1. 요구되는 성능
엔진에는 여러 가지 성능이 요구된다. 각각의 성능은 복잡하게 얽혀있고, 당연한 것은 자동차의 성능과 깊은 관계가 되고 있다는 것이다. 게다가 시대와 함께 그중에 어떤 성능이 특히 중요한 것인지는 변화하여 간다. 그러나, 엔진이라는 동력원이 있어 처음으로 자동차가 성립된 것을 생각하면, 그 성능이라는 것과, 얼마만큼의 동력이 나오는가 하는 출력이 무엇보다도 중시되는 것으로 변화하지는 않을 것이다. 다만, 그것에는 가능한 한 연료를 많이 사용하지 않고, 라는 조건이 붙는다. 예전부터는 엔진에 많은 일을 시키기에는, 거기에 알맞은 연료가 있는 것이 당연한 것으로 되고 있다. 그러나, 최근에는 엔진의 효율을 올리는 것에 의해 연비와 출력의 양립이 계획되는 식으로 되어가고 있다.
엔진의 연소효율을 좋게 하는 것은, 동시에 배기정화에 연결된다. 배기중의 세가지 주된 유해성분 가운데, 일산화탄소와 탄화수소는, 이론상 가솔린이 완전연소한다면 없어지는 것이 당연히 생길 것이기 때문이다. 또 하나 질소산화물의 처리는 메이커에 따라 중요한 연구과제로 되고 있다.
엔진이 자동차 중량의 10∼15%를 차지하고 있는 것을 생각하면, 출력과 연비를 양립시키는 또 하나의 방법은 엔진을 컴팩트하게, 가볍게 하는 것이다. 같은 출력에 엔진이 가볍게 된다면, 자동차로서는 파워-업 한 것과 동일한 효과가 얻어지는 때문이다. 엔진이 경량, 컴팩트하게 되면 자동차의 운동 성능도 변화하여 간다. 자동차가 우수한 조종성을 나타내기 위해서는 차체가 가볍고, 중량 배분은 前後 50:50 에 가까운 것이 바람직하지만, 여기에 조금이라도 근접하는 것이 좋은 것이다.
엔진은 고출력과 동시에 파워가 운전자의 의도대로 사용되는 특성을 갖고 있다고 말하는 것도 중요하다. 예를 들면 액셀러레이터를 밟을 때에 운전자가 예상한 이상의 파워가 나오는 식의 엔진은 안전성上 좋지 않다. 그 밟는 加減에, 엔진이 어떤식으로 반응하는가 라고 하는 리스펀스도 운전에 큰 영향이 있다.
엔진은 연소가스의 폭발적인 팽창력에 의해 동력을 얻고 있고, 略하여 音振으로 불리우는 소음과 진동의 발생을 없애는 것은 불가능하다. 이것을 어떻게 목적한대로 처리하여 탑승자에 전달되지 않도록 하는가도 중요하지만, 엔진의 회전이 어떻게 되고 있는가 신체에 느껴지지 않는 것도 당연히 좋지 않을 것이다. 또 엔진이 기계로서의 자동차 일부인 것을 생각하면, 유지보수하기가 쉬운지도 중요한 성능의 하나로 이야기할 수 있을 것이다.
2. 출력이란 무엇인가
엔진은 공기에 가솔린을 혼합하여 연소시켜 발생한 열을 힘으로 변환시키는 장치이기 때문에 그 기본적인 성능을 이야기하게 되면, 얼마나 가솔린이 연소되는가 라고 하는 연료의 소비량과 이것에 의해 얼마만큼의 힘이 생성되는가 하는 토-크, 엔진이 단위 시간에 하는 일을 표시하는 출력의 3가지가 제일 중시된다.
이중에 연료소비량이라고 하는 것은 얼마나 연료를 사용하는가 라는 것이어서 극히 알기 쉽지만 출력과 토-크 라고 하는 것은 구체적으로 어떤 것일까.
가솔린엔진의 작동 원리는 가솔린이 연소되어 생기는 연소가스의 팽창력이 이 피스톤을 눌러서 그 힘이 크랭크샤프트를 회전시킨다는 것이다.
