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2013-05-31 19:29:39 | Hit : 9261 | Vote : 0 |
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튜닝의 기본 |
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1장. 엔진 튜닝의 시작
1. 비용과 효과
투입된 비용에 대해서 얻을 수 있는 효과를 비용대비효과 혹은 투자대비효과라 할 수 있다.
이를 수식으로 표현한다면 '비용대비효과 = 효과 / 비용'로 나타낼 수 있다.
모든 상품이 마찬가지이겠지만 튜닝도 튜닝에 임하기 전에 비용에 따른 효과에 대한 고려가 있어야 한다. 튜닝도 일종의 상품인 이상 투자된 비용에서 최대한의 효과를 얻는 것이 중요하다. 이것을 달성하기 위해서는 튜너가 튜닝에 사용되는 부품의 장단점을 파악하고 최적의 조합을 이루는 노력이 필요하다.
최소 비용으로 최대의 효과를 얻기위해서는 어떤 튜닝 아이템이 효과가 있느냐 없느냐를 아는 것도 중요하지만 얼마나 효과가 있는지 알거나 혹은 예상할 수 있는 능력을 키우는 것이 더 중요하다. 그림1.1에 한 N/A(자연흡기) 엔진에 대해, 실험한 각 항목 별 성능 기여도를 표시 하였다. 이것은 한 엔진에 대해 실험한 내용이므로 다른 엔진에서 다소 변화가 발생될 수 있지만 참고 자료로 삼기에 충분하다고 판단된다. 최소의 비용으로 최대의 효과를 얻기 위해서는 각종 튜닝 아이템에 대한 효과를 파악하여 이를 비용과 함께 고려할 수 있어야 한다.
그림 1.1
그림 1.1.에는 자연흡기 엔진에서 주요 튜닝 아이템에 따른 성능 향상 정도를 표시하였지만, 엔진 튜닝에 있어서 효과란 단순한 수치적인 출력 향상을 의미하는 것이 아니라 보다 광범위한 의미를 가지게 된다. 예로서 가속성능의 향상에 주요한 가치를 두는 경우와 최고속도 상승에 주요한 가치를 두는 경우의 효과라는 것은 의미에서 차이가 생기고 이에 따른 튜닝 작업의 내용에도 변화가 생기게 된다.
2. 튜닝에 따른 비용의 상승
효과가 큰 아이템으로 부터 튜닝이 진행됨에 따라 효과 대비 비용은 상승하게 된다. 엔진을 양산 상태에서 어느 수준 이상 튜닝하게 되면 양산의 설계 기준을 벗어나게 되어 성능에는 효과가 없지만 향상된 성능에 따른 내구를 보장하기 위해 내구성 있는 부품으로의 교체에 따른 비용의 지불도 필요하게 된다.
3. 시스템으로의 접근
튜닝이라는 말을 영어 사전적 의미로 살펴보면 조화라고 할 수 있겠다. 엔진과 미션을 합쳐서 파워트레인이라고 부른다. 이는 한 몸체로서, 따로 따로 생각해서는 안되고 전체를 하나의 시스템으로 보는 시각을 가져야 한다. 튜닝에 사용되는 부품들은 서로 상호 영향을 미치게 되므로 부품 하나 하나를 이 상호 작용의 틀 안에서 생각해야 한다. 어떤 단품 하나 하나에 집착해서는 안되고 그 단품이 시스템에 미치는 영향을 생각해야 한다. 세상에서 가장 좋은 단품 들만으로 조합한다고 해도 부품간의 조화를 이루지 못한다면 결코 좋은 결과를 낼 수 없을 것이다.
