|
|
|
|
|
| Name |
 |
 |
2013-10-09 11:18:31 | Hit : 13143 | Vote : 0 |
|
|
|
|
| Subject |
|
엔진 튜닝의 이해 |
|
|
|
엔진 튜닝의 이해
서론
한국의 자동차 산업은 눈부신 발전을 거듭하여 세계 제 5위의 자동차 생산대국의 위치를 차지하게 되었습니다. 자동차가 널리 보급된 후 이에 따라 획일화 된 것에서 벗어나 자신만의 개성을 추구하고자 하는 인간의 욕구가 자동차에 반영되어 자동차 튜닝이라는 영역이 자리를 잡게 되었습니다.
튜닝이란 자동차를 초기 양산된 형태에서 개조하여 외관이나 성능의 향상을 추구하는 작업입니다. 여기서 외관이란 자동차 내외장을 말하고, 성능이란 자동차의 엔진성능, 운전성능, 내구성능, 운전의 편이성 등 자동차와 관련된 모든 부분을 포함하게 됩니다. 따라서, 튜닝은 자동차와 관련된 모든 부분을 다루게 됩니다.
이미 자동차 산업이 발달된 선진국에서는 오래전부터 튜닝이 일반화 되었고 현재는 고부가가치 산업의 한 분야로 당당히 인정 받고 있습니다. 이에 반하여 국내 튜닝 산업은 전문적인 기술 인력과 투자의 미비로 자동차 생산 대국의 위상에 어울리지 않는 열악한 실정입니다. 하지만, 최근에 많은 사람들의 열정과 노력으로 발전의 속도를 높여가고 있습니다.
이 글은 튜닝의 영역 중에서 자동차의 동력원으로서 가장 널리 쓰이는 가솔린 내연 기관과 동력전달 장치에 대한 튜닝적 접근을 다루고자 합니다. 이 글의 내용이 자동차 튜닝에 관심이 있는 많은 분들에게 직접적으로 도움이 되기를 바랍니다.
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.
3장. 엔진 관련 주요 변수의 효과와 상호작용
1. 공연비와 성능
그림 3.1은 한 엔진에서 공연비에 따른 엔진 성능을 실험한 데이터이다. 비록 한 엔진에서 실험한 것이지만 모든 가솔린 엔진은 거의 동일한 경향을 보인다. 그림을 보면 공연비 12.5에서 13사이에서 최고 출력을 보인다. 이보다 농후해져도 출력이 감소하고 희박해져도 출력이 감소한다. 전술한 바와 같이 단순히 '12.5에서 13사이에 최고 출력이 나오고 거기서 벗어나면 출력이 떨어진다' 라고만 생각하면 그림의 전체를 보지 못한 것이다. 경향을 모두 보아야 한다. 그림의 경향은 출력 공연비를 기준으로 농후해지는 쪽으로는 완만히, 희박해지는 쪽으로는 급격히 출력이 감소함을 알 수 있다.
위 그림을 알고 있다면 현재 엔진의 공연비를 측정한 데이터로부터 공연비 보정을 실시하였을 때 얻을 수 있는 효과를 예측할 수 있게된다.
연소가 가솔린과 공기가 만나 완전 연소하여 이산화탄소와 물만 발생되는 이상적인 경우라면 출력 공연비는 이론 공연비와 같은 14.5일 것이다. 가솔린이 공기와 이상적으로 연소될 때 공연비가 14.5라 하였고 이 상태에서 연료를 추가하는 것은 더 이상 산소가 없기 때문에 연소되지 못하므로 불순물과 같은 존재가 되어 연소된 에너지가 이 추가의 연료를 가열하기 위해 에너지가 손실되기 때문에 연소 온도와 압력이 저하되어 출력이 감소되게 된다.
실제 상황에서는 이와 같이 이상 연소되지 못하고 불완전 연소하여 CO가 발생되고 이에 따라 여분의 산소가 발생되게 되고 또한, 고온에서는 연소되어 발생되는 물질인 CO2(이산화 탄소)가 C와 O2로 열에 의해 분해되는 해리 현상이 발생되어 여분의 O2가 또 발생하게 된다. 따라서 이렇게 생성되는 여분의 O2가 더 연소되어 에너지를 증가시키는 공연비가 12.5에서 13정도가 되는 것이고 이 이상 연료를 증량하는 것은 전술한 바와 같이 더 이상 산소가 없기 때문에 추가된 연료가 냉각제로 작용하여 출력이 감소하게 되는 것이다.
그림 3.1
2. 점화시기와 엔진성능
그림3.2에 한 엔진에서 시험한 점화시기에 따른 성능의 변화를 표시하였다. 점화시기를 전진함에
따라 출력이 상승하다가 어느 이상 전진하면 성능이 감소함을 알 수 있다. 정확한 경향을 살펴보면 최고 출력이 나오는 점화시기에서 양쪽 어느 방향이나 멀어질 수록 출력의 감소가 심해지는 종 모양의 경향을 보인다. 즉 최고 출력이 나오는 점에서 점화시기를 3도 지각할 때 떨어지는 출력 값보다 여기서 3도 더 지각할 때 떨어지는 출력 값이 더 커지고 점차로 더 커지는 모양이다. 이 최고 출력이 나오는 점화시기를 MBT(Minimum spark advance for Best Torque)라 부릅니다. MBT의 정확한 정의는 조금 다르나 그냥 최고 출력이 나오는 점화시기를 MBT라 이해하셔도 무방하겠다.