우리가 비탈길 등에서 엔진으로부터 큰 힘을 내고자 할 때에는 액셀 페달을 많이 밟고 평탄한 길을 같은 속도로 달릴 때에는 조금만 밟는다. 이 액셀 페달은 엔진에 흡입되는 공기량을 조절하는 스로틀 밸브라고 부르는 밸브에 붙어 있어 이 밸브는 페달을 밟는 깊이에 맞추어 열려서 가감이 변하게 되어 있다.
연료인 가솔린은 엔진에 흡입되는 공기량에 대해서 완전히 연소될 양이 자동적으로 공급되게 되어 있어 페달이 조금 밟혀 공기량이 조금이게 되면 가솔린도 조금, 전개로 되면 많은 가솔린이 공급된다.
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출력은 엔진의 힘세기라고 하는 것보다 스피드를 내는 능력이라고 말한다. 요컨대, 일반적으로는 이 수치가 큰 만큼 최고속도가 크게 된다고 생각된다. 물론, 자동차 전체의 중량 및 자동차의 공기저항 크기도 이것과 관계있지만, 수자로 표시되는 출력, 특히 최고 출력이 카타로그 등에 기재되기 때문에 주목받기 쉽다. 그러나, 이것은 엔진 성능 중의 한 목표이다. |
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엔진성능곡선에 토-크 커브가 어떻게 되어 있는가는 극히 중요하다. 최대 TORQUE 부근이 완만한 모양의 산으로 되어있는 엔진은 액셀 페달을 밟음에 따라 착실히 힘차게 가속되어간다. 이 산이 첨예한 엔진은 이 부근의 엔진회전은 힘참을 발휘하지만 그것으로 인해 저회전은 그다지 힘이 세지 않아 가속도 SMOOTH하게 되지 않는다. 이것은 무리하게 최고출력을 올린 엔진으로 보인다. |
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요컨대 실린더에 들어가는 혼합기의 공기와 가솔린의 비율은 대개 일정하게 되어 있어 공기의 양을 액셀 페달로 컨트롤하고 있다는 뜻이다. 그래서 페달을 조금밖에 밟지 않으면, 혼합기의 양이 적어져서 연소때의 팽창력이 작아져서 엔진으로부터의 힘이 작아지고, 全開로 하면 그 엔진의 나올 수 있는 최대한의 힘이 나오게 되는 것이다.
그래서 엔진의 성능이라고 하는 것은 이 힘이 큰 만큼 엔진은 우수하다고 말하고 있는 것이 우선 생각된다. 힘은 kg으로 표시되지만, 자동차는 최종적으로 타이어를 회전시키는 회전력으로 생각하는 편이 편리하므로, 힘의 크기에 회전 중심으로부터의 힘이 걸리는 점까지의 길이를 곱하여 얻어지는 것, 즉 토-크로서 kg·m를 단위로 하여 다루는 것이 보통이다. 요컨대 토-크의 크기는 엔진 성능을 판단할 때의 목표중 하나라는 것이다.
다음으로 엔진성능이라고 말하면, 큰 힘이 얻어질 뿐만 아니라, 그 힘에 따라 어떤 시간내에 얼마만큼 일이 가능한가가 중요한 요소로 생각된다. 이 일량은 출력이라고 불려지고 있어, 단위시간에 얼마만큼의 일을 하는가의 목표로서 마력이라고 하는 단위를 사용하고 있다.
3. 출력표시방법
일반적으로 엔진 성능 가운데 최고로 중시되는 것은 출력(파워)이다. 신형차에 새로운 엔진이 탑재되고 있다고 들을 경우, 몇 마력인가? 라고 묻는 경우가 많다. 이 마력이라고 하는 것은 일효율, 요컨대 단위 시간에 행해지는 일의 양을 표시하는 단위로, 자동차용 엔진은 이 일효율이라는 것을 동력 또는 출력으로 부르는 것이 보통이다.
최초로 이 개념을 생각한 것은 증기기관의 발명으로 유명한 영국의 와트로, 몇종류인가의 증기기관 동력성능을 비교할 목적의 단위로서 탄광의 배수작업에 사용되고 있던 말의 동력을 기준으로 하여, 550 ft·lbf/s 를 1 마력으로 하였다. 이것을 미터법으로 환산하면, 75 kg·m/s 가 되고, 구체적으로 말하면 75kg 무게의 것을 1초에 1m의 비율로 끌어 올리는데에 필요한 동력이다.
