●주유 중 갑자기 "철컥", 주유기가 어떻게 알고 정지하지?
●무시하고 꽉꽉 밟아서 만땅 채워도 괜찮을까?
주유 노즐이 자동 정지되는 원리
셀프 주유소에서 주유를 할 때, 연료가 가득 차면 자동으로 주유가 정지되는데, 어떤 구조인지 궁금하지 않나요?
뭐~ 전자센스가 붙어 있겠지.
아닙니다. 자동으로 주유가 정지되는 구조는 "벤투리 효과"라는 현상과 관련이 있습니다.
유체역학의 하나로써, 유체의 흐름을 일정 구간 "좁히면" 유속은 증가하고 압력을 발생시키는 원리입니다.
물이 나오는 호스의 중간 부분을 누르면 물이 더 빠르게 빠져나오게 되는데, 이것도 벤투리 효과가 적용된 현상입니다. 마치 빌딩과 빌딩 사이에 바람의 속도가 주변의 바람세기보다 더 빨라지는 것과 같습니다.
벤투리 효과가 일어나는 이유는 다음과 같습니다.
유체역학에서 파이프 안을 흐르는 유체 (또는 기체)는 직경이 더 좁은 부분을 만나면 유체의 속도가 빨라지고, 역학적 에너지 보존을 위해 압력은 낮아지게 됩니다.
아래 그림, 직경 2m의 긴 파이프에서 이상적인 현상은 벤투리 구간의 파이프 압력이 상류 및 하류와 동일한 파이프 직경을 가정하여 업스트림 압력과 동일해야 한다. 그러나 실제로 다운스트림 압력 게이지는 업스트림 압력보다 약간 낮아진다.
이 원인은 유체가 벤투리 구간을 통과할 때 불가피한 에너지 손실 때문이다. 이러한 압력 손실은 튜브 내벽에 대한 유체 마찰과 벤투리 통로에서 난류 유체의 움직임 때문이다. 그러나 중요한 것은 벤투리 구간의 압력은 월등히 낮아진다는 사실이다.
속도는 어떤 현상을 나타낼까?
중간에 직경이 1m까지 점점 좁아졌다가 다시 출구 쪽으로 2m 넓어지는 구조의 파이프는, 입구 측에서 일정한 속도(v1)로 흐르는 물은 벤투리의 좁은 부분에서 더 빠른 속도(v2)로 흐른다. 왜냐하면 동일한 부피의 물이 2m와 1m의 파이프 구간에서 같은 시간 안에 통과해야 하기 때문이다.
만약, 입구측 속도 v1과 벤투리 파이프측 속도 v2가 줄어들지 않고 일정하게 유지된다고 가정한다면 (v1=v2), 물이 1m의 좁은 직경을 통과하는 시간이 늘어나는 만큼 직경 2m 파이프의 물이 정체되어 v1측 속도가 줄어드는 모순이 생기게 되기 때문이다.
또한 벤투리 효과에서 가장 중요한 개념은 유체의 속도가 높아지면서 압력은 낮아진다는 것인데, 이것은 "베르누이 방정식"을 통해 쉽게 구할 수 있다.
BMW 차량 전면부 Air Vent 일러스트
베르누이 법칙에서 유속이 높아지면 압력은 낮아지는 원리를 이용한 것으로는 휘발유나 경유를 흡입하는 자동차 엔진의 카뷰레이터, 분무기, 에어브러시, 온돌 구들, 날개 없는 선풍기, 비행기 날개 등이 있다.
벤투리 효과를 발견한 사람은 이탈리아 물리학자 Giovanni Venturi (1746-1822)이다. 벤투리 효과를 응용한 것으로는 주유노즐, 벤투리관, 벤투리 유량계, 벤투리 펌프, 온돌 구들 등이 있다,
벤투리 펌프 실험
5천년전 페루 카랄문명이 땅밑으로 공기 통로를 설치하여 공기의 흐름을 빠르게 하고, 이를 이용하여 지하 동굴의 각 거주공간마다 불을 지펴서 보관했다는 유적을 발견되기도 했다.
이제 허접한 과학 이론이 개략 설명되었다고 보고, 본론으로 들어가 보겠습니다.
주유소에 있는 주유노즐이 자동으로 정지되는 기능은 아래와 같이 설명할 수 있습니다.
셀프 주유를 할 때, 주유노즐 주둥이를 자세히 본 사람은 그리 많지 않을 것입니다.
주유 중에 자동차 연료 탱크에 기름이 가득 차면 주유노즐이 갑자기 큰 소리를 지르며 "철컥~" 하고 주유가 멈추는 것에 대해, 평소 호기심이 발동되신 분들도 계실 것이고 아닌 분들도 계실 겁니다.
