자연흡기방식에 과급기를 장착할 경우 출력상승 효과와 내구성 문제
터보차저의 쉬운 이해들 (2)
터 보를 세팅한 차량에 있어서 과급압을 0.5bar이상 사용할 경우에는 점화시기와 연료량을 비롯한 부스트 컨트롤 등이 필요한데 이에 대한 자세한 내용은 뒤에 상세히 알아보기로 하고 그 전에 먼저 자연 흡기 엔진에 과급기를 장착할 때 내구성에 크게 영향을 주지 않고 얼마나 출력을 상승시킬 수 있는지 알아보자
제2장 내구성이란?
자연 흡기 엔진에 과급기를 장착하여 출력을 올릴 경우 엔진의 내구성은 어떻게 될까? 상식적으로 생각해도 답은 간단하다. 내구성은 떨어질 수 밖에 없다. 과급기가 아닌 어떤 장치를 사용한다고 하여도 출력이 상승되면 그 만큼 내구성이 떨어지는 것은 당연하다. 즉 모든 조건이 똑같다는 가정하에서 100마력의 엔진을 150마력으로 향상시켰을 경우 어떤 방법을 사용하였건 내구성이 떨어지는 것은 똑같다고 하겠다.
과 급기를 사용하였기에 내구성이 많이 떨어지고 다른 시스템을 이용했기 때문에 조금 떨어지고 하는 차이는 절대 있을 수 없다. 단 다른 모든 조건이 똑같다는 전제 아래에서는 내구성이 떨어지는 것이 비슷하다는 의미이다. 하지만 엔진에 따라 특정 방법이 손쉽고 편리할 수 있기 때문에 여러가지 방법으로 출력을 상승시키는 것이며, 각기 장단점이 생기는 것이다.
세팅에서 내구성이 갖는 의미는 무엇인가?
그렇다면 과급기를 사용하여 출력을 상승시킬 경우 내구성은 얼마나 떨어지며, 출력은 얼마나 상승시킬 수 있을까? 이문제를 답하기 전에 내구성이 무엇인가에 대해 알아보고자 한다.
엔 진의 내구성을 향상시키기 위해서 가장 간단한 방법은 자동차 운행 안내서에 있듯이 급가속, 급정거를 하지 않고 엔진 회전수를 높게 사용하지 않으면 된다 . 좀 더 내구성을 향상시키려면 엔진을 가동하지 않고 그냥 정지시킨 상태로 구경만 하면 된다.
회전수를 적게 사용한다는 것은 100마력의 엔진을 50마력만 사용하는 것으로 내구성르 향상시키기 위해 엔진의 고출력을 사용하지 않겠다는 것인데 이러한 운전자가 과급기를 장착한다는 것은 불가능하다고 보면 된다.
적 어도 이 글을 읽거나 출력 향상에 관심을 두고 있는 사람이라면 엔진의 최고 출력, 최고 회전수를 사용하면서도 만족하지 못하는 사람이라는 생각이 든다. 이런 운전자가 원하는 내구성이란 지극히 한정적인 범위일 수 밖에 없다. 즉 고출력-고회전을 원하는 운전자가 원하는 내구성이란 주행 안전성에 크게 문제가 없으면 정상적인 주행이 가능하고 적당히 사용할 수 있는 내구성이 아닐까 한다. 만일 그렇지않다면 더 이상 출력을 올리기 위한 튜닝에 관심을 가져서는 않된다. 이는 튜닝이란 한가지를 얻기 위해서 다른 한가지를 적당히 포기하는 것이지 절대 모든 것을 만족시킬 수는 없는 측면이 없지 않기 때문이다.
그렇다면 적당한 내구성을 보장하면서 얼마나 출력을 향상시킬 수 있는지 정확한 이론적 근거가 있는지 알아보자. 과급 장치가 엔진의 기계적인 부분 즉 피스톤, 커넥팅 로드, 베어링 등에 영향을 주는 것은 크게 힘에 의한 부하와 열에 의한 부하로 나눌 수 있는데 먼저 힘에 의한 부하를 알아보자. 힘에 의한 부하란 쉽게 말하자면 출력이라고 할 수 있다.
과급기를 장착하여 출력을 상승시키면 상승된 출력에 비례하여 내부 부품들이 더 많은 힘을 받는데 만일 출력이 2배 상승될 경우 내부부품들도 2배의 부하를 받는다고 가정할때 엔진 내구성에 치명적인 영향을 미칠 것이다. 하지만 다행스럽게도 실제적으로는 그렇지 않다.