마력의 기호에는 영어의 Horsepower를 略하여 HP로, 독일어의 Pferdestarke 로부터 온 PS 가 있어 혼동하기 쉽지만, PS가 사용되는 쪽이 많다. 계량법으로는 이 PS를 사용하여도 좋은 것으로 되고 있지만, 정식으로는 SI 단위의 W (와트) 로 표시하는 것으로 되어 있어, 1PS는 735.4W이다. 100PS가 73.5kW, 100kW가 136PS로 일컬어진다는 뜻이다.
그런데, 이 출력이라는 것이, 카타로그를 잘 보면, PS/rpm의 앞에 (네트) 또는 (그로스) 로 기입되어 있는 것이 있다. 엔진의 출력이라고 하는 것은 계측용의 장치에 엔진을 세팅하여 측정하는 것이므로, 측정 조건에 따라 변화되는 것은 물론, 계측할 때마다 산포가 있다. 그래서, 일부에서는 출력의 표시에 네트치와 그로스치가 사용되고, 엔진만으로 측정한 것을 그로스, 엔진을 차량에 탑재한 상태에 근접한 상태로 측정한 것을 네트로 불러 구별하고 있다. 가솔린엔진은 동일한 엔진을 양쪽의 조건으로 테스트하면, 네트는 그로스보다 약 15% 정도 작은 수치로 된다. 아무 단서도 없다면, 수치가 큰 쪽이 그로스이다.
엔진의 출력이라고 하는 것은, 단위시간당 행해지는 일량으로, 당연하지만, 엔진의 회전수에 거의 비례하여 커지게 된다. 그러나, 엔진의 회전수를 점점 올려가면, 운동 부분이 그 이상 빠르게 운동하지 못하게 되든지, 공기를 그 이상 빠르게 흡입한다든지 배출한다든지 를 못하게 되어 버려, 엔진 자신을 회전시키기에 필요한 동력도 크게 되는 등, 곧 출력이 한계에 도달하게 된다. 이때의 엔진 출력을 최고출력이라고 하고, 카타로그에는 그때의 엔진회전수가 함께 표시되고 있다.
5.토크는 무엇인가
토크는 말을 바꾸면 축을 비트는 힘이다. 이해하기 쉽게 “力”이라고 말한 것은 그 단위는 kg·m로, 힘의 단위 kg에 그 힘이 걸리는 점을 얼마만큼 움직인 것인가 하는 m가 곱해지고 있고, 이것은 일이다.
엔진으로 말하면 콘로드의 빅엔드가 크랭크샤프트를 눌렀을 때, 피스톤이 콘로드를 누르는 힘에 크랭크핀의 중심과 크랭크샤프트 중심과의 거리를 곱한 것으로 구해진다.
그렇게 하면, 어떤 엔진으로부터 생기는 토크의 크기는 피스톤이 콘로드를 누르는 힘, 요컨대 팽창력에 따라 결정되는 것을 알 수 있다. 성능 곡선의 토크라고 하는 것은, 엔진이 어떤 회전수로 회전하고 있을 때, 팽창행정에 어떤 피스톤이 얼마만큼의 힘으로 크랭크샤프트를 회전시키고 있는가를 표시하는 것이다. 이 힘이 타이어에 전달되고, 토크가 작으면 차량을 앞으로 추진시키는 힘이 작게 되고, 크면 차량이 큰 힘으로 앞으로 나아간다. 타이어는 회전시키는 토크가 크면 운전자는 가속력이 크다고 느낀다는 의미이다.
피스톤을 눌러 하강시키는 팽창력이라고 하는 것은 여러 가지 요인으로 지배되지만, 대략적으로 말하면 실린더에 흡입되어 버리는 공기량이 많을수록 크다. 많은 공기로 가솔린을 연소시키면 그것만으로 발열량이 커지고, 힘을 낸다고 하는 의미이다. 그래서, 엔진에 들어가는 공기량과 엔진 회전수와의 관계를 생각해보면, 엔진 회전이 느린 것은 피스톤의 움직임이 늦고, 흡입하는 힘이 약하면 공기량이 적고, 역으로 엔진 회전이 높은 것은 피스톤의 움직임이 빨라 공기가 들어가려 하는 사이에 흡기 밸브가 닫혀버리기 때문에, 이것 역시 실린더에 들어가는 공기량이 적다. 요컨대 토크 커브라고 하는 것은 기본적으로 엔진 회전수에 대하여 山 모양의 곡선이 된다는 의미이다.