그림 3.2
그러면 왜 점화시기의 변화에 따라 이런 모양이 나오게 되는지 궁금할 것이다. 이를 이해하기 위해서는 연소실내 압력 곡선을 이해해야 한다. 그림3.3에 점화시기 변화에 따른 연소실 내 압력 변화 경향을 나타내었다. 그림에서 점화시기는 A, B, C 순서로 진각되어 있는 것을 알 수 있다. 각 점화시기에 따른 연소압의 변화를 보면 점화시기가 진각됨에 따라 최고 연소압이 증가됨을 알 수 있다. 또한, 점화시기가 진각됨에 따라 배기온도는 감소되는데 이는 배기 밸브 열림시점에서 각 점화시기에 따른 압력이 진각됨에 따라 떨어짐으로 알 수 있다.
정리하면 점화시기를 진각하면 최고 연소온도는 증가하는데 배기온도는 감소한다. 연소온도는 올라가는데 배기온도가 감소한다니 조금 이상하게 들릴 수도 있겠다. 점화시기가 진각되면 압축과정에 연소되는 혼합기의 양이 많아져서 최고 연소압력이 증가하게 되나 배기밸브가 열리는 시점기준으로 보면 미리 연소가 많이 이루어져서 연소에너지가 적게되고 연소된 후 시간이 지체되어 냉각되게 되므로 배기 밸브가 열려 배출되는 배기가스의 온도는 감소하게 된다.
점화시기를 지각(A에서 C방향으로)하게 되면 그 반대의 경우로 피스톤이 내려가는 중에 연소가 많이 일어나게 되어 최고 연소압력은 감소하게 되지만 시간상 나중에 연소되는 양이 많으므로 배기밸브가 열리는 시점에서의 연소가스 온도는 높게 되는 것이다.
점화시기를 너무 진각하면 피스톤이 상승하는 압축과정에 연소실 내 압력이 상승되어 저항으로 작용(그림에서 점선으로 표시된 지점 참조)하여 성능이 감소되며 너무 지각하면 연소압력이 감소하여 피스톤을 밀어주는 힘이 감소하므로 성능이 감소되게 된다. 따라서, 이 두가지 상반되는 작용이 최적으로 조합되는 점화시기가 존재하게 되며 이 때가 MBT가 되게 된다.
그림 3.3
3. 압축비, 점화시기, 녹킹과 엔진성능
일반적으로 압축비를 상승시키면 성능이 올라간다는 것이 아무런 고려없이 무조건적으로 받아들여지는 경우가 많다. 압축비를 높이면 성능이 올라가는 것은 맞지만, 압축비가 올라감에 따라 성능의 상승은 줄어들고 어느 이상에서는 더 이상 증가하지 않는다는 내용은 앞 글에서 언급하였다.
이번에는 여기에 좀더 더하여 실제에서 가솔린의 옥탄가와 이에따른 점화시기의 변화에 의한 효과까지 고려해 보도록 하자.
그림 3.4
그림 3.4에서 검정색 라인은 압축비 10, 파란색 라인은 압축비 13이다. 절대적인 수치는 기록하지 않았고 경향만을 나타내었다. 그림에서 보듯이 압축비를 올리면 최고 성능은 올라가고 최고 성능이 나오는 점화시기는 지각된다. 이는 녹킹을 고려하지 않은 MBT 만의 비교이고 실제에서는 녹킹이 발생되면 더이상 점화시기를 전진할 수 없기 때문에 그림에 실 점화시기로 표시한 점화시기에서 머물게 된다. 최근의 엔진들은 그림에서 압축비 10에 표시된 바와 같이 MBT에서 다소 지각된 점화시기
에 실 점화시기가 위치하게 된다. 압축비를 올리면 녹킹이 증가하여 MBT에서 실 점화 시기가 더 지각되게 된다. 결론적으로 압축비 상승에 의한 성능향상 보다 녹킹이 증가에 따른 점화시기 지각에 의한 성능 저하의 값이 커서 성능이 감소하게 된다. 이는 어느 엔진에서나 압축비를 높여가면 반드시 일어나게 된다. 그 이유는 전술한 바와 같이 압축비를 높혀감에 따라 성능의 증가율은 감소하게 되고 MBT에서 점화시기가 지각되면 될수록 성능의 감소율은 증가하기 때문이다. 이는 옥탄가와 관계되는 것으로 옥탄가가 낮으면 더 낮은 압축비 증가에 의해 성능의 크로스가 생기게 되고 물론, 옥탄가가 높아서 두사양 모두 MBT에 점화시기를 설정할 수 있다면 당연히 압축비 높은 사양의 출력이 높겠다. 예를 들어 노말 휘발유를 사용하는 일반 주행이라면 압축비 11정도의 엔진이 압축비 13보다 성능이 높게 되지만 고급 휘발유를 사용하는 경우는 달라질 수 있다는 것이다. 따라서, 일반적으로 시내 주행을 많이 하고 일반휘발유를 사용하시는 경우라면 압축비가 높은 피스톤을 선호할 이유가 없다.
