전기식 연료 펌프를 장착하여 베이퍼 록 발생 위험을 크게 줄였다. 연료 펌프가 연료 탱크 내부에 있어 더 낮은 온도에서 작동하고, 연료 라인 전체가 양압을 유지하기 때문이다.[4] 일부 기화기 엔진은 연료 탱크 근처에 전기 연료 펌프를 개조하기도 한다.[5]2. 3. 기타 요인
더운 날씨나 높은 고도는 베이퍼 록 발생 가능성을 높인다. 교통 체증으로 인해 차량이 갇히면 엔진룸 온도가 상승하여 베이퍼 록이 발생할 수 있다. 엔진이 뜨거울 때 시동을 끄고 잠시 주차하면 엔진 근처 연료 라인의 연료가 움직이지 않아 가열되어 베이퍼 록이 형성될 수 있다.[1]항공 연료는 자동차 가솔린(휘발유)보다 증기압이 낮게 제조되는데, 이는 항공기가 고도 변화에 따른 압력 변화에 더 취약하기 때문이다. 액체는 저압에서 더 낮은 온도에서 끓는다.[1]
3. 자동차 브레이크 시스템에서의 베이퍼 록
유압식 마찰 브레이크는 자동차 등에 사용되며, 강하고 빈번한 브레이크 조작이나 긴 제동 시 베이퍼 록 현상이 발생할 수 있다. 이 현상은 브레이크 페달의 반발력이 없어지고, 여러 번 펌핑해도 제동력이 발휘되지 않는 증상을 동반한다.[7]
유압식 파워 스티어링의 경우, 펌프가 플루이드를 순환시키고 리저브 탱크에서 압력이 해제되어 큰 기포는 사라지는 경우가 많다. 또한, 상승 온도가 브레이크액보다 낮아[7] 심각한 상황은 드물지만, 플루이드 과열 시 유압 회로 내 기포 증가로 어시스트력이 전달되지 않을 수 있다.
3. 1. 발생 원인
강하고 빈번한 브레이크 조작이나 긴 제동 시에 브레이크에 사용되는 마찰재가 가진 열의 냉각이 제대로 이루어지지 않아 브레이크 캘리퍼(또는 휠 실린더)가 과열된다. 이로 인해 제동력을 전달하는 브레이크액 속의 수분이 끓어 브레이크 배관 내에 기포(증기)가 발생한다.액체는 힘이 가해져도 압축되지 않아 효율적으로 압력을 전달할 수 있지만, 기체는 응축될 때까지 체적을 줄여나가기 때문에, 브레이크 페달을 밟아도 기포가 작아지는 것으로 그 움직임(힘)이 흡수되어 브레이크액의 압력은 거의 변하지 않는다. 그 때문에 브레이크 페달로부터의 힘이 캘리퍼 피스톤(휠 실린더 피스톤)까지 전달되지 않아 결과적으로 브레이크가 듣지 않게 된다. 이러한 현상을 베이퍼 록 현상이라고 한다.[7]
베이퍼 록은 주로 고속 영역에서의 강한 브레이킹이나, 긴 내리막길에서 풋 브레이크를 과다하게 사용하여 발생한다. 풋 브레이크를 해제함으로써, 많은 경우 주행풍에 의해 냉각되어 회복된다. 긴 내리막길 등에서는 미리 속도를 줄이거나, 낮은 기어를 선택하여 엔진 브레이크, 회생 브레이크나, 대형차에서 사용하는 기타 보조 브레이크(배기 브레이크, 리타더, 압축 개방 브레이크)를 효과적으로 이용하여 풋 브레이크에 대한 의존도를 낮춰 베이퍼 록을 예방할 수 있다.
3. 2. 증상 및 위험성
브레이크 페달을 밟아도 제동력이 제대로 전달되지 않아 제동 거리가 길어지거나, 심한 경우 제동이 불가능해질 수 있다. 브레이크 페달의 반발력이 약해지거나, 여러 번 밟아도 제동력이 회복되지 않는 증상이 나타난다.[7]이는 브레이크에 사용되는 마찰재가 가진 열의 냉각이 제대로 이루어지지 않아 브레이크 캘리퍼(또는 휠 실린더)가 과열되고, 제동력을 전달하는 브레이크액 속의 수분이 끓어 브레이크 배관 내에 기포(증기)가 발생하기 때문이다.
액체는 힘이 가해져도 압축되지 않아 효율적으로 압력을 전달할 수 있지만, 기체는 응축될 때까지 체적을 줄여나가기 때문에, 브레이크 페달을 밟아도 기포가 작아지는 것으로 그 움직임(힘)이 흡수되어 브레이크액의 압력은 거의 변하지 않는다. 그 때문에, 브레이크 페달로부터의 힘이 캘리퍼 피스톤(휠 실린더 피스톤)까지 전달되지 않아, 결과적으로 브레이크가 듣지 않게 된다.
