[Formula 1] #42 - F1 차량의 시동을 걸어보자! <F1 차량의 시동을 거는 과정에 대하여> (1)

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들어가며

 가끔 문득 이런 생각이 든다.

F1 차량은
어떻게 시동을 걸까?

 

 일반 차량처럼 특별한 키(Key)가 있나? 아니면 키 없이 시동을 걸 수 있도록 한 시동 버튼이 있나? 결론부터 말하면 그렇지 않다. 사실 굉장히 기술적으로 복잡한 방법을 통해 F1 차량의 시동을 걸 수 있다.

 

 본론에 들어가기에 앞서 간단히 말하면, 엔진과 오일의 온도를 특정 온도까지 올리고 난 후 엔진의 각종 파츠에 윤활유를 바른 후 크랭킹(Cranking) 작업까지 마치고 최종적으로 온도 외에 모든 다른 요구사항들이 만족되었을 때 비로소 시동을 걸 수 있다.

 

 이렇게만 들어서는 너무 '어렵다'. 왜 이런 복잡한 방법이 필요할까 생각이 들지만, 자세한 내용은 본론에서 살펴보기로하자.

 

 이 포스팅을 읽고 나면 F1 차량의 시동 거는 방법에 대해서 완벽히 이해할 수 있을 것이라 생각된다. 어김없이 레쮸-고 해보자!

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F1 파워 유닛에 대해

 이전에 F1 파워 유닛에 대해 자세히 다뤘던 포스팅이 있기에, 파워 유닛에 대해서는 간략하게만 짚고 넘어가보자.

궁금하면 이전 포스팅!

2022.09.18 - [Formula 1 (포뮬러원)/Formula 1 Tech. Stuff] - [Formula 1] #35 - F1의 하이브리드 파워 유닛(Hybrid Power Unit) 파헤치기

[Formula 1] #35 - F1의 하이브리드 파워 유닛(Hybrid Power Unit) 파헤치기

이미지에는 빠졌지만 CE(Control Electronics)도 파워유닛에 포함된다.

 F1 파워 유닛은 총 6개의 컴포넌트로 구성된다. ICE(Internal Combustion Engine), TC(Turbo Charger), MGU-K(Motor Generator Unit-Kinetic), MGU-H(Motor Generator Unit-Heat), ES(Energy Store), CE(Control Electronics)가 F1 파워 유닛을 구성하는 6개의 컴포넌트다.

 이 중 우리가 주목해야 할 것은 ICE(Internal Combustion Engine), 즉 우리가 흔히 아는 내연 엔진과 CE(Control Electronics) 즉 에프원 차량의 두뇌를 담당하는 제어 전자장치들이다.

르노의 V6 엔진

 ICE의 경우 1.6리터의 V6 터보차저 직분사 엔진을 사용한다. 특히 에프원 엔진의 RPM은 굉장히 고 RPM 영영까지 올라가는데, 무려 15000 RPM까지 올라간다. 일반 차량의 거의 2배에서 2.5배 정도 된다. 엔진이 워낙 초고성능이고,  MGU, TC 등과 절묘하고도 민감하게 서로 엮여있기 때문에 시동을 걸 때는 아주 세심하게 다뤄주어야 한다.

 

엔진에 연결된 수 많은 전자장치들

 또한 F1 차량의 CE는 수 천개의 와이어가 연결되어 있다. 각 전자장치에 연결된 와이어를 통해, 드라이버가 파워 유닛의 여러 기능들을 잘 제어할 수 있도록 해준다. 엔지니어들이 차량의 시동을 걸 때 컴퓨터를 CE에 연결해 엔진을 포함한 차량 각 장치 및 부품들의 여러 파라미터(Parameter)들을 모니터링한다.

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시동, 그냥 걸면 되는 거 아닌가?

 

 자 이제 파워 유닛이 대략 어떻게 구성되었는지도 알았겠다, 슬슬 F1 엔진의 시동 거는 법에 대해 시동을 걸어보자(?).

 

 F1 엔진의 시동을 거는 것은 어떻게 보면 굉장히 엄격한 과정을 필요로 한다. 이러한 과정의 대부분은 엔진의 회전하는 모든 부품들에 손상을 방지하기 위해 요구된다. 왜냐하면 F1 엔진은 베어링과 이를 견뎌야하는 피스톤이 굉장히 타이트하기 때문에 절대로 일반 공도차량처럼 시동을 걸 수는 없다.

 이를 요약하면 간단히 이렇게 말할 수 있을 것 같다.

 

이 정도면 시동을 걸어도
엔진에 손상이 가지 않겠구먼!
진행시켜!