압축비를 증가시키면 MBT가 지각되는 이유는 압축비가 올라감에 따라 화염의 전파 속도가 증가하기 때문이다.
점화시기와 엔진성능에서의 그림 3.3을 보면 점화시기에 따른 연소실 압력곡선이 있다. 그림에서 MBT에서의 최고 압력이 나오는 지점은 압축 TDC 후 15-16도 정도이고 모든 가솔린 엔진에서 대동소이하다. MBT에서 최고 압력이 나오는 지점은 정해져 있고 화염 전파 속도는 빨라진다면 점화시기는 지각되야 하겠다. 예를 들면 100m 달리기를 하는데(목표 지점은 같다) 100m를 10초에 뛰는 사람은 20초에 뛰는 사람보다 늦게 출발해야 결승점인 100m 지점에 두사람이 동시에 도달하게 되는 이치와 같다. 이 개념은 다소 이해가 어려울 수 있지만 배기온도와 MBT에 대한 많은 현상을 설명할 수 있는 내용이다.
4. 밸브 타이밍과 엔진 성능
밸브 타이밍 관련해서는 통상 하이캠이라고 불리는 캠의 변경과 관련되어 자연흡기 엔진에서는 매우 중요한 변수라 하겠다. 하이캠에 관련되서 3가지의 주요 변수가 있는데 이는 280, 268 등 밸브의 열림 시간을 말하는 듀레이션(밸브행정)과, 밸브 리프트, 그리고 밸브 타이밍이다. 같은 280이라해도 타이밍에 따라 수백개의 다른 사양의 캠 제작이 가능하다. 하이캠에서 280, 268 등의 듀레이션과 그 리프트도 중요하지만 이에 못지 않게 중요한 것이 타이밍이다.
밸브타이밍은 크게 4개의 이벤트가 있는데 흡기밸브열림(IVO), 흡기밸브닫힘(IVC), 배기밸브열림(EVO), 배기밸브닫힘(EVC)이다. 이 모든 이벤트는 성능에 많은 영향을 미친다.
1) 흡기 밸브 열림 (IVO)
흡기 밸브가 열리는 타이밍을 크랭크 각도로 표시한 것을 IVO라고 한다. 일반적으로 흡기 TDC 전에 열리게 되는데 이는 펌핑 손실(Pumping Loss)을 줄이기 위함이다. 흡기 밸브의 열림을 흡기 행정이 시작되어 피스톤이 내려가기 시작할 때부터 해야 최적이 될 것으로 일견 생각될 수 있다. 흡기 행정 TDC 전에 흡기 밸브를 열어주는 이유는 밸브리프트를 표시한 그림 3.5와 크랭크 앵글 변화에 따른 피스톤의 운동성을 표시한 그림 3.6의 우측 그림을 이해해야 알 수 있다. 그림 3.5에서 밸브의 열림과 닫힘은 열리고 닫힐 때 밸브계의 충격을 최소화하기 위하여 열리고 닫힐 때는 리프트의 변화량이 작게 하고 그림 3.6의 우측 그림에서 보듯이 피스톤이 상사점과 하사점에서의 운동은 크랭크 기구의 특징으로 같은 각도라도 피스톤의 운동 값은 작다. 즉, 그림에서 같은 각도를 크랭크는 회전하지만 피스톤의 운동값은 A < B < C로 크게 차이를 보인다. 결과적으로 밸브가 열리는 시점에서의 밸브리프트와 상사점과 하사점에서는 피스톤의 상하 운동값은 크랭크 각도에 따라 매우 작은 변화를 보인다.
그림 3.5
흡기 밸브를 흡기 행정 전에 미리 열어 주는 것은 흡기 행정 시작과 동시에 흡기 밸브를 열어 준다면 피스톤이 내려갈 때 흡기 밸브가 닫혀 있으므로 저항을 받기 때문이다.(펌핑로스) 주사기를 아래로 당길 때 앞 구멍이 막혀있다면 당길 때 저항을 받는 것과 같은 이유이다. 또한, 전술한 바와 같이 이 지점에서 크랭크 앵글로 몇도 전에 열어 주어도 실제 밸브의 열림 리프트 량은 매우 작기 때문에 밸브를 통한 공기의 유효 통로는 거의 무시할 정도이다. 이는 고속으로(예로 주사기를 세게 당길 때) 갈수록 심해져서 고속으로 진행됨에 따라 흡기 밸브 열림 시점을 더 일찍 해줘야 한다.