주위에서 아주 비싼 부품들을 사용하고도 원하는 결과를 얻지 못하는 예는 심심치 않게 접해볼 수 있다. 자연흡기 엔진에서 성능 향상을 위해 가장 많이 쓰이는 하이캠의 예를 살펴보자. 하이캠이란 엔진의 토크 밴드를 하이 rpm으로 변화시키는 것이 주요 역할이므로(향후 설명) 하이 rpm 운전에서 시스템에 중요한 것들(포트 폴리싱, 흡배기 저항 등등)도 동시에 고려해 주어야 하이캠의 진정한 성능을 얻을 수 있다. 쉽게 말해서 하이캠이 고속에서 성능을 발휘할 수 있도록 주위 시스템을 구성해야 한다는 것이다.
4. 플라시보 효과 (가짜약 효과)
의학 용어 중에 플라시보 효과라는 것이 있다. 이것은 환자에게 이 약이 이 병에 특효라고 의사가 말하고 약을 투여하면 환자의 증세가 호전되는 것을 말한다. 환자가 심적으로 약효를 확신하는 데서 오는 효과라 할 수 있겠다.
튜닝에서도 마찬가지로 어떤 튜닝 아이템을 적용한 후에 차를 테스트 하면 심적으로 내가 이런 저런 튜닝을 했으니 좋아졌을 거야 하는 믿음에서 실제 차는 전혀 좋아지지 않았어도 좋게 느끼는 경우가 종종 있다. 물론, 민감한 운전자 들은 다이나모미터(이후 다이나모)만큼 정확히 성능의 증감을 알아내지만 그렇지 못한 경우가 대부분이다 . 따라서 튜너는 자신이 튜닝한 결과에 대해 객관적으로 확인하는 작업을 게을리 해서는 안되겠다. 요즘은 과거에 비해 다이나모 측정이 일반화되어 정확한 성능의 변화를 확인할 수 있는 길이 넓어졌다
2장. 엔진 및 EMS 튜너로서 알아야 할 기본적인 변수
1. 압축비
압축비란 엔진의 피스톤 상하 운동에 따라 최대의 체적이 되는 값을 최소의 체적이 되는 값으로 나눈 값이다. 그림 2.1에서 최소 실린더 체적이 되는 경우는 피스톤이 상사점에 도달하여 피스톤의 상면과 헤드의 연소실 사이의 체적(A)이다. 이를 연소실 체적(Combustion Chamber Volume)이라 한다. 최대 실린더 체적은 피스톤이 하사점으로 내려온 경우로 연소실 체적에 기통당 배기량(B)을 더한 값이 될 것이다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
압축비=최대 실린더 체적/최소 실린더 체적
=(연소실 체적+기통당 배기량)/연소실 체적
=(A + B) / A
그림 2.1
일반적인 상식이 압축비를 상승시키면 출력과 연비가 동시에 향상되나 연소 온도와 압력의 증가로 녹킹의 발생이 심해지게 된다는 것이다. 여기서는 이런 일반적인 지식에서 조금 더 깊게 살펴보도록 하자.
보통 출력을 향상시키기 위해 압축비를 높이는 작업을 하게 된다. (메이커에서는 이보다 연비를 높게 하기 위한 목적이 더 큼) 그림 2.2는 몇가지 연소 모델링에 따른 이론적인 압축비 변화에 따른 효율을 보여준다. 이론적인 모델링이므로 정확히 맞는 것은 아니지만 실제 가솔린 엔진은 그림에 동그라미로 표시한 67라인과 가장 유사하다고 생각할 수 있겠다. 어느 경우이거나 압축비 상승에 따라 효율이 직선적으로 올라가는 것이 아니라 상승률이 줄어드는 2차 곡선의 모양을 가진다.
이런 종류의 어떤 그림을 보거나 압축비 상승에 따라 효율이 증가하는 것만 생각하면 그림의 전체를 보지 못한 것이다. 곡선의 모양도 같이 볼 수 있어야 한다. 실제와 가장 유사하다고 생각되는 67라인을 보면 압축비가 낮은 영역에서는 압축비 상승에 따라 효율이 급격히 올라가지만 압축비 12 이상으로 가면 그 상승률이 둔해지는 것을 알 수 있다. 실제에서는 압축비 상승에 따라 연소실 내 압축 압력의 상승으로 링사이로 새는 가스의 량이 증대되고 압축비 상승에 따라 연소온도가 올라가서 외부로의 열전달에 따른 열손실이 증가되어 압축비 상승에 따른 효율의 상승분을 더 감소시키게 된다.
