자동차학개론 <엔진>
자동차학개론 <엔진> 맛보기편
차를 비교할 때 가장 먼저 눈이 가는게 무엇일까요?
차의 크기, 디자인, 도어의 개수 등 이러한 것들은 이미 마음속에 정해져 있을 겁니다.
그렇다면 무엇을 우리는 "비교" 할까요?
아마도 엔진에 관심이 아무래도 가겠죠.
엔진이란?
엔진은 차를 달리게하는 원동력입니다.
가장 많이 사용되는 엔진으로는 가솔린(휘발유), 디젤(경유) 엔진으로 내연기관(Internal Combustion Engine)으로 불립니다.
그 다음으로 많이 사용되는 엔진은 하이브리드 엔진으로, 전기모터와 내연기관의 콜라보레이션이라고 생각하면 됩니다.
그리고 나머지는 순수 전기모터 자동차가 있겟죠.
이들의 효율로만 보면, 전기모터 > 하이브리드 > 내연기관 순으로 전기모터가 가장 좋은 효율을 뽑아내지만, 유지비와 가격자체도 높은점이 흠입니다.
엔진의 효율
기본적으로 소비자가 엔진의 효율을 따질 때엔 두가지 정도의 관점이 있을 수 있습니다.
- 같은 돈을 소비해서 얼마나 더 달릴 수 있는가
- 같은 돈주고 차를 살때 어떤 차가 더 빠른가
후자는 차를 타는 즐거움을 아는 사람들이 중점적으로 여기는 부분으로 엔진의 출력을 보게됩니다.
그렇다면, 어떤 차가 연비가 좋을까요?
이것은 엔진 제원(Specification)만 봐서는 종합적으로 알 수가 없습니다.
차의 크기, 무게, 트랜스미션, 휠, 공기역학적 디자인, 운전자의 운전습관 등 아주 복합적인 변수들이 있기 때문이죠.
자동차 제조사에서는 이러한 변수들을 소비자로 하여금 알기 쉽게 공식연비를 제공하고, 이 연비는 정부에서 고정된 상황을 통해 테스트를 합니다.
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| 현대자동차 A차량의 정부공인 표준연비 |
다음으로, 어떤 차가 빠를까요?
이 질문은 앞서 얘기한 연비보다도 훨씬 복잡합니다.
제원상의 출력만 봐서는 절대로 어떤 차가 더 빠를지 단정 짓지 못하는 이유입니다.
"그 차 제로백이 얼마야?"
그래도 친절한 제조사들은 이 복잡한 부분을 조금이나마 도움을 주기위해 "제로백"이라 불리는 정지상태에서 100km/h 속도까지 가속하는데 걸리는 "시간"을 제공하기도 합니다.
미국에서는 0-60mph로 단위만 환산이 된 동일한 지표를 제공합니다.
이러한 제로백 개념은 정지에서 직진으로 가속할 때라는 조건이 붙기 때문에, 이것만 봐서는 역시 복잡한 질문에 완벽한 대답은 되지 못합니다.
엔진의 구조
길에 보는 차들의 엔진 중 80%는 4기통 엔진이라고 봐도 됩니다.
한국은 미국에 비해, 운전 거리가 짧고, 배기량에 대한 세금의 차가 심하고, 기름값이 비싸기 때문에 연비적으로 효율적인 작은 엔진을 선호합니다.
미국은 반면, 운전 거리가 길고, 배기량에 대한 세금이 따로 없으며, 기름값 또한 싸기 때문에 전세계적으로 선택의 폭이 넓은 편입니다.
내연기관의 구조는 I자 모양의 엔진과 V자 모양의 엔진 그리고 H자 모양의 엔진이 있습니다.
I자는 일자형 엔진으로 I-4, I-6로 불리는 직렬4기통, 직렬6기통 엔진이 있습니다.
저렴한 가격으로 만들수 있는 엔진이기에 가장 일반적으로 적용되는 엔진입니다.
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| I-4 엔진의 구조 |
V자 엔진으로 V6, V8 등으로 불리는 V형6기통, V형8기통 엔진이 있습니다.
이들의 특징은 실린더가 60°나 90°처럼 일정 각도로 벌어져 마주보는 형태입니다.
추가적으로, 기본적인 내연기관 구조에 과급기라 불리우는 터보차저와 슈퍼차저라는 것이 있습니다.
이들은 엔진의 힘을 더 끌어내기 위한 보조장치라고 할 수 있는데요.
터보차저와 슈퍼차저는 같은 역활을 다르게 수행할 뿐입니다.