그림 3.6
2) 흡기 밸브 닫힘 (IVC)
흡기 밸브가 닫히는 타이밍을 크랭크 각도로 표시한 것을 IVC라고 한다. 모든 경우에 흡입 행정이 마무리 되고 압축 행정이 시작되어 일정 크랭크 각도가 지나간 후로 정하게 된다. 이 타이밍은 4가지 타이밍 중 엔진의 성능에 가장 중요한 영향을 미치는 변수로, 고속에서의 램효과와 저속에서의 역류(Back Flow)를 고려하여, 엔진의 컨셉에 따라 결정하게 된다. 저속형 엔진에서는 저속에서의 Back Flow를 줄이기 위해 IVC를 일찍 위치 시키게 되고, 고속형 엔진에서는 램효과를 크게 하기 위해 IVC를 늦게 위치시키게 된다. 고성능 엔진에서 자주 사용되는 하이캠이란 고속에서의 성능을 높이기 위해 IVC를 늦게 하고, 밸브의 리프트를 높인 캠을 의미한다. 일반적으로 생각할 때 이 타이밍의 설정은 잘 이해가 안될수 있다. 흡기 행정이 지나서 압축행적이 시작되어 피스톤이 상승함에도 불구하고 흡기밸브를 닫지 않으면 흡입된 공기가 피스톤 상승 운동에 따라 흡기계로 다시 역류할 것으로 생각할 수 있기 때문이다.
흡기 밸브 닫힘 각도를 압축 행정중에 위치시키는 이유는 위에서 설명한 그림2의 크랭크 기구의 특징과 공기의 관성을 고려하셔야 이해할 수 있다. 그림 3.6에서 설명한 바와 같이 피스톤이 흡기행정이 완료되어 BDC로 내려온 상태에서 다시 상승하는 중에는 상당한 크랭크 각도 회전에도 피스톤의 상승량은 미미 하다. 따라서 이에 따라 공기를 흡기계로 밀어내려는 힘 또한 작게 된다. 공기도 질량을 가진 물체이므로 흡입되는 공기는 계속 그 방향으로 운동하려는 특징(관성)이 있다. 따라서, 피스톤이 상승하여 공기를 밀어내려는 힘보다 공기의 관성에 의해 계속 연소실로 들어오려는 힘이 더 큰 상태까지는 피스톤이 상승함에도 불구하고 공기는 계속 연소실로 유입되게 된다. 이를 램효과라 한다. 저속에서는 공기의 관성이 작으므로 흡기 밸브 닫힘을 늦게 하면 피스톤의 상승운동에 따라 흡입된 공기가 다시 흡기관으로 빠져나가게 되며 이를 역류(Back Flow)라 한다. 따라서, 흡기 밸브 닫힘 시간을 빨리하면 저속에서의 백플로우 량이 작아져서 저속 토크는 증가하지만, 고속에서 램효과를 얻을 수 없어서 고속 토크가 감소하게 된다. 반대로, 흡기밸브 닫힘 시간을 늦추면 고속에서는 램효과로 고속 토크가 증가하지만 저속에서는 백플로우의 발생으로 저속 토크가 감소하게 된다. 결과적으로 고속과 저속을 동시에 만족 시킬 수는 없고 엔진이 저속형이냐 고속형이냐에 따라 결정하게 된다. 일반적으로 하이캠은 고속의 성능을 올리기 위해 흡기 밸브 닫힘 시간을 늦추게(Retard)되어 고속의 성능은 올라가지만 저속의 성능은 감소하게 된다.
3) 배기 밸브 열림 (EVO)
배기 밸브가 열리는 타이밍을 크랭크 각도로 표시한 것을 EVO라고 한다. 일반적으로 배기 BTC 전에 열리게 되는데, 너무 일찍 열리면 연소압력이 피스톤을 밀어서 하는 일에서 손실이 발생되고 너무 늦게 열리면 배기 행정 초기에 펌핑 손실의 증대를 가져와 성능의 손실이 발생되므로, 이 역시 사용하고자 하는 엔진의 컨셉(저속형 or 고속형)에 따라 결정하여야 한다. 이도 마찬가지로 팽창행정이 진행되고 있는데 배기 밸브를 열어서 에너지를 버린다는 것이 이해가 안될 수 있다. 전술한 바와 같이 팽창행정 말기에는 피스톤의 운동량이 현저히 줄어들어 연소압에 의한 기계적 에너지의 발생이 줄어드는 반면 배기 밸브를 미리 열어서 연소실 내 압력을 줄여주지 않으면 배기 행정 초기에 피스톤이 상승할 때 높은 연소실 압으로 인하여 저항을 받게 되므로 미리 열어 주는 것이 성능에 도움이 된다. 이도 마찬가지로 고속으로 갈수록 미리 열어주게 되고 저속일 수록 늦게 열어준다.
