엔진의 치수와 특성을 나타내는 용어 자동차 용어풀이

 

 

 

 

엔진의 특성에 영향을 미치는 요소들은 여러 가지가 있지만, 몇 가지 기본적인 설계요소들을 살펴보면 엔진의 특징과 차의 성능을 어느 정도 짐작할 수 있다. 이런 차원에서, 엔진과 관련해 제원표에 쓰인 여러 수치와 특성을 주의 깊게 살펴볼 필요가 있다. 다만 이 요소들은 절대적인 평가기준이라기보다, 다른 엔진과 비교해 장단점을 가늠하는 상대적인 기준으로 생각하는 것이 좋다. 본지의 제원표 표기방법을 기준으로, 엔진의 치수와 특성을 나타내는 용어들을 살펴보자.

형식
본지 제원표의 엔진형식은 주로 실린더의 배치, 실린더 수, 밸브구동계 구조를 표시한다. 과급장치가 달린 엔진은 과급장치의 종류도 함께 쓴다. 예를 들어 ‘V6 DOHC 트윈터보’라고 표시된 엔진을 살펴보자. 이 엔진은 모두 6개의 실린더를 V형으로 배치하고 밸브구동계는 실린더 헤드 위에 흡기밸브용 1개, 배기밸브용 1개씩의 캠샤프트가 있는 엔진에 터보차저 과급장치를 두 개 단 엔진이라는 뜻이다. SOHC 엔진은 캠샤프트 구조를 쓰지 않는다.
요즘 나오고 있는 자동차들을 기준으로 각 항목별로 분류하면, 실린더 배치는 크게 직렬, V형, 수평대향 방식이 있다. 폭스바겐/아우디의 W형 엔진은 V형 엔진 두 개를 V자형으로 배치한 것이다. 실린더 수는 3기통부터 12기통까지 다양하고, 3기통과 5기통을 제외하면 모두 짝수로 되어있다. 밸브구동계는 SOHC와 DOHC 두 종류의 OHC 방식과 OHV 방식이 있다. 흡기압력을 높이는 방법으로 엔진출력을 높여주는 과급장치는 배기가스를 이용해 흡기를 압축하는 터보차저와 크랭크샤프트와 연결된 펌프를 이용하는 수퍼차저의 두 가지가 있다. 구체적인 엔진형식에 대해서는 다음 호에 살펴본다.

배기량
엔진의 크기를 나타내는 가장 일반적인 수치로, 피스톤의 움직임에 의해 실린더 밖으로 배출되는 기체(배기, 排氣)의 양을 말한다. 일반적으로 자동차의 엔진은 여러 개의 실린더가 있기 때문에, 엔진의 배기량은 전체 실린더 부피의 합으로 계산된다. 보통 미터법에 따라 cc(cubic centimeter, 입방센티미터) 또는 ℓ(리터) 단위로 표시하지만, 미국에서는 ci(cubic inch, 입방인치) 단위를 쓰기도 한다. 배기량을 구하는 공식은 다음과 같다.

실린더 1개의 부피={π×(보어)2}×스트로크
배기량=실린더 1개의 부피×전체 실린더 수

 

보어×스트로크
보어는 실린더의 지름을, 스트로크는 피스톤의 상하 운동거리를 말한다. 피스톤은 엔진의 행정에 따라 위 아래로 움직이는데, 피스톤이 가장 위로 올라간 위치를 상사점(上死点, TDC: Top Dead Center), 가장 아래로 내려간 위치를 하사점(下死点, BDC: Bottom Dead Center)이라고 한다. 스트로크는 상사점과 하사점 사이의 거리를 나타낸다.
스트로크를 보어로 나눈 비율을 스트로크 보어 비(比)라고 하는데, 이 수치로 엔진의 특성을 간접적으로 짐작할 수 있다. 스트로크 보어 비가 1보다 큰 엔진을 롱 스트로크(long stroke) 엔진, 1보다 작은 엔진을 숏 스트로크(short stroke) 엔진이라고 한다. 이 수치가 1인 엔진은 스퀘어(square) 엔진이라고 한다.
롱 스트로크 엔진은 피스톤이 먼 거리를 움직이기 때문에 압축비가 높고, 낮은 엔진회전수에서 큰 토크를 낸다. 그러나 피스톤을 움직이는 데 많은 힘이 들어 높은 엔진회전수를 내기가 힘들다. 숏 스트로크 엔진은 피스톤이 짧은 거리를 움직이기 때문에 엔진회전수를 빠르게 높일 수 있고, 높은 엔진회전수에서도 힘이 떨어지지 않는다. 일반적으로 롱 스트로크 엔진은 큰 힘이나 우수한 연비를 필요로 하는 차에서, 숏 스트로크 엔진은 고속성능을 중요시하는 차에서 많이 볼 수 있다.
엔진은 움직이는 동안 피스톤과 실린더 내벽 사이를 메우는 피스톤 링 사이에 마찰이 끊임없이 일어난다. 마찰로 피스톤 링과 실린더 내벽이 닳으면 틈새가 생겨 피스톤의 압축효율과 폭발효율이 떨어진다. 이럴 때 실린더 내벽을 깎아 보어를 키우고, 깎아낸 크기만큼 큰 피스톤을 끼우는 작업을 보링(boring)이라고 한다.

