지난 번에 포스팅한 TSI엔진에서 조금 더 보충해야 할 부분의 일부를 몇 자 끄적여 보고자 합니다.
바로 수퍼차징과 터보차징을 하면 왜 엔진 성능이 좋아지는가에 대한 근본적인 이야기입니다. 다소 공학적인 이야기가 될 수도 있지만 최대한 간단하게 적어보겠습니다.
공학적으로 엔진의 효율을 나타내는데에는 여러 가지 지표가 있습니다. 기계적인 효율, 연소 효율, 체적 효율과 더불어 열역학의 이상적인 케이스를 모델로하는 열역학적 효율등 다시 책을 보면서 이 글을 쓰는데도 짜증이 몰려오는 여러가지 것들이 있습니다.
그런데 이중에서 가장 크게 효과를 볼 수 있는 부분이 체적 효율이라는 부분입니다. 효율이라는 것이 무엇이냐면 쉽게 말해서 먹는 양에 비해서 얼마나 일을 하는가를 나타낸 지표입니다. 그렇다면 이 체적 효율이 무엇이냐면, 엔진의 1사이클 동안에 실린더 내부에 흡입된 공기의 질량을 대기의 밀도와 실린더체적을 곱한 값으로 나눈 값으로 표시합니다. 공식으로는 '효율=공기질량/(공기밀도x실린더부피)' 입니다.
"위 공식에 따르면 엔진이 1사이클 동안에 흡입하는 공기량은 변화가 없고, 대기의 기온도 크게 바뀌지 않으므로 공기밀도도 일정하고, 실린더부피도 일정한 값이기 때문에 아무런 튜닝이 되지 않은 엔진은 체적 효율이 일정하다는 것을 눈치 챌 수 있습니다." 라는 말은 틀렸습니다. 이 말은 이상적인 경우를 가정하면 맞는 말이지만 실제의 엔진에서는 회전수를 높일 수록 체적 효율이 감소하게 되어 있습니다.
왜냐하면 엔진의 회전수가 증가 할 수록 더욱 더 짧은 시간 동안에 공기를 흡입해야 하기 때문에 흡기구 쪽을 흐르는 공기는 유동저항을 많이 받게 됩니다. 에어클리너를 지나야 하고 인테이크 내벽의 표면 저항을 받아야 하고 실린더로 들어가기 직전에 밸브의 저항도 받아야 하기 때문에 실제로 작동 중인 엔진은 위의 이론적은 공식으로 계산한 효율보다 작은 체적 효율을 가집니다.
물론, 이론값에 가깝게, 거의 일치하도록 설계된 엔진도 있을 수 있습니다. 하지만 통상의 경우는 그렇지 않기 때문에 성능 개선을 위해서 '과급기'를 장착하는 방법을 생각해 낸 겁니다. 과급기를 장착하면, 위의 공식에서 '공기질량'을 증가 시킬 수 있습니다. 분수에서 분모는 그대로고 분자가 커지면 어떻게 되죠? 그렇습니다. 값이 커집니다. 효율이 증가합니다. 보통 과급을 하지 않는 엔진은 체적 효율이 0.7~0.9 입니다. 이정도만 되도 좋은 겁니다. 그런데 과급기를 달면 체적 효율은 1.2~1.6 정도까지 증가합니다.(물론 세팅과 완성도에 따라서 더 증가 시킬 수 있지만 너무 올리면 노킹이 발생합니다.) 그러니가 깥은 배기량이었다면 출력이 2배 까지도 증가 할 수 있다는 셈입니다.
그런데 왜 공기를 많이 넣는다고 출력이 좋아질까요? 그 이유는 엔진은 공기와 연료를 연소할 때 일정한 비율로 연소를 하기 때문입니다. 보통 공대 수업시간에 배우는 공기와 가솔린의 비율이 14.7:1 입니다. 즉, 공기 14.7g 에 연료 1g을 섞어서 연소를 시킨다는 겁니다. 그리고 공기량이 더 많아지면 연료량도 그에 비례해서 증가시켜야 제대로 연소가 된다는 겁니다. 물론 직분사 시스템을 이용하면 사용되는 연료의 양을 줄이면서도 같은 성능을 낼 수도 있습니다.
더욱 많이 흡입하는 공기에 비례해서 더 많이 연료를 연소시키기 때문에 출력이 증가하는 것은 당연하겠죠. 거기에 더불어, 엔진의 고회전 영역에서 발생하는 흡기저항 때문에 잃던 손실을 보충 할 수 있기에 '과급기'는 매력이 있는 것입니다. 물론 더 큰 출력을 내면서 더 많이 연료를 소모하는 것일 수도 있지만 특정 회전 영역에서 발생하던 손실을 막았기 때문에 적절한 운전을 하면 오히려 연비가 상승하는 효과도 볼 수 있습니다. 'TSI'엔진이 바로 그런 세팅이 잘 되어 있는 경우겠죠. 연비를 확보하면서 출력도 확보한 뛰어난 엔진입니다.
그림이나 참고 사진들이 없어서 이해하시는데에 무리가 있지 않을까 하는 염려가 생기네요.
이후에 적절한 사진자료가 있으면 업데이트 하도록 하겠습니다.
이상한 점이나 궁금하신 사항은 댓글로 남겨주세요. 감사합니다.
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