4) 배기 밸브 닫힘 (EVC)
배기 밸브가 닫히는 타이밍을 크랭크 각도로 표시한 것을 EVC라고 한다. 일반적으로 흡기 TDC 후에 열리게 되는데 이도 펌핑 손실을 줄이기 위함이다. 흡기 밸브 열림과 마찬가지로 배기 밸브를 배기 행정 종료와 동시에 닫게 된다면 배기행정 말기에 피스톤이 올라갈 때 배기밸브가 닫혀있으므로 저항을 받게 되기 때문이다. 주사기 피스톤을 밀 때 앞 구멍이 막혀 있다면 저항을 받는 것과 같은 이치이다.
5) 밸브 리프트
밸브의 수직 행정 최대값을 밸브 리프트라고 한다. 일반적으로 이 값이 큰 것이 좋으나, 마찰이나 내구성등에 의해 밸브 행정 기간(Valve Duration)에 따라 최대값이 결정된다. 리프트를 계속 높인다고 성능이 계속 올라가는 것이 아니고 어느 값 이상에서는 성능의 향상이 없게 된다.
같은 밸브 행정기구에 리프트가 높아진다면 같은 크랭크 각도에 따라 밸브 리프트 변화량이 커진다는 이야기고 이는 밸브의 가속도가 증가된다는 말과 같으므로 고속에서 밸브 바운싱, 점프, 서징과 같은 이상 현상의 발생을 증가시켜 밸브계의 파손 가능성을 높이게 되고 밸브와 태핏의 마찰량도 증가시켜 캠의 기계적 마모도 증가시키게 된다. 따라서, 밸브 행정의 값에 따라 적절한 밸브 리프트량을 제한하여야 밸브계의 파손과 캠의 손상을 방지할 수 있다.
6) 밸브 타이밍 선정
밸브 타이밍의 선정은 위에 전술한 바와 같이 엔진의 컨셉에 따라 결정된다. 위에 설명한 5가지의 고려사항 외에, 최대 피스톤 스피드에서의 밸브리프트와 저속에서의 녹킹 성능 등을 복합적으로 고려하여 결정하게 된다.
7) 밸브 오버랩
전술한 바와 같이 일반적으로 흡기 밸브는 흡기 TDC전에 열리고 배기 밸브는 흡기 TDC 전에 닫히게 되어, 흡배기 밸브가 동시에 열려있는 경우가 발생되는데 이를 밸브 오버랩이라고 한다. 고속형 엔진일수록 밸브 오버랩은 커지게 되는데 밸브오버랩이 커지면 배기가스 잔류량이 많아지게 되어 저속 저부하(특히 아이들)에서 엔진이 불안해지게 된다.
8) 가변 밸브 타이밍
위에 설명한 바에 따르면 밸브 타이밍은 저속형으로 선정할 경우 고속에서 손실이 발생되고, 고속형으로 선정할 경우 저속에서 손실이 발생되게 된다. 이에 대한 해결 방법으로 엔진의 회전 rpm에 따라 밸브의 타이밍이 자동으로 변화하는 밸브 기구를 가변 밸브 기구라고 한다. 매우 다양한 방식의 가변 밸브 기구가 제안되어 왔다. 크게 위상각만 변경시키는 간단한 방식에서 전 밸브 이벤트를 제어할 수 있는 복잡한 기구까지 사용되고 있다.
5. 흡기온도, 습도, 대기압과 엔진 성능
흡기온도가 올라가거나 습도가 올라가거나 대기압이 내려가면 출력이 떨어진다는 것은 일반적으로 널리 알려진 사실이다. 하지만, 얼마나 떨어지는지 수치에 관해서는 정확히 알지 못하는 경우가 많다. 전술한 바와 같이 튜닝에 있어서 효과의 유무도 중요하지만 그 효과의 정도를 아는 것이 더 중요할 때가 많다. 그림 3.7을 보면 이 정도를 정확히 알 수 있다.
그림 3.7
엔진에 있어서 흡기온도가 높으면 흡입공기의 밀도가 떨어져서 흡입되는 공기의 질량이 감소하게 되어 성능이 감소하게 된다. 습도가 높으면 수증기가 흡입 공기의 일정 부피를 차지하게 되어 역시 공기 질량의 감소로 이어져 성능이 감소한다. 대기압에 따라 공기의 밀도가 변화하므로 이도 성능에 영향을 미칠 것을 당연하다.
그림 3.7은 흡기온도, 습도, 대기압의 변화에 따른 보정계수(Correction Factor) 값을 보여준다. 보정계수란 엔진의 성능을 측정함에 있어서 흡기온도, 습도, 대기압의 영향에 따라 성능이 변화되는 것을 보정하여 항상 일정한 결과를 가지게 하는 것이다. 즉, 엔진의 실험 조건에 상관없이 이를 흡기온 25도, 대기압 99kPa, 상대습도 0% 기준(향후 기준조건으로 표시)으로 환산시켜주는 계수이다. 위 그림에서 흡기온도(Int. Temp) 라인은 습도와 대기압은 기준 조건으로 고정하고 흡기온도만을 변화하였을 때의 보정계수 변화이고 습도라인, 대기압 라인도 마찬가지로 다른 조건은 기준 조건으로 고정하고 변화시켰을 때의 보정계수 변화 값이다.