 

 더불어 F1 경기에서 차량은 모든 레이스 스타트에서 출발선을 가장 먼저 빠져나와야 하기 때문에, 이 시점의 차량은 최고의 성능과 파워를 내야 한다. 예를 들어, 엔지니어들은 외부 장치를 이용하여 ES(Energy Store aka 배터리)를 완충시킨 상태로 차량을 내보내야 한다. 어떤 드라이버도 배터리가 절반 밖에 차지 않은 상태에서 출발하고 싶지는 않으니까!

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F1 엔진 시동거는 과정

 이제부터 정리할 내용에는 크게 두 가지가 자연스럽게 녹아 있다. 첫째로는 일반적으로 알려진 F1 시동거는 과정이다. 웹 상에 굉장히 많은 정보들이 있는데, 그 중 신뢰할 만하면서도 자세하게 적힌 정보를 잘 정리해봤다.

두번째로는 실제 F1 팀의 시동을 담당하는 엔지니어와의 인터뷰에서 언급된 내용이다. 이전 르노(Renault) F1 팀에서 F1 엔진의 시동 거는 것에 대해 이야기한 적이 있다. 여기서 엔지니어가 실제로 시동을 걸면서 각 과정에 대해 조금 더 디테일하게 언급한 부분이 있는데, 이 내용도 잘 녹여보았다.


자 그럼 이제 본격적으로 정확히, 구체적으로, 어떠한 과정을 거쳐 엔진의 시동을 거는지 하나씩 살펴보자.

| F1 엔진 시동 과정 |
Step 1 : 엔진 예열
Step 2 : 엔진 오일 예열
Step 3 : 엔진 윤활
Step 4 : 엔진 시동 ON
Step 5 : 엔진 온도 및 압력 유지

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Step 1 : 엔진 예열

 첫 스텝은 엔진을 충분히 예열하는 작업이다.

 

 먼저 냉각수를 이용하여 엔진을 예열한다. '냉각수로 엔진을 예열한다' 라는 말이 의아스러울 수 있다. 냉각수는 원래 엔진을 식히는 용도 아닌가..?

 

 방법은 이렇다. 일종의 발상의 전환인데, 뜨거운 냉각수를 냉각수가 지나가는 호스에 펌프를 이용해 넣어주는 것이다.

 

 일반적으로 주행 중에는 뜨거운 엔진에 비해 냉각수의 온도가 낮기 때문에 냉각수로 엔진을 식힌다. 이것을 반대로 생각한 것으로부터 착안하여 냉간 시에 차가운 엔진 주위에 뜨거운 냉각수를 주입하여 엔진을 예열시키는 것이다.

 

 냉각수 펌프는 보통 트롤리에 얹어져 있져 두개의 플러그를 통해 냉각수 호스와 연결된다. 엔진은 정해진 특정 온도(대략 80도 정도)까지 데워져야 한다.

 

 엔진의 ECU는 시동 팀의 랩탑에 연결된다. 차량에 부착된 위치, 온도, 압력 등을 측정하는 여러 센서들이 감지하는 데이터는 랩탑으로 전송된다. 이를 통해 엔진의 각종 파라미터를 모니터링 할 수 있다.

 

 특별하게 이 과정에서 시동 담당 팀은 사이드포드(Sidepod) 안 쪽에 있는 주입구로 병에 담긴 압축된 공기를 넣어준다. 이 작업은 시동을 걸 때 엔진 내부의 공압 밸브(Pneumatic Valve) 내에서 공기 누출의 밸런스를 맞추기 위함이다.

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Step 2 : 엔진 오일 예열

 이 시점에 엔진 내부는 사실상 말라있다. 다시 말해 엔진에는 거의 오일이 없다고 보면 된다. 이는 이 시점에 엔진 오일이 모두 오일 탱크로 드레인(Drain) 되어있기 때문이다.

 엔진 내부 챔버(Chamber)는 움직이는 파츠들의 마모 방지를 위해 뜨거운 오일로 윤활 작업이 이루어져야 하므로, 탱크에 있는 오일 또한 적정 온도까지 데워져야 한다.

| 참고 | 엔진과 엔진 오일을 데우는 것은 사실 동시에 이루어진다. 비록 다른 테크니션들이 서로 다른 랩탑을 이용하여 모니터링 하기는 하지만 거의 동시에 이루어진다.

 

 엔진 오일은 오일 탱크 내부에서 직접적으로 예열되는 것이 아닌, 특수 제작된 워밍 펌프(Warming Pump)를 통해 탱크와 펌프를 순환하면서 예열된다. 따라서 오일 탱크 외부에서 데워진다고 볼 수 있다.

 오일 예열 장치를 모니터링하는 테크니션은 엔진오일이 점진적으로 그리고 균일하게 데워지도록 해야 한다. 이는 엔진 오일 내에 핫 스팟(Hot Spot)을 발생시키면 안 되기 때문이다.