주요 증상으로는 브레이크 페달의 반발력이 없어지고, 여러 번 펌핑해도 제동력이 발휘되지 않는 상황이 발생한다.
3. 3. 예방 및 대처
내리막길에서는 엔진 브레이크를 적극적으로 활용하여 풋 브레이크 사용을 줄이는 것이 중요하다.[8] 자동(AT) 차량의 경우, 오버 드라이브(O/D) 기능을 해제하거나[9] 저단 기어를 사용하여 엔진 브레이크를 활용할 수 있다.브레이크액은 정기적으로 교환하여 수분 함량을 낮게 유지해야 한다. 특히 DOT 4, DOT 5 브레이크 액은 수분 흡수율이 높으므로 더 자주 교환해야 한다.
베이퍼 록이 발생했을 때는 다음과 같이 대처한다.
1. 엔진의 과회전(오버레브)에 주의하며, 변속기 기어를 단계적으로 낮춰(시프트 다운) 엔진 브레이크로 서서히 속도를 줄인다.
2. 주차 브레이크를 함께 사용한다. 단번에 조작하면 타이어가 잠겨 미끄러질 수 있으므로, 조금씩 사용한다.
3. 풋 브레이크는 냉각될 때까지 사용을 자제한다.
불가피한 경우, 긴급 대피소나 가드레일 등을 이용하여 강제로 차량을 정지시킨다.
4. 모터스포츠에서의 베이퍼 록
과거 스톡카 레이싱에서는 자동차가 전통적으로 휘발유와 기화기를 사용했기 때문에 베이퍼 록이 흔히 발생했다. 2012년 NASCAR에서 연료 분사 방식이 의무화되면서 베이퍼 록은 대부분 사라졌다.
포뮬러 1과 인디카 레이싱과 같은 다른 모터스포츠에서도 베이퍼 록은 드물게 발생하는데, 이는 연료 분사 방식과 휘발유보다 낮은 증기압을 가진 알코올 연료(에탄올 또는 메탄올)를 사용하기 때문이다. 그러나 완전히 발생하지 않는 것은 아닌데, 2022년 바레인 그랑프리에서 레드불 레이싱의 두 대가 베이퍼 록으로 인해 리타이어했는데, 이는 연료 시스템의 이례적으로 높은 온도 때문으로 추정된다.[2]
5. 다른 연료에서의 발생 빈도
연료의 휘발성이 높을수록 베이퍼 록이 발생할 가능성이 커진다. 역사적으로 가솔린은 현재보다 휘발성이 더 높은 증류액이었고 베이퍼 록에 더 취약했다. 반대로, 경유는 가솔린보다 휘발성이 훨씬 낮아서 경유 엔진은 거의 베이퍼 록으로 고생하지 않는다. 그러나 경유 엔진의 연료 시스템은 연료 라인에서 에어 록에 훨씬 더 취약하다. 표준 경유 연료 분사 펌프는 연료가 압축되지 않는 것에 의존하기 때문이다. 에어 록은 연료 공급 라인으로 공기가 새어 들어가거나 탱크에서 들어오면서 발생한다. 일반적인 원인으로는 연료 탱크가 바닥나도록 놔두는 경우, 연료 필터를 교체하는 경우 또는 연료 라인이 새는 경우 등이 있다. 에어 록은 스타터 모터를 사용하여 엔진을 일정 시간 돌리거나 연료 시스템을 공기 빼기로 제거한다.
최신 경유 분사 시스템에는 에어 록 문제를 제거하는 자동 공기 빼기 기능이 있는 전기 펌프가 있다.
참조
[1]
서적
The Internal-combustion Engine in Theory and Practice: Combustion, fuels, materials, design
https://books.google[...]
M.I.T. Press
1985
[2]
웹사이트
Nach Doppelausfall: Red Bull hat Fehler gefunden
https://f1-insider.c[...]
2022-03-23
[3]
논문
Effect of vapor lock on root canal debridement by using a side-vented needle for positive-pressure irrigant delivery
[4]
논문
燃料協会誌
https://doi.org/10.3[...]
[5]
간행물
環境に貢献するガスタービン燃焼器技術
https://www.mhi.co.j[...]
三菱重工技報
[6]
웹사이트
ヴェイパーロック現象
https://www.drivers-[...]
[7]
웹사이트
自動車用潤滑油について
http://www.nks-ris.c[...]
[8]
문서
[9]
문서
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