한 엔진을 더운 여름에 실험한 것과 추운 겨울에 실험하면 출력이 다르게 나올 것이다. 또한, 에베레스트 산 꼭대기에서 실험하는 것과 부산 바다 앞에서 하는 것도 대기압의 차이로 출력이 다르게 나올 것이다. 이렇게 되면 날씨와 전 세계 위치에 따라 한 엔진에 대해 다른 출력을 표시하게 될 것이므로 시험의 재현성과 정확성을 기대하기 힘들게 된다. 따라서 전세계 공통으로 기준을 정하였는데, 흡기온 25도, 대기압 99kPa, 상대습도 0% 이다. 이 조건을 맞추려면 대형 공조 시스템 등을 도입하여 엔진 실험 조건을 항상 이 조건으로 맞추어야 하는데 비용과 장소 등 현실적으로 매우 어려운 일이다. 그래서, 이런 공조 시스템이 갖추어진 실험실에서 온도, 습도, 대기압 등을 변화시켜가며 엔진에 대해 실험하여 온도, 습도, 대기압에 따른 성능 변화의 정도를 알고 이를 정리한 것이 보정계수(C.F.)이다.
미국에서 실험한 것이 SAE, 일본에서 실험한 것이 JIS이다. 어떤 조건에서 실험을 하여 나온 출력에 그 실험 조건에 해당하는 보정계수를 곱하면 그 엔진이 기준조건에서 나오게 될 출력 값이 된다.
이해를 돕기 위해 예를 들어 보자. 한 엔진을 흡기온도 35도, 대기압 99kPa, 상대습도 0%에서 실험하여 100마력의 출력이 나왔다. 이 조건에서의 보정계수는 그림에서 약 1.017이다. 100마력에 1.017을 곱하면 101.7마력이 된다. 이것은 이 엔진을 25도에서 실험하면 101.7마력이 나오게 될 것이라는 의미이다. 이것을 다른 각도에서 생각해 보면 흡기온도 25도에 35도로 10도 변화하면 출력이 약 1.7% 감소한다는 것이다. 습도나 대기압에 대해서도 마찬가지로 이해할 수 있겠다. 보정계수가 올라간다는 것은 엔진의 출력이 감소한다는 의미이고 내려간다는 것은 엔진의 출력이 올라간다는 의미이다.
여름철 기온은 높고 비가오거나 흐려서 습도는 높고, 대기압이 낮을 때는 차의 성능이 가장 떨어짐을 예상할 수 있겠다.
4장. 체적효율에 영향을 미치는 인자
그림 4.1
1장에서 설명한 바와 같이 체적효율이란 엔진에 흡입되는 공기량의 정도를 나타내는 값으로 이는 출력과 같은 의미로 받아드릴 수 있다. 따라서, 체적효율을 높인다는 것은 출력을 높인다는 말과 같은 의미로 해석할 수 있겠다. 따라서 그림 4.1에서 체적효율은 엔진의 출력이고 Mean Piston Speed는 엔진의 rpm과 같은 의미로 해석할 수 있다. 그림에서 처음 상태를 체적효율 100%라고 보고, 각 요인들에 의해 체적효율이 줄어들고 늘어나는 모양을 나타내었다. 수치가 중요한 것이 아니고 전체적인 경향을 중요하게 보아야 한다.
1. Quasi-static effects
무화된 연료 분압에 curve A로 체적효율이 감소한다. 연료가 무화되면 기체화 되고, 기체화 되면 흡입공기 중에 일정한 부피를 차지하게 되므로 그만큼 공기의 흡입량이 줄어들게 된다. 이는 엔진 rpm과 무관한 변수이다.
2. Charge Heating
매니폴드와 연소실 내에서의 혼합기 가열에 인한 밀도 저하로 curve A에서 B로 체적효율이 감소한다. 엔진의 온도는 고속에서 높지만 혼합기의 유속에 의한 효과가 더 커서 혼합기가 머무는 시간이 길어지는 저속에서 효과가 크고 고속으로 갈수록 감소하는 경향을 보인다.
3. Flow Friction
에어필터, 흡기매니, 쓰로틀, 포트, 밸브 등에 의한 저항에 의해 B에서 C로 체적효율이 감소한다. 흡기와 배기에서 공기흐름 저항에 관련된 항은 엔진 rpm이 증가함에 따라 증가하는 모양을 보인다. 이를 줄이기 위해 배기 배압을 줄이기 위해 머플러나 중통 등을 변경하고, 흡기 필터의 교환 헤드 포팅 등을 하게 된다.