가솔린 1.6L 버전과 1.6L 터보 버전을 비교할 때,
어마어마 하게 증가한 마력과 토크를 볼 수 있습니다.
이처럼 성능을 위해 과급기를 추가로 붙이는 경우가 있고,
연비 향상을 위해 붙이는 경우가 있습니다. (예로 2.0L 엔진 vs 1.6L 터보엔진일 경우 터보엔진이 비슷한 출력과 향상된 연비를 갖는다.)
그렇다면...
마력이란 무엇일까요?
이처럼 답도 없는 질문도 없을겁니다.
옷을 사러 갔습니다.
답돌: "좋은 옷 하나만 주세요"
직원: " ... 예?"
좋고 나쁜 것에는 주관적 의견이 들어갈 수 밖에 없습니다.
직원이 센스있게 요즘 유행하는 최신 트렌드한누가봐도 만족스러울 만한 옷을 골라 가져다 줘도, 답돌이가 트렌드를 싫어하거나, 그 옷이 너무 비싸거나 한다면 그건 좋은 옷이 아니겠죠.
이처럼 이 세상에 좋은 엔진이란 없습니다.
본인이
"차는 이동수단에 불과하다. 기름값이나 아끼자" 하면 연비와 차값을 최우선으로 보면 되고,
"우리 애들이 타는 차인데.... 무조건 안전해야지!" 하면 에어백 개수, 브레이크, 안전 등급 등을 위주로 보면 되고,
"차는 자고로 자세가 좋고, 빨라야지!" 하면 디자인과 엔진, 미션, 서스펜션 등을 위주로 보면 됩니다.
너무나 당연한 말이지요?
하지만 실제로
"요즘 무슨 차가 좋아?"
이렇게 물어보는 사람은 매우 많습니다.
무슨 차가 좋냐라....
그 사람이 어떤 차를 원하는지 모르기 때문에 무슨 차가 좋냐고 얘기할 수가 없습니다.
이러 이러해서 개인적으로 미니 쿠퍼가 좋은 것 같아 추천해 주어도, 막상 타고 다니면 "아이 뭔 차가 통통튀고 승차감이 이따구야 쓰레기네 이거"라고 욕을 들을 수도 있으며, "와 그냥 이쁜차인줄 알았는데 쫀쫀하게 잘 잡아주고 잘 나가네!"라고 칭찬을 들을 수도 있습니다.
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| V-6 엔진의 구조 |
H자 엔진은 포르쉐와 스바루가 대표적으로 수평대향 엔진이라 하며, 영어로는 복싱하는 것같다 하여 Boxer Engine이라고 부릅니다.
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| 포르쉐의 H-6 박서 엔진 |
추가적으로, 기본적인 내연기관 구조에 과급기라 불리우는 터보차저와 슈퍼차저라는 것이 있습니다.
이들은 엔진의 힘을 더 끌어내기 위한 보조장치라고 할 수 있는데요.
터보차저와 슈퍼차저는 같은 역활을 다르게 수행할 뿐입니다.
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| 현대 A차량 제원표 |
어마어마 하게 증가한 마력과 토크를 볼 수 있습니다.
이처럼 성능을 위해 과급기를 추가로 붙이는 경우가 있고,
연비 향상을 위해 붙이는 경우가 있습니다. (예로 2.0L 엔진 vs 1.6L 터보엔진일 경우 터보엔진이 비슷한 출력과 향상된 연비를 갖는다.)
마력과 토크
"이야, 토크가 좋으니 언덕길도 거침없이 오르는구만~"
네... 토크가 좋으면 힘들이지 않고 언덕길을 올라갈 수 있습니다.
그럼 토크는 무엇일까요?
위와 같이 길이 L만큼 떨어진 곳에 F만큼의 힘이 수직으로 작용할 때 생기는 힘을 토크라고 합니다.
엔진에서는 피스톤이 내려올때 크랭크섀프트에서 L거리만큼 떨어진 커넥팅로드가 크랭크섀프트에 토크를 작용하며, 자동차 제원에서의 토크는 이 값을 얘기합니다.
그럼 엔진의 토크와 오르막길은 무슨 상관일까요?
엔진의 토크가 좋으면 엔진 파츠에서 최종적 단계인 플라이휠의 "돌림힘"이 강해집니다.
빠르게 회전하는 것이 아니라 한번 돌아갈때마다 뿍! 뿍! 강하게 돌아간다고 생각하면 됩니다.