 핫 스팟(Hot Spot)은 오일이 균일하게 데워지지 않고 특정 부분만 과하게 열이 가해졌을 때 발생하는 녀석인데, 이는 엔진 오일의 화학적 결합을 깨뜨릴 수 있다. 이로 인해 엔진에 치명적인 문제이 야기될 수 있으므로 반드시 또 반드시 방지해야 한다.

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Step 3 : 엔진 윤활

 엔진 온도가 80도 정도까지 충분히 예열되었다면 냉각수 호스의 연결을 끊어준다. 하지만 엔진과 엔진오일이 최적의 온도에 도달했을지언정 아직 엔진에 불을 지필 수는 없다. 그전에 엔진의 내부 챔버에 윤활유를 발라줘야 한다.

 

 이를 위해 엔진 크랭킹(Engine Cranking) 작업이 필요하다. 크랭킹이란 크랭크 축을 회전시킨다는 의미인데, 이 크랭킹 작업은 엔진에 불을 붙히지 않고 직접 크랭크 축을 돌려 이루어진다. 이때 사용되는 것이 바로 스타터 모터(Starter Motor)다.

 

 스타터 모터는 힘이 굉장히 강한 전동 모터다. 스타터 모터는 크게 24V 배터리 팩과 기어박스 끝에 연결되는 스타터 이렇게 2가지로 구성된다. 스타터 모터에는 기어박스 안 쪽으로 들어가는 기다란 샤프트(Shaft)가 있다. 이 샤프트는 F1 차량 뒤쪽에 기어박스로 이어지는 구멍을 통해 인풋 기어박스 샤프트와 연결되어, 결과적으로 엔진과 연결된다.

 

 이 샤프트에는 리덕션 기어박스(Reduction Gearbox)와 클러치(Clutch)가 있다. 이 스타터 모터의 기어박스를 통해 엔진을 크랭킹할 때 실제 프로브의 회전속도보다 5배 빠른 속도로 엔진의 크랭크 축이 회전할 수 있다.

 

 이러한 스타터 모터의 궁극적인 역할은 엔진의 윤활 작업이다. 스타터 모터를 통해 샤프트가 회전하면 엔진 내부 갤러리에 엔진 오일이 순환되어 피스톤, 링, 베어링, 콘로드(Conrod) 등의 엔진 파츠들이 아주 얇은 막의 오일로 코팅된다.

 

 한편 스로틀(Throttle), 클러치(Clutch), 기어박스(Gearbox) 가 케이블을 통해 랩탑에 연결되어 지속적으로 모니터링된다. 랩탑을 통해 차량의 기어는 중립(Neutral)으로 설정해두며, 혹시라도 잘못되어 시동이 걸리는 것을 방지하기 위해 시동 담당 감독관의 컴퓨터의 차량 컨트롤 스위치는 오프(Off)인 상태로 둔다. 반드시 엔진의 시동을 걸기 전까지 이 버튼은 오프(Off)인 채로 유지시켜둬야 한다.

 크랭킹 작업을 진행하면 랩탑 화면을 보면 오일압(Oil Pressure)이 점차적으로 형성되는 것을 볼 수 있다. 모든 시스템이 기준을 만족하여 엔진 시동을 위한 준비가 완료되면 엔진 시동 담당 미케닉(Mechanic)은 지시를 받고 앞서 오프(Off) 시켜둔 버튼을 온(On)으로 전환하여 드디어(!) 엔진에 불을 붙인다.

 

 크랭킹 시간은 엔진이 얼마나 아이들링(Idling)했느냐에 따라 결정된다. 예를 들어 서킷을 몇 바퀴 돌고 들어온지 얼마 안 된 엔진은 아직 엔진 표면에 따듯한 오일 잔여물이 남아있기 때문에 단 몇 초만 크랭킹해주면된다. 반대로 이 날 첫 시동을 거는 경우라면 윤활될 때까지 더 많은 시간동안 크랭킹을 해줘야 한다.

 몇 초만 크랭킹하든 더 많은 시간동안 크랭킹하든, 시동 담당 테크니션들은 지속적으로 오일 온도, 오일 압, 엔진 온도, 냉각수 온도를 확인해야 한다.

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Step 4 : 엔진 시동 ON

 자 이제 엔진 온도도 올랐고, 오일 압(Oil Pressure)도 적정 수준에 도달했으며, 엔진 내부도 크랭킹을 통해 윤활되었다. 

 모든 준비가 끝났기 때문에, 테크니션과 미케닉은 차량의 콕핏(Cockpit)에서 스티어링 휠에 있는 연료 시스템 버튼과 점화 버튼을 통해 차량의 시동을 건다.