4. Choking
높은 엔진 rpm에서 유동은 초킹(유속이 음속을 돌파하는 현상)이 발생되어 rpm 상승에 상응하여 체적효율이 감소한다. 초킹이 발생되면 아무리 큰 힘으로 엔진이 공기를 빨아드려도 시간당 공기 유량이 증대되지 않게 된다. 그러면 rpm의 상승에 따라 싸이클 당 흡입되는 공기량은 rpm 상승에 바로 비례하여 감소하게 되므로 초킹이 발생되게 되면 rpm 상승에 따라 급격히 체적효율이 감소하게 된다. 엔진에서 유속이 가장 빠를 것으로 예상되는 곳은 가장 좁은 곳인 흡기포트일 것이다. 따라서, 이를 해결하기 위해 헤드포팅을 통하여 확장해주는 것이 매우 유효한 방법이 된다. 하이캠의 경우 하이 rpm에서 성능을 추구하는 것으로 하이캠이 제대로 성능을 발휘하기 위해서는 고속에서 체적효율에 영향을 주는 헤드포팅이 매우 중요함을 알 수 있다. 롱스트로크 엔진은 공기의 흡입 속도가 빠르게 된다. 따라서, 롱스트로크 엔진이 고속에서 초킹이 발생되기 쉽고 그러므로 고속 용 엔진으로 적합 치 못한 한가지 이유가 된다. C에서 D로 감소.
5. Ram Effects
속도를 가진 혼합기의 유동은 관성을 가진다. 이 관성에 의해 압축 행정 초기에도 공기의 흡입이 가능하여 체적효율 증가를 가져온다.(D에서 E) 공기의 관성이 큰 고속에서 효과가 크게 나타나며 밸브타이밍과 연관되어 효과의 크기가 결정된다. 고속에서 램효과를 크게 가져가면 저속에서 역류의 양이 커져서 저속 성능이 저하되는 것이 일반적이다. (밸브 타이밍에서 자세히 설명되어 있음)
6. Back Flow
고속에서 램효과를 주기위해 흡기밸브닫힘(IVC) 시기를 늦추게 되면 혼합기의 관성이 작은 저속에서는 압축 초기에 실린더 내의 혼합기가 흡기 포트로 역류하게되어 체적효율이 감소한다. (E에서 F)
7. 흡배기 튜닝
엔진의 흡배기 계에는 피스톤의 운동에 의한 유동과 밸브 개폐에 의해 압력파가 발생된다. 압력파의 형상은 흡기, 배기관의 길이와 직경, 형상 등에 의해 변화되는데, 이에 의해 체적효율의 상승을 도모할 수 있다. (F에서 G)
1) 흡기 맥동과 성능
엔진은 흡기 유동의 관성과 밸브 개폐에 따라 흡기관 내에 맥동(압력파의 변동)이 발생되게 된다. 흡기밸브가 닫히면 공기의 관성에 의해 밸브 전단의 공기는 압축되게 된다. 여기서 발생된 압축파는 흡기관 내로 전달되어 가다가 서지탱크나 에어클리너와 같이 큰 공기의 매질을 만나면 반사되게 된다. 반사된 압축파는 다시 엔진 쪽으로 전달되게 되어 흡기밸브와 서지탱크, 흡기와 에어클리너 사이를 왕복하는 압축파가 존재하게 된다. 밸브와 서지탱크를 왕복하는 압축파는 주파수가 높으므로 고속의 튜닝 포인트와 밸브와 에어클리너를 왕복하는 압축파는 주파수가 낮으므로 저속의 튜닝 포인트와 관계가 있게 된다.
흡기 튜닝이란, 이 압력파의 압축파가 흡기밸브가 닫히는 시점에서 흡기밸브 위치에 발생되게 하는 것이다. 흡기 밸브가 닫히는 시점에서 흡기 밸브 부분에 압력이 높게되면 연소실 내의 공기압도 높게 되고 연소실 내에 충진되는 공기의 질량도 많아지기 때문이다.
기본적으로 엔진의 회전수와 맥동의 왕복 주파수를 매칭하게 되는데, 저속으로 갈수록 흡기관의 길이를 길게 하고 직경을 작게 하고, 고속으로 갈수록 흡기관의 길이를 짧게 하고 직경을 크게 한다.
2) 배기 맥동과 성능
흡기에서와 같이 배기 유동의 관성과 밸브 개폐에 따라 배기관 내에 맥동(압력파의 변동)이 발생되게 된다. 배기 튜닝이란, 이 압력파의 팽창파가 배기밸브가 닫히는 시점에서 배기밸브 위치에 발생되게 하는 것이다. 배기 밸브가 닫히는 시점에서 배기 밸브 부분에 압력이 낮게되면 연소실 내의 압력도 낮게 되고 배기가스의 배출이 원활해지기 때문이다.