이 힘은 고스란히 바퀴로 전달되고, 바퀴의 돌림힘이 강해져 마치 말발굽이 차는 힘이 더 강해졌다고 생각하면 됩니다.
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| 피스톤-커넥팅로드-크랭크섀프트의 사이클 운동 |
엔진에서는 피스톤이 내려올때 크랭크섀프트에서 L거리만큼 떨어진 커넥팅로드가 크랭크섀프트에 토크를 작용하며, 자동차 제원에서의 토크는 이 값을 얘기합니다.
그럼 엔진의 토크와 오르막길은 무슨 상관일까요?
엔진의 토크가 좋으면 엔진 파츠에서 최종적 단계인 플라이휠의 "돌림힘"이 강해집니다.
빠르게 회전하는 것이 아니라 한번 돌아갈때마다 뿍! 뿍! 강하게 돌아간다고 생각하면 됩니다.
이 힘은 고스란히 바퀴로 전달되고, 바퀴의 돌림힘이 강해져 마치 말발굽이 차는 힘이 더 강해졌다고 생각하면 됩니다.
그렇다면...
마력이란 무엇일까요?
마력은 말 한마리가 내는 힘으로 영어로는 Horsepower[HP]라고 합니다.
마력의 공식은 ( 토크 x RPM ) / 상수 로 표현되며, 상수값은 토크가 ft-lb이냐 N-m에 따라 달라집니다. (미국식 vs 한국식)
공식에서 보다싶이 마력은 토크에 "비례"하고 RPM에 "비례"합니다.
이론적으로는 RPM이 올라갈수록 마력도 올라가게 되는 것이지요.
그럼 마력이 주행과 무슨 관계일까요?
마력은 한마리 말이 하는 "일"입니다.
어떠한 방법으로 측정한 일정 수치의 일 에너지이지요.
일(W)의 공식은 W = F x d 로서, 일 = 힘 x 거리입니다.
파워(P)의 공식은 P = W / t 로서, 일을 단위 시간으로 나눈 값입니다.
전자레인지를 보면 700W, 1200W 처럼 일 에너지의 수치를 표기합니다.
전자레인지는 일을 할 때 거리를 다루지 않지만, Electric-Magnetic Field Wave (EM Wave)를 이용해 음식에서 열 에너지를 발생시켜 조리를 하는데, 값도 일(W) 값으로 나타낼 수 있습니다.
같은 시간동안 700W보다 1200W가 더 많은 일을 하므로, 같은 시간 동안 조리를 할 경우 1200W로 했을 때 음식을 태워 먹을 가능성이 더 커지겠죠. (물론 시간을 줄여 더 빠르게 완벽한 조리를 해낼 수도 있겠지만....)
700W로 찬물 한 컵을 조리하면 180초가 지나야 물이 끓고,
1200W로 찬물 한 컵을 조리하면 90초가 지나야 물이 끓습니다.
바쁜 현대인들을 위해선 높은 와트 전자레인지는 불가피하겠군요.
한국은 유럽의 영향을 받아, HP와 ft-lb 시스템이 아닌 PS와 kg-m 시스템을 씁니다.
PS는 독일어 pferdestärke로 마력을 나타냅니다.
독일과 미국에서 말의 힘을 재는 방법이라던지 실험에 쓰인 말이라던지 달랐기 때문에, PS와 HP의 상수는 약간의 차이가 있습니다.
예로 독일 Volkswagen Golf R의 마력은 296HP이며 300PS입니다. 회사 측에서는 PS 단위를 고집하는게 마케팅하는데 있어서도 효율적이겠죠^^ㅗ
다시 본론으로 돌아가 마력과 주행의 관계를 보면,
전자레인지의 경우처럼 200kW (약268HP)와 300kW (약402HP) 차가 있을경우, 같은 일이 주어졌을 때 더 빨리 일을 끝낼 수 있는 차는 후자입니다.
자동차의 일은 굴러가는 일이며, A라는 지점부터 B라는 지점까지 이동하는 일입니다.
A부터 B까지 더 빠르게 도달하므로, 같이 출발했을 때 이론적이고 비율적으로 전자보다 후자가 50% 더 빠르게 달립니다.
마력의 공식은 ( 토크 x RPM ) / 상수 로 표현되며, 상수값은 토크가 ft-lb이냐 N-m에 따라 달라집니다. (미국식 vs 한국식)
공식에서 보다싶이 마력은 토크에 "비례"하고 RPM에 "비례"합니다.
이론적으로는 RPM이 올라갈수록 마력도 올라가게 되는 것이지요.