호기심을 가지신 분들은 질문을 많이 하기 때문에 틀림없이 학창시절 학교성적도 높은 학생임에 틀림없을 것입니다.
"The important thing is not to stop questioning. Curiosity has its own reason for existing.”
-Albert Einstein-
호기심 많은 분들이 하는 대부분의 행동은, 주유노즐 주둥이 (Spout)에 전자 센스 같은 게 붙어 있지는 않은지 이리저리 살펴보는 분들입니다. 그렇지만 당연하게도 아무것도 부착되어 있는 것이 없습니다.
보이나요? 파이프 안에 있는 또 다른 파이프.
그런데, 진짜 관찰력이 좋은 분들은 주유노즐 주둥이 안쪽에 또 하나의 작은 파이프를 발견하거나, 주둥이 바로 뒤쪽에 조그마한 구멍이 나 있는 것을 본 적이 있을 겁니다.
이 작은 구멍을 "벤투리 관" 이라고 하는데, "Sensing Port", 또는 '진공 파이프'라고도 합니다.
이 특별한 관은, 직경이 큰 주유노즐 메인 파이프 내부에 별도로 부착되어 전체적으로는 이중 파이프 구조로 되어있는 노즐입니다.
주유를 시작하면, 주유노즐 주둥이에는 연료가 흘러나와 자동차 탱크로 유입되고, 탱크 속 진공에 의해 벤투리 파이프로는 공기가 빨려 들어가기 시작합니다.
주유는 계속되고, 빨려 들어 간 공기는 주유 노즐 뭉치 내부에 있는 Diaphragm 다이어프램을 돌아서 다시 연료와 혼합되어 자동차 연료 탱크로 연료와 함께 주입됩니다.
이제, 주유 노즐 주둥이 근처까지 자동차 연료 탱크가 차오르고, 잠시후 벤투리 구멍까지 차오르면, 벤투리 파이프는 공기 대신 연료를 빨아 올리게 됩니다.
지금까지 다이어프램에는 공기만 들어오다가, 공기밀도 보다 훨씬 무거운 밀도의 연료가 갑자기 들어오게 되면 다이어프램 내부 압력이 갑자기 바뀌어 훨씬 더 많은 흡인력이 필요하게 되므로 파이프 중간에 진공이 생기게 됩니다.
그 진공으로 인해 다이어프램 부속 스프링이 수축하면서 연료주입 차단밸브가 위로 올라가면서 1차 연료 주입이 차단되고, 동시에 그 압력이 3단 관절 클립이 풀리면서 받치고 있던 진공챔버 노즐이 아래로 내려가고 "철컥~" 하면서 주유가 중단되게 되는 것입니다.
잘 이해가 안되죠? 아래 실물 주유노즐 사진으로 다시 정리하여 설명해 보겠습니다.
위 사진을 집중해서 보시기 바랍니다. 사진의 상태는 주유가 정지된 상태입니다. 우측 검지로 가르키는 "주유 ON/OFF 밸브" (힌색 프라스틱 Disk)가 위로 올라 가 있으면 주유가 가능한 상태가 됩니다. 현재는 Disk가 아래로 내려 와 있으며, Disk 바로 위에 있는 볼록단추 모양의 밸브시트가 주유통로를 막고 있는 상태입니다.
주유 중에는 Auto Shut-Off Spring이 확장되어 있고, "3단관절클립"과 "주유 ON/OFF 밸브는 위로 올라가 있는 상태입니다. 이제 진공챔버의 압력 변화로 인해 "Auto Shut-Off Spring"을 수축시키면, 3단관절 클립이 아래로 내려가면서 주유 ON/OFF 밸브의 흰색 밸브가 위에서 아래로 떨어지면서 주유가 멈추게 되는 것입니다.
이제 호기심이 풀렸나요?
이 메커니즘은 아주 오랫동안 사용되어 왔기 때문에 전자 전기회로나 배터리 없이 그냥 쇠 주물로 만들어진 순전히 기계적이고 독창적인 기술입니다. 이렇게 예사로 생각했던 주유소 노즐에 어마어마한 과학이 그것도 2가지나 숨겨져 있었던 겁니다.
한편, 주유를 시작하자마자, 주유가 자동으로 중지되는 경우가 있는데, 이런 현상은 주유할 때 주유 노즐을 완전히 삽입하기도 전에 주유 레버 (클립)를 세게 당겨서 처음부터 고속으로 기름을 주입될 경우, 기름 토출양이 순간적으로 많아져 노즐 주둥이에 있는 "벤투리관"을 막아 주유가 중지될 수도 있습니다.