배기 튜닝에는 이것 말고 보다 더 중요한 고려 점이 있는데 이는 원활한 배기를 방해하는 실린더 간 배기 간섭이다. 각 실린더로부터는, 점화 순서에 따라 연소 가스가 배출되지만, 매니폴드에서 하나로 합쳐지기 때문에, 잘 설계되어 있지 않으면, 한 실린더의 배기가 통과하고 있을 때 다른 실린더로부터의 배기가 와서 연결된다든지, 매니폴드 내의 압력이 높아지게 되어, 연소 가스가 잘 배출되지 않게 된다. 배기 간섭은 배기 밸브로부터 각 실린더의 집합 부분까지의 거리를 길게 한다든지, 각 실린더의 집합 부분 각도를 예각으로 하여 배기 흐름을 잘 한다든지 하는 등에 의해 방지하는 것이 가능하지만, 다기통 엔진일수록 모여지는 매니폴드 수가 많아지므로, 그 대책은 어렵다. 배기관의 설계는 위에 설명한 맥동에 의한 튜닝효과와 배기 간섭, 차량의 레이아웃 등을 고려하여 일단계로 시뮬레이션으로 결정하고, 시험으로 최종 결정한다. 배기관의 시뮬레이션은 흡기 보다 어려운 작업으로, 경험적인 값들이 보다 유효한 경우가 많다.
3) 가변 흡기 시스템
밸브 타이밍과 마찬가지로 흡기계의 튜닝도 저속형으로 할 경우 고속에서, 고속형으로 할 경우, 저속에서 손실이 발생된다. 이를 방지하기 위해 저속과 고속에서의 흡기 유로를 변경하여 저속에서는 긴 관로를 고속에서는 짧은 관로를 통과하도록 기구를 구성한 것을 가변 흡기 시스템이라고 한다.
5장. 동력 성능
1. 주행곡선의 이해
그림 5.1에 일반적인 차량과 엔진의 주행 곡선을 나타내었다. 이 곡선에는 각 단별 엔진의 구동력과 rpm, 차량의 주행 저항을 나타낸다.
2. 구동력
엔진에서 발생된 출력과 각 단에서의 구동력의 관계는 아래와 같이 나타낼 수 있다. 엔진에서 발생된 토크에 변속기의 각단 기어비와 종감속비를 곱하고 변속기의 전달효율을 곱해서 변속기에 의해서 손실되고 최종적으로 구동 바퀴에 전달되는 토크를 구한 후에 타이어의 동반경을 곱하면 지면과 닿는 바퀴면에 가해지는 구동력을 계산할 수 있다.
Fw=구동력, Te=엔진 Torque, FR=종감속비, n=기어 전달 효율, R=타이어 동반경, i=각단기어비
3. 총 주행 저항
차량은 주행에 따라 각종 주행 저항을 받게 되는데 이는 아래와 같이 계산할 수 있다.
총주행저항=구름저항+공기저항+관성저항+가속저항+등판저항
각 항은 이론적으로 계산될 수 있지만, 실제에서는 여러가지 오차가 발생되어 식에 의한 계산보다는 실험에 의해 결정된다. 평지에서 일정 속도로 차량을 주행하다가 엑셀 페달을 놓고 타력 주행을 하면 속도가 줄어들게 된다. 이 감속 정도를 측정하여 시간 변화율을 구하면 차속에 따른 총 주행저항을 구할 수 있다. (아래 차량의 동력 성능 내용 참조)
4. 엔진회전 속도와 차량 주행 속도
차량의 기어비와 타이어의 동반경을 알면 각단에서 엔진 회전수에 따른 차량 속도를 알 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.
[km/h]
N=엔진회전수, FR=종감속비, R=타이어 동반경, i=각단기어비
5. 차량의 동력 성능
차량의 구동력과 주행 저항을 알면 차량의 동력 성능(0-100km 가속 시간, 혹은 0-400m 가속 시간 등)을 예측할 수 있다. 차량 구동력에서 주행저항을 뺀 실제 구동력을 알고 차량의 질량을 알면 가속도를 계산할 수 있고 이를 시간에 대해 적분하면 속도가 되고 이 속도를 다시 시간에 대해 적분하면 주행 거리가 계산된다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.
Fw=m*a
Fw=구동력, m=차량 질량, a=가속도, V=차속, S=주행거리
6. 차량의 최고 속도
주행 저항 곡선(그림 5.1)을 보면 그 차량의 최고 속도를 알 수 있다. 그림에서 주행 저항을 고려하지 않으면 차량의 최고속도는 5속 기어 상태에서 엔진 최고 회전수에 해당하는 차속 'C'가 된다. 하지만 5단에서의 구동 토크는 'A' 차속에서 주행 저항 이하로 떨어지게 되어 실제로는 'A' 차속에 해당하는 rpm 이상 올라가지 못하며 머물게 된다. 따라서, 실제 최고 속도는 4속에서 엔진 최고 회전수에 해당하는 차속인 'B'가 된다. 이 예에서 보듯이 차량의 최고 속도는 단순히 기어비에 의한 계산된 최고 속도로 결정되는 것이 아니라 주행 저항까지를 고려하여 결정된다. 특정한 차량에서 최고속을 증대시키기 위해 기어비를 길게 변경하면 오히려 최고속이 줄어들 수도 있음을 간과해서는 안된다.
그림 5.1
|
|
|
|
|
| 1 |
|
|
|
|
공지사항