그림 2.2
실제로 한 엔진을 통한 실험의 결과, 압축비 13 이상으로 올려도 성능의 증가가 무시할 정도 밖에 되지 않았고 압축비 증가에 따라 녹킹의 위험성만 커지게 된다. 물론, 이는 사용되는 피스톤 링 등에 따라 변화가 있겠지만 압축비 상승에 따라 효율의 증가가 둔감해 진다는 경향의 변화는 없다.
2. Trade-Off(트레이드 오프)
한국말로 마땅히 번역하기 어려워 영어로 그냥 썼습니다. 엔진에 관한 이론을 공부하다 보면 이 용어에 익숙해져야 한다. 이의 의미는 위의 압축비의 예에서 보듯이 엔진에서 어떤 변수를 한 방향으로 변화시키면 거기에 따른 효과가 1차 직선적으로 증가하지 않고 기울기가 변화하거나 어느 이상 변화에서는 반대로 감소하게 되는 것을 말한다. 이는 대부분의 엔진 현상에서 하나의 변수를 일정 방향으로 변화시키면 이에 따라 긍정적인 효과가 발생함과 동시에 부정적인 효과도 발생되게 되고 어느 이상 변화에서는 부정적인 효과가 긍정적인 효과보다 커지게 되어 오히려 손해를 보기 시작하기 때문이다.
예를 들어 점화시기의 경우 낮은 점화시기에서 전진을 하면 점차로 출력이 증가되다가 어느 값 이상 증가시키면 오히려 출력이 감소하게 된다. 압축비, 공연비, 점화시기, 밸브타이밍 등등 거의 모든 변수가 이에 해당하므로 튜너는 이를 잘 이해해야 하겠다. 이를 잘 이해하고 있다면 출력을 높이기 위해 압축비를 과도하게 올린다거나, 연료를 필요 이상 많이 넣는다든가, 점화시기를 지나치게 전진(진각)한다거나, 무조건 듀레이션(행정)과 리프트가 큰 캠을 사용하지는 않을 것이다.
3. 토크 & 출력
토크와 출력에 대해서는 튜닝을 하는 분이나 일반적으로 자동차에 관심이 있는 분이라면 누구나 자주 들어보았을 것이다. 하지만 이를 정확히 이해하지 못하는 경우도 많이 있다. 이의 정의를 내려보면 아래와 같다.
토크 : 축을 비트는 힘. 일.
출력 : 단위 시간 내에 하는 일량. 일률.
의미 : 토크는 일을 할 수 있는 능력을 나타내고, 출력은 일이 행해지는 시간율을
의미한다.
토크는 일을 할 수 있는 능력이고 출력은 일이 행해지는 시간율이라 하면 잘 이해가 안될 수 있겠다. 예를 들어 살펴보자.
나사를 풀었다 조이는 전동 드라이버 3개가 있다고 가정하자.
첫번째 전동 드라이버로 어떤 나사를 풀려고 하니 풀어지지가 않았다. 두번째 전동 드라이버로는 나사가 풀렸다. 이 경우 두번째 전동 드라이버가 첫번째 것에 비해 토크가 큰 것은 누구나 생각하실 수 있을 것이다. 이 예를 보면 토크는 일을 할 수 있는 능력을 나타낸다는 것을 이해하실 것이다.
전동 드라이버의 성능이 단지 어떤 나사를 풀수 있느냐 없느냐 만으로 결정 될까? 여기 세번째 전동 드라이버가 있는데 이것도 나사를 풀 수 있고, 두번째 전동 드라이버는 분당 10회 회전하고 세번째 것은 분당 100회 회전한다면 단순히 계산하면 세번째 것이 두번째 것보다 시간당 10배의 일을 할 수 있을 것이다. 즉 세번째 것이 두번째 것에 비해 시간당 일이 행해지는 시간율이 큰 것이고 파워가 높다고 말할 수 있겠다.