압축비
엔진의 압축행정에서 실린더의 압축 전 최대 부피를 압축 후의 최소 부피로 나눈 것이다. 즉 피스톤이 하사점에 있을 때와 상사점에 있을 때의 연소실 부피차이를 비율로 나타낸 수치다. 이론적으로는 압축비가 클수록 폭발력이 커져 높은 효율과 출력을 얻을 수 있다.
그러나 휘발유 엔진은 압축비가 지나치게 높으면 압축이 채 되기도 전에 혼합기의 온도가 높아져 자연발화되는 노킹현상이 생긴다. 그렇기 때문에 휘발유 엔진의 압축비는 7∼11: 1 정도로 조절하는 것이 일반적이다.
디젤 엔진은 2배 정도 높은 15∼22: 1의 압축비를 갖는데, 이것은 경유가 휘발유보다 밀도가 낮아 높은 온도에서 발화되는 특성을 갖고 있기 때문이다. 같은 배기량의 휘발유 엔진보다 디젤 엔진의 효율이 좋은 것은 압축비가 높기 때문이다.

최고출력
출력은 엔진이 내는 힘을 말하지만, 자동차에서는 엔진이 단위시간당 한 일의 양, 즉 일의 능률을 말한다. 우리나라에서는 마력(hp)/rpm 단위를 쓰지만 내륙유럽에서는 kW/rpm를 많이 쓰고, 일본에서는 PS/rpm 단위를 쓰기도 한다. PS는 마력을 뜻하는 독일어인 ‘Pferdestaerke’의 줄임말이다.
제원표에 최고출력이 ‘220마력/5500rpm’으로 표시되어 있다면, 5천500rpm에서 엔진이 가장 큰 힘을 내고, 그 힘이 220마력이라는 뜻이다. 1마력은 1초 동안 75kg의 물체를 1m 끄는 것과 같은 양의 일이므로, 220마력은 1초 동안 75kg의 물체를 220m 끄는 것과 같은 양의 일을 한다는 뜻이다.
출력은 일의 양이기 때문에, 이론적으로는 토크와 엔진의 회전수가 높아질수록 엔진이 내는 출력도 높아진다. 그러나 실제 엔진에서는 회전수가 일정수준 이상 높아지면 기계부품의 마찰로 힘의 손실이 생기고, 흡·배기 밸브의 작동이 엔진의 행정을 따라가지 못하는 현상으로 인해 출력이 떨어진다.

최대토크
토크는 회전력, 또는 축을 비트는 힘을 말한다. 힘의 크기와 힘이 걸리는 점에서 회전중심까지의 거리를 곱한 것을 수치로 나타낸다. 단위 길이를 기준으로, 숫자가 클수록 회전력이 강하다. 엔진에서는 폭발행정 때 피스톤이 커넥팅로드를 통해 크랭크샤프트를 회전시키는 힘이 어느 정도인지를 나타낸다. 우리나라에서는 보통 kg·m 단위를 쓰고, 유럽에서는 N·m, 미국에서는 lb·ft 단위를 많이 쓴다.
제원표의 최대토크는 엔진회전수와 함께 표시된다. 최대토크가 ‘19.5kg·m/4500rpm’으로 표시되어 있다면, 4천500rpm에서 피스톤이 크랭크샤프트를 가장 강한 힘으로 회전시키고, 그 힘이 회전중심으로부터 뻗은 1m 길이의 축을 19.5kg의 힘을 주어 돌리는 것과 같은 수준이라는 뜻이다.
최대토크가 높은 엔진을 얹은 차는 일반적으로 비슷한 배기량의 다른 엔진을 얹은 비슷한 무게의 차에 비해 높은 가속력, 견인력, 등판력을 기대할 수 있다. 또한 일반적인 운전자들은 엔진회전수를 높게 쓰지 않기 때문에, 최대토크가 낮은 엔진회전수에서 나오는 엔진을 얹은 차는 가속정도를 운전자의 의도대로 조절할 수 있어 운전이 편하게 느껴진다.

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[출처] 엔진의 치수와 특성을 나타내는 용어 자동차 용어풀이② - 카라이프 - 대한민국 최고의 자동차 전문지 카라이프!