 

 이 과정에서 엔진은 대략 3000~4000 RPM에서 아이들링(Idling)한다. 엔진의 시동을 거는 순간 냉각수는 순환하기 때문에 냉각수의 온도는 급격히 60도 정도로 떨어진다. 그러나 곧 약 2초 당 1도의 속도로 80도까지 올라간다.

 차량의 시동이 걸린 후 엔진은 충분히 웜업(Warm-up)되어야 한다. 전자계통을 담당하는 미케닉(Mechanic)은 웜업 프로그램을 구동시킨다. 이 소프트웨어를 통해 웜업 과정은 완전 자동화(Fully-automated) 되어있다.

 

 이 시점에 다른 미케닉은 드라이버 시트에 앉아서 기어를 바꿔보기도 하고, 클러치도 작동시켜보고, 스티어링 휠을 좌우로 돌려 파워 어시스트 회로가 정상 동작하는지 확인해보고, 피트 페달(Pit Pedal)이라 불리는 조이스틱을 통해 스로틀(Throttle)을 조작하기도 한다. 이 과정에서 엔지니어는 랩탑을 통해 웜업 과정을 모니터링하고 엔지니어는 엔진과 오일의 온도, 그리고 오일 압력이 여러 RPM 지점에서 요구조건을 만족하는지 확인한다.

 정지해있는 상태의 F1 엔진에는 공기가 과급되지 않아 엔진이 과열될 수 있다. 따라서 모든 엔진 웜업 작업이 끝나면 엔진을 멈춰야한다. 멈추기 전에 약 5초에서 7초 동안 RPM을 7000 RPM까지 올린다.이는 엔진 내부에 오일을 완전히 제거하기 위함인데, 이를 통해 엔진 내부에 있는 오일을 최대한 오일 탱크로 드레인(Drain)해준다. 오일이 한번 탱크에 안착하게 되면, 엔지니어는 탱크에 있는 오일의 양과 높이를 확인한다.

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Step 5 : 엔진 온도 및 압력 유지

 드라이버가 차량의 통제권을 거머쥐기 전까지, 엔진 온도와 압력을 유지하기 위해 간헐적으로 차량의 시동을 걸어준다. 이 덕분에 엔진 구동 온도는 거의 하루종일 유지될 수 있다. 이때 시동 작업은 외부 장치의 도움 없이 이루어진다.

 엔지니어 랩탑에는 오일 탱크의 오일 레벨 센서가 연결된다. 엔지니어가 차량이 그리드에 서기 전 오일의 적정량을 확인할 수 있게 해준다.

 

 

 그리드 정렬을 위해 F1 차량이 서킷으로 나서야 할 때 엔진에 본격적으로 시동이 걸린다. 엔지니어가 생각하기로 차량이 그리드에 설 준비가 되었다고 판단했을 때에만 드라이버는 콕핏(Cockpit)에 들어갈 수 있다. 드라이버가 탑승해서 엔진이 적정 수준으로 올라왔는지 등 드라이버만의 파라미터를 확인한다.

 

 이때 드라이버는 수치적인 부분도 확인하지만, 순전히 드라이버 스스로가 '느끼는' 엔진 상태를 점검한다. 물론 엔진의 온도와 압력은 드라이버가 콕핏에 있을 때에도 지속적으로 모니터링된다.

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마치며

 여기까지가  F1 엔진 시동거는 과정이다. 실제로는 더욱 더 복잡하겠지만 전체적인 과정은 이렇다라고 할 수 있다.

 

 F1 엔진의 가격은 약 130억원에 육박한다. 가격에서 알 수 있듯 F1 엔진은 인간 지식으로부터 나온 초고도화된 지식 복합체라고 할 수 있다. 그렇기에 시동거는 것 조차 단순하지 않다.

 단순히 일반 차량처럼 시동을 걸지 않는다는 것은 알고 있었는데, 막상 정리해보니 어마어마하게 복잡하고 예민한 과정이라는 것을 깨달았다. 포스팅 내용 중 '어떤 드라이버도 차량이 완벽하지 않은 상태에서 트랙에 나가고 싶지 않다'라는 말이 있었다. 시동을 담당하는 엔지니어, 테크니션 그리고 미케닉들 덕분에 드라이버가 이들을 믿고 레이스에 임할 수 있는 것이지 않을까 싶다.

 곧 2023년 시즌이 시작이다. 올해도 되는 대로 열심히 정리해서 포스팅하도록 해봐야겠다.

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참고 자료

https://f1chronicle.com/how-do-you-start-a-formula-1-engine/

How Do You Start A Formula 1 Engine? | F1 Chronicle

https://www.auto123.com/en/news/f1-technique-how-to-start-a-formula-1-engine-part-1/35675/

F1 Technique: How to start a Formula 1 engine (Part 1) | Car News | Auto123