출력(power)과 토크(Torque)는 별개의 개념이 아닙니다. 출력과 토크의 상관관계를 일반적으로 많이 쓰는 단위르 사용하여 수식으로 표현하면 아래와 같다.
마력(ps) = 토크 (kg.m) x rpm / 716.2
이 식을 살펴보면 같은 토크라도 토크가 발생되는 rpm이 높다면 출력(마력)이 높음을 알 수 있다. 자연흡기 엔진에서 토크는 1행정 당 공기량과 직접적으로 관계가 있다. 따라서 자연흡기 엔진(가압하지 않는 조건)에서 토크를 향상시키는 것은 한계가 있다. 아무리 흡배기 튜닝을 잘하고 캠을 적용하고 한다 하더라도 근본적으로 배기량을 높이지 않는다면 토크를 10% 이상 올린다는 것은 매우 어려운일이며, 25% 이상 올린다는 것은 거의 불가능하다. 하지만 토크의 밴드를 높은 rpm으로 올려서 파워를 높이는 것은 상당 수준으로 가능하다.
예를 들어 3000rpm 에서 토크 20이 나오고 이 때가 최대 파워점인 엔진을 튜닝하여 6000rpm에 토크가 20이 나오도록 한다면 출력은 간단히 두배(100%)가 된다.
일반적으로 고성능 엔진에서는 토크보다는 파워를 중시하게 된다. 전술한 바와 같이 자연흡기 엔진에서는 토크를 높이는 것은 한계가 있기 때문에 엔진을 높은 rpm으로 튜닝하여 출력을 높이게 되는 것이다. 유수한 자연흡기 레이스 머신들의 운전 영역이 높은 rpm인 것은 이 때문이다. 여기서 한가지 주의해야 하는 것은 전술한 바와 같이 엔진과 미션을 한 시스템으로 보아야 한다는 것이다.
엔진은 높은 rpm에서 성능을 발휘하도록 튜닝을 해 놓고 미션은 낮은 rpm 용으로 세팅을 한다면 엔진의 제 성능을 기대하기는 힘들 것이다. 미션도 이에 맞게 튜닝하여, 엔진이 튜닝된 rpm 영역에서 운전될 수 있도록 변경하여야 튜닝된 엔진의 출력 향상을 100% 뽑아낼 수 있을 것이다.
자동차의 가속은 최종적으로 바퀴의 구동력으로 결정된다. 엔진의 토크에 미션의 감속비를 곱한 만큼이 바퀴의 구동력이 됩니다. (후에 동력성능 편에 자세히 설명)
조금 과장된 예를 들어 7000rpm, 엔진토크 20, 감속비 3.9, 차속 200km 인차를 튜닝하여, 14000rpm(7000 x 2), 엔진토크 20, 감속비 7.8(3.9 x 2), 차속 200km로 만들었다면 차속과 엔진토크는 같지만 바퀴에 전달되는 구동 토크는 미션 감속비의 비율만큼 차이가 발생되어 후자의 차가 2배의 바퀴 구동토크가 발생되고 결과적으로 2배의 가속력을 가지게 된다.
많은 분들이 토크가 중요하다 출력이 중요하다 하며 언쟁을 합니다. 결론은 둘 다 중요하다. 하지만, 더 중요한 것은 최고 토크가 얼마냐 최고 파워가 얼마냐가 아니라 토크와 파워의 rpm에 따른 경향이 더 중요하다. 엔진을 튜닝하는 목적에 따라 주로 저속 운전에서의 가속력을 중요시 하는 경우라면 저 rpm에서의 토크가 중요할 것이고 고속 운전을 즐기는 경우라면 높은 rpm에서의 토크 즉, 파워가 중요시 될 것이다.