주유를 시작할 때에는 주유 레버를 천천히 잡아당겨 주유를 해야 하는 이유입니다.
또, 차량 유증기 시스템에 문제가 있어도 주유 멈춤 현상이 일어날 수도 있습니다. Canister 캐니스터는 엔진이 정지하고 있을 때 연료탱크와 기화기에서 발생한 증발가스를 흡수, 저장하는 기능을 하고 있는데,
캐니스터는 연료 주입 시 연료 탱크에서 발생하는 휘발유 증발가스를 흡착하여 대기 중으로의 방출을 방지하고 엔진 작동 시 발생하는 흡기측 압력을 이용하여 캐니스터에 포집된 증발가스를 재연소시키고, 나머지 공기는 대기 중으로 내보내는 기능입니다.
이와 같이 캐니스터 내부에는 흡착력이 강한 활성탄으로 구성되어 있기 때문에 사용기간에 따라 흡착 용량이 변하게 되므로 주유 멈춤 현상이 있을 경우 이 부품을 점검해 주어야 합니다.
자동 주유 정지를 무시하고 꽉꽉 밟아서 주유하면 어떻게 될까?
그러나, 자동 정지 후에 더 많이 주유를 하기 위해, 보통 "꽉꽉 밟아서 주유한다" 라고 하는데 넘치지 않는다고 아슬아슬하게 넣어도 좋은 것일까?
결론부터 말하자면, 절대로 해서는 안 된다 입니다. 연료 중에서도 특히 레귤러 가솔린은 특히 위험하고 휘발성이 매우 높은 데다 인화점은 -40도로 매우 낮아 쉽게 인화할 우려가 있습니다.
따라서 꽉꽉 밟아서 기름을 넣어 버리면, 기화된 휘발유가 밖으로 배출되어 나오기 쉬워지고 정전기로 인해 화재가 발생할 가능성도 높아집니다.
또, 차종에 따라서는 주유구와 연료탱크를 연결하고 있는 고무파킹, Filler Neck, Leveling Pipe, Canister 등이 부식되거나, 손상될 수도 있습니다.
그리고, 주행 중 차체 흔들림에 의해 연료가 누출될 우려도 있고, 가파른 언덕을 주행할 때나, 언덕에서 주정차 시에 연료가 누출될 수도 있습니다.
누출된 연료가 흘러내릴 경우 자동차 도장면을 녹여 버리는 것은 물론, 누출된 연료가 자동차 타이어에 있는 과열된 브레이크 계통으로 흘러내려 화재가 발생되기도 합니다.
주유가 자동으로 정지한 시점은 거의 탱크는 가득 차 있는 상태이므로, 그 이상 급유해도 1리터 정도밖에 들어가지 않습니다. 간혹 경험 많은 렌터카 담당자는 "주유는 자동으로 정지될 때까지만 넣어 달라"고 부탁하는 것을 경험하신 분들도 계실 겁니다.
만약 재수 없으면, 수많은 경우의 수에 따라 별의별 화재사고로 이어질 수 있으므로, 단 한 번의 사고로 인해 인명과 재산의 피해가 발생하지 않도록 유의해야 되겠습니다.
연료탱크 용량
연료 탱크의 용량은 차종에 따라 차이가 있는데, 제네시스 G70의 경우는 60리터, 뉴그랜저 70리터입니다.
그렇지만, 이 용량은 기름을 넣을 수 있는 양이 아니라, 연료 팽창률을 고려한 탱크 용량이라는 점에 유의해야 합니다. 한여름 기온이 높은 날과 기온이 영하인 날에는 연료의 팽창과 수축에 의해 경유나 가솔린의 부피가 바뀔 수도 있기 때문입니다.
참고로, 오토바이는 주유할 때 자동멈춤 기능이 없기 때문에 주유노즐을 살짝 당기면서 육안으로 확인해야 합니다. 간혹 오토바이 연료탱크에 Overflow Drain Hose가 장착되어 있는 것도 있습니다.
끝
< 보너스 Tip >
아직도 자동변속기 차량을 운전하면서, 왼발은 브레이크, 오른발은 가속페달을 밟고 주행하시는 분이 있습니다.
돌발 상황에서는 급가속과 급감속을 반대로 하여 사고의 데미지를 확대시킬 수 있는 아주 위험천만한 운전 습관입니다.
양발 운전은, 당신이 상상하는 것 이상의 대형 사고로 이어집니다.