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| Dodge Hellcat의 마력 / 토크 그래프 |
그럼 마력이 주행과 무슨 관계일까요?
마력은 한마리 말이 하는 "일"입니다.
어떠한 방법으로 측정한 일정 수치의 일 에너지이지요.
일(W)의 공식은 W = F x d 로서, 일 = 힘 x 거리입니다.
파워(P)의 공식은 P = W / t 로서, 일을 단위 시간으로 나눈 값입니다.
전자레인지를 보면 700W, 1200W 처럼 일 에너지의 수치를 표기합니다.
전자레인지는 일을 할 때 거리를 다루지 않지만, Electric-Magnetic Field Wave (EM Wave)를 이용해 음식에서 열 에너지를 발생시켜 조리를 하는데, 값도 일(W) 값으로 나타낼 수 있습니다.
같은 시간동안 700W보다 1200W가 더 많은 일을 하므로, 같은 시간 동안 조리를 할 경우 1200W로 했을 때 음식을 태워 먹을 가능성이 더 커지겠죠. (물론 시간을 줄여 더 빠르게 완벽한 조리를 해낼 수도 있겠지만....)
700W로 찬물 한 컵을 조리하면 180초가 지나야 물이 끓고,
1200W로 찬물 한 컵을 조리하면 90초가 지나야 물이 끓습니다.
바쁜 현대인들을 위해선 높은 와트 전자레인지는 불가피하겠군요.
한국은 유럽의 영향을 받아, HP와 ft-lb 시스템이 아닌 PS와 kg-m 시스템을 씁니다.
PS는 독일어 pferdestärke로 마력을 나타냅니다.
독일과 미국에서 말의 힘을 재는 방법이라던지 실험에 쓰인 말이라던지 달랐기 때문에, PS와 HP의 상수는 약간의 차이가 있습니다.
예로 독일 Volkswagen Golf R의 마력은 296HP이며 300PS입니다. 회사 측에서는 PS 단위를 고집하는게 마케팅하는데 있어서도 효율적이겠죠^^ㅗ
다시 본론으로 돌아가 마력과 주행의 관계를 보면,
전자레인지의 경우처럼 200kW (약268HP)와 300kW (약402HP) 차가 있을경우, 같은 일이 주어졌을 때 더 빨리 일을 끝낼 수 있는 차는 후자입니다.
자동차의 일은 굴러가는 일이며, A라는 지점부터 B라는 지점까지 이동하는 일입니다.
A부터 B까지 더 빠르게 도달하므로, 같이 출발했을 때 이론적이고 비율적으로 전자보다 후자가 50% 더 빠르게 달립니다.
좋은 엔진?
그렇다면 좋은 엔진이란 무슨 엔진일까요?
이처럼 답도 없는 질문도 없을겁니다.
옷을 사러 갔습니다.
답돌: "좋은 옷 하나만 주세요"
직원: " ... 예?"
좋고 나쁜 것에는 주관적 의견이 들어갈 수 밖에 없습니다.
직원이 센스있게 요즘 유행하는 최신 트렌드한누가봐도 만족스러울 만한 옷을 골라 가져다 줘도, 답돌이가 트렌드를 싫어하거나, 그 옷이 너무 비싸거나 한다면 그건 좋은 옷이 아니겠죠.
이처럼 이 세상에 좋은 엔진이란 없습니다.
본인이
"차는 이동수단에 불과하다. 기름값이나 아끼자" 하면 연비와 차값을 최우선으로 보면 되고,
"우리 애들이 타는 차인데.... 무조건 안전해야지!" 하면 에어백 개수, 브레이크, 안전 등급 등을 위주로 보면 되고,
"차는 자고로 자세가 좋고, 빨라야지!" 하면 디자인과 엔진, 미션, 서스펜션 등을 위주로 보면 됩니다.
너무나 당연한 말이지요?
하지만 실제로
"요즘 무슨 차가 좋아?"
이렇게 물어보는 사람은 매우 많습니다.
무슨 차가 좋냐라....
그 사람이 어떤 차를 원하는지 모르기 때문에 무슨 차가 좋냐고 얘기할 수가 없습니다.
이러 이러해서 개인적으로 미니 쿠퍼가 좋은 것 같아 추천해 주어도, 막상 타고 다니면 "아이 뭔 차가 통통튀고 승차감이 이따구야 쓰레기네 이거"라고 욕을 들을 수도 있으며, "와 그냥 이쁜차인줄 알았는데 쫀쫀하게 잘 잡아주고 잘 나가네!"라고 칭찬을 들을 수도 있습니다.
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