4. 평균 유효 압력(BMEP)
엔지니어들이 많이 사용하는 변수 중에 평균유효압력이라는 것이 있다. 단위를 무시하고 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
평균유효 압력=토크/배기량
이는 배기량이 다른 엔진을 비교하는데 유용하다. 배기량이 다른 엔진을 단순히 파워와 토크로만 비교하게 되면 당연히 배기량 큰 엔진이 좋은 엔진이 된다. 평균유효압력은 식에서 보듯이 단위 배기량당 토크의 개념으로 배기량이 다른 엔진끼리도 비교가 가능하게 한다. 일반적으로 리터당 몇 마력 엔진이냐 하는 것과 같은 개념이다. 압력이라 부르는 것은 토크를 배기량으로 나누면 그 단위가 압력의 단위와 같아지게 때문이다.
5. 공연비
엔진에 관심있으신 분들이라면 많이 들어보셨을 변수 중에 공연비라는 것이 있다. 사실 EMS 캘리브레이션의 기본이며, 성능에 관한 내용이라면 90% 이상 공연비와 점화시기를 최적으로 하는 것이 EMS 캘리브레이션일 것이다. 공연비란 엔진에 흡입되는 연료와 공기의 '질량비'를 말한다.
공연비 = 공기질량/연료질량
연료가 많아지는 경우를 농후(Rich), 적어지는 경우를 희박(Lean)해 진다고 한다. 이는 상대적인 개념으로 공연비 13 상태에서 12, 11, 10 쪽으로 가는 것을 농후해 진다고 하는 것이고, 14, 15, 16 쪽으로 가는 것을 희박해진다고 한다. 공연비 14 상태가 초기라면 13, 12, 11로 가는 것이 농후 15, 16, 17로 가는 것이 희박이다. 초기 기준이 없이 농후 희박을 말하면 이론 공연비를 기준으로 말하는 것이 일반적이다. 이론 공연비는 출력 공연비와 더불어 중요한 개념이다. 성능에서는 별로 의미가 없을 수도 있지만 배기가스 관련해서는 매우 중요하다.
이론 공연비 = 공기와 연료가 이론적으로 완전연소할 경우 공기와 연료의 질량비
= 14.5 - 14.7
어떤 이는 이론 공연비를 14.5, 어떤이는 14.7이라고 하는데 모두 맞는 말이다. 세계적으로 석유가 생산되는 지역은 여러군데(중동, 북해, 미국 등등)로 원유에 따라 가솔린의 성분에 조금씩 차이가 발생되어 이론 공연비도 다소 차이가 있을 수 있는 것이다.
가솔린이란 근본적으로 HC(수소와 탄소) 화합물이다. 엔진이란 이 HC 화합물을 공기 중의 산소와 같이 연소시켜 얻은 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. HC 화합물이 산소와 완전히 이상적으로 반응하여 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)만 남게될 때의 공기와 연료의 비가 이론 공연비이다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
HC + O2 -> CO2 + H2O (편의상 계수 생략)
실제에서는 이런 이상적인 연소가 일어나지 못하고 아래 식과 같이 여러가지 물질들이 발생되게 된다.
가솔린 + 공기 -> CO2 + H2O + CO + O2 + HC + SOx + NOx + + +.....
출력 공연비란 최고 출력이 발생되는 공연비를 일컫는 말로 가솔린 엔진의 경우 12.5에서 13 사이의 값을 가진다. 공연비와 성능에 관한 자세한 설명은 후의 공연비와 성능에 관한 내용에서 자세히 설명하기로 하고 여기서는 개념만 알고 넘어가도록 하겠다.