예를 들면, 이 산의 피크가, 엔진 회전수가 낮은 2500rpm에 있는 엔진과, 높은 5000rpm에 있는 엔진이 탑재된 차량으로 비교하면, 회전수가 낮은 곳에 피크가 있는 엔진은 시가지에서 엔진을 그다지 회전시키지 않는 상태에서 사용할 때에는 달리기 쉽지만, 고속도로에서 엔진이 빠르게 회전하고 있을 때에 더욱 더 액설러레이터를 밟아도 가속이 나쁘다고 느낀다. 역으로 피크가 높은 곳에 있는 엔진은 고속주행에는 힘껏 가속하지만, 일반 주행에서 엔진을 회전시키지 않고 달리면 우물쭈물한 주행이 되어, 활달하게 주행하고자 한다면 낮은 기어를 사용하여 항상 엔진 회전수를 높게 유지할 필요가 있다.
6. 출력을 높인다
엔진의 출력은 일률, 요컨대 단위 시간에 행해지는 일량이 많을수록 크기 때문에, 실린더의 용적이 클수록, 피스톤을 누르는 힘이 클수록, 더욱 더 그 사이클이 가능한 한 빨리 회전될수록, 큰 출력이 얻어진다.
엔진의 크기는 배기량으로 표시하는 것이 보통이다. 피스톤이 하사점으로부터 상사점에 도달하는 사이에 배출하는 기체의 양을 그 실린더 배기량이라고 하고, 엔진 각 실린더의 배기량을 합계한 것이 그 엔진의 총배기량이다. 배기량은 실린더의 직경으로부터 계산된 단면적에 상사점으로부터 하사점까지의 길이를 곱하여 구하고, cc로 표기되는 것이 보통이지만 ℓ로 표시되는 것도 있다.
총배기량이 크면 그만큼 많은 가솔린과 공기를 흡입하여 연소하는 것이 가능하기 때문에, 엔진의 출력이 커지는 것은 당연하다고 말할 수 있다. 그래서 엔진 성능의 비교에는, 배기량 1ℓ당 몇 마력이 나오는지, 요컨대 PS/ℓ가 사용된다. 승용차용 엔진은 일반적으로 한 개 실린더가 300∼700cc 정도의 크기로, 같은 배기량이면 실린더수가 많은 쪽이 PS/ℓ가 큰 경향이다. 단, 실린더수를 많게 하면 그만큼 메카니즘이 복잡하게 되어, 코스트가 많이 들게 된다.
레이싱카는 참가하는 레이스에 따라 엔진의 총배기량이 결정되고 있기 때문에, 메이커 및 튜너는 규정된 배기량 범위에서 어떻게 마력을 쥐어 짜내는 지에 노력을 다한다는 뜻이다.
피스톤을 누르는 힘은 피스톤이 1 사이클 사이에 행하는 일을 배기량으로 나누어 구한다. 요컨대 엔진이 1 사이클에 W kg·m 의 일을 행함으로써, 이것을 배기량 V로 나누면, W kg·m / V = W / V W kg/㎡ 으로 되고, 피스톤을 누르는 힘이 1 평방미터당 몇 킬로그램의 힘이 걸리는 지로 이야기하는 압력단위로 표시된다. 이것은 1 사이클 사이에 크게 변화하는 실린더내의 압력 평균치에 해당하는 것인 평균유효압력으로 불리어지고 있다.
엔진의 출력을 크게 하기 위해서는 총배기량, 평균유효압력, 회전속도로 말하는 3가지 요소를 크게 하면 좋다. 엔진의 회전속도에 대해서는 새삼스럽게 설명할 필요는 없을 것이다. 단위 시간에 행해지는 일량은 엔진이 빠르게 회전할수록 크게 되는 것은 당연한 것이다. 엔진 총배기량이 결정되면 평균유효압력을 높임과 동시에, 어떻게 엔진 회전 한계를 높이는지가 엔진을 취급하는 사람들 실력의 자랑거리가 된다.