6. 점화시기
점화시기란 점화플러그에서 스파크가 발생되는 시점을 말하는 것으로 압축 상사점 전 몇도로 표시한다. 즉, 점화시기 30도는 압축상사점 30도 전 크랭크 앵글 시점에서 점화플러그에서 점화가 이루어진다는 것이다. 점화시기를 30도(이를 기준으로 삼는다면)에서 40도쪽으로 가져가는 것을 진각(Advance) 한다고 하고 20도쪽으로 가져가는 것을 지각(Retard) 한다고 한다. 엔진에서는 점화시기 말고도 밸브타이밍에서도 진각과 지각이라는 용어를 사용한다. 자칫 어렵게 느낄 수 있는데 어쩔 때는 숫자가 커지는 것을 진각이라고 했다가 어떤때는 지각이라 했다 하기 때문이다. 이를 확실히 이해 하는 방법은 숫자에 관점을 두지 말고 시간에 관점을 두면 된다. 즉, 시간상 먼저 발생되는 방향으로 가면 진각, 시간상 늦게 발생되는 방향으로 가면 지각이다. 예를 들어 점화시기 30보다 40이 시간상 먼저 점화를 일으킨다는 것이므로 이것은 진각이다. 반대로 30보다 20은 시간상 뒤에 나타나므로 지각이다. 밸브타이밍도 마찬가지이다. 점화시기와 성능의 관계도 후에 점화시기와 성능에 관한 내용에서 자세히 살펴보도록 하자.
7. 체적효율
자연흡기 엔진 흡입 시스템의 효율을 나타내는 유용한 변수로 체적효율이라는 변수가 있다. 엔진의 성능은 흡입되는 공기량에 직접적으로 비례한다. 따라서, 엔진의 흡입 효율을 측정하는 것은 엔진의 성능적 효율을 측정하는 것과 같은 개념으로 이해할 수 있다. 흡입공기량을 배기량으로 나누기 때문에 배기량이 다른 엔진끼리도 체적효율을 비교할 수 있다.
체적효율 = 엔진흡입공기량 / 배기량에 의한 공기량 x 100 (%)
이것은 한 싸이클 당 엔진에 흡입되는 공기량(무게)을 배기량에 해당하는 체적에 공기가 담겨 있을 때의 공기량(무게)으로 나눈 것을 의미합니다. 엔진이 한 싸이클에서 흡입하는 공기량(흡입시에만 공기가 흡입되므로 결국 흡입 행정에서 흡입하는 공기량)이 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려가면서 변화되는 체적(즉, 배기량)에 담길 수 있는 공기량과 같다면 이때를 체적효율 100%라 한다.
실제 엔진에서는 밸브 모션과 흡배기 튜닝이 존재하여 rpm에 따라 변화하게 된다. 보통 자연흡기 엔진의 경우 저속에서 80% 정도, 최고 토크 점에서 96% 정도(물론, 튜닝에 따라 달라짐)가 된다. 이를 튜닝으로 자연흡기에서 아무리 높인다 하더라도 105% 이상 올리기는 쉽지 않다. 이것이 윗 글에서 자연흡기에서 토크를 어느 이상 올리는 것이 어렵다고 말한 내용과 맥을 같이 하는 것이다. 터보에서는 공기를 압축해서 집어 넣으므로 150%, 200%가 쉽게 가능해 진다.
엔진에서 연료량은 인젝터를 바꾸거나, 캘리브레이션을 바꾸거나 기타 등등의 방법으로 얼마든지 변경이 가능하므로 실제 성능을 높인다는 이야기는 흡입되는 공기량을 증가시킨다는 이야기고 다른 말로 체적효율을 높인다는 이야기가 되는 것이다. 공기를 많이 집어넣고 거기에 따라 연료를 증가시키면 당연히 연소에너지가 많아지므로 발생되는 토크가 많아지게 된다. 따라서, 토크의 모양과 체적효율의 모양은 매우 비슷한 경향을 보이게 된다. (점화시기의 효과를 무시하면 똑 같음)
체적효율과 비슷한 개념으로 충진효율이 있다. 둘 사이의 차이는 체적효율은 흡기 온도에 따른 효과를 보상한 것이고 충진효율은 하지 않은 것이다.
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