출력을 얻을 수 있는 행정은 폭발 행정
엔 진에서 출력을 얻도록 하는 부분은 4행정의 흡입, 압축, 폭발, 배기 중 폭발 행정이다. 이 폭발 행정의 경우 엔진의 출력에 의한 부하이며 그 외의 행정은 단지 엔진이 돌아가는 타력 부하이다. 타력 부하의 경우 커넥팅 로드에 가해지는 하중은 1/2스트로크를 기준으로 누름 하중과 인장 하중의 두 가지로 나눌 수 있다.
인장 하중이란 피스톤이 상사점에서 1/2스트로크까지 내려올 때, 올라갈 대 작용되며 누름 하중의 경우 1/2스트로크를 기준으로 하사점까지 내려갈 때, 올라갈 때 작용되는 힘의 방향이다. 엔진이 1/2스트로크에 멈추어 잇다고 생각하며 ,자유물체도를 그려보면 쉽게 이해가 될 것이다. 출력 부하의 경우 4행정 중 1번이며 커넥팅 로드에 가해지는 하중은 누름 하중으로 작용한다.
이 두가지 부하인 타력 부하와 출력 부하를 더해보면 실제 커넥팅 로드에 가장 많은 하중이 작용되는 가장 중요한 하중은 아니기 때문에 과급으로 어느정도 폭발압력을 상승시켜도 크게 무리가 없다는 것이다. 그렇다면 폭발업력은 어떻게 작용하는가.
그림 1은 자연 흡기 엔진과 과급 엔진의 실린더 내 압력을 크랭크각을 기준으로 나타낸 것이다. 여기서 관심 깊게 보아야 할 부분은 과급 엔진의 압력 상사점이 자연 흡기엔진에 비해 약 20% 정도 밖에 높지 않다는 것이다. 이는 실린더 내 압력이 가장 높은 지점은 혼합기가 약 20%정도 연소되고 난 후인데, 과급을 가해서 연소길 내의 혼합기 양을 배로 늘린다고 하여도 실제넉으로 연소가 되는 양은 20% 정도이며, 연소길 내의 전체 압력은 압축 압력과 연소 가스의 압력이 더해지므로 전체 연소실 최고 압력이 한가지 요인의 2배 증가로 인해 2배가 되지 않는다. 또한 출력이란 폭발행정 전체의 평균 압력이지 최고점의 압력이 아니다.
열에 의한 부하는 장기적인 내구성에 영향
평 균 압력은 압력의 최고점 보다는 스트로크의 중간이나 끝 부분의 압력과 더욱더 관계가 많다고 볼 수 있다. 표 1에서 가장 주의 깊게 보아야할 부분은 크랭크 각도가 90도 일 때의 연소실 압력이다. 이 부분의 압력은 부스트가 가해지지 않을 때의 3~4배가 되는데, 최고압력에 비해서는 낮기 때문에 엔진에 무리가 가해지지는 않는다. 이렇듯이 크랭크 각90도 지검의 연소실 압력이 자연 흡기 상태의 최고 지점을 넘지 않게 하는 것이 내구성을 치명적으로 떨어뜨리지 않는 한계라고 할 수 있다.
열에 의한 부하는 힘에 의한 부하에 비해 장기적인 내구성에 영향을 미친다. 터보 엔진이 자연 흡기 엔진에 비해 열에 약하고 내구성도 떨어진다는 것은 널리 알려진 사실이다. 이 때문에 터보 엔진을 설계할 때에는 열에 대한 내구성을 향상시키기 위해 많은 노력을 한다. 하지만 아직까지 이 부분에 대해 완벽한 대책은 없다.
져연 흡기 엔진이 원래의 터보 엔진에 비해 열에 대한 내구성이 떨어지는 것은 당연한테 이런 자연 흡기 엔진에 터보 키트를 장착한다면 열에 대한 내구성은 더욱더 떨어질 수 밖에 없다. 즉 터보 키트의 경우 과급압력을 0.5bar 정도 사용하며, 순간적인 피크점을 0.9bar정도 사용해 시간도 30초 이상 지속되지 않게 한다. 또한 전 부하시 연소실의 온도 상승을 막기 위해 연룔를 좀 더 넣어 주기도 한다. 어떤 방법이 되었건 터보 엔진의 열에 대한 내구성 향상은 앞으로 해결해야 할 문제이다.
위에서 터보를 장착하여 출력을 상승시킬 수 있는 한계에 관해 몇가지 기준을 확인해 보았다. 그렇다면 이번에는 어떤 영역의 출력을 상승시킬 수 있는가 알아보자.(표2참조) 표2에서는 토크 상승에 중점을 둔 것으로 과급압 0.5bar일때 상승 시킬 수 있는 이상적인 토크 그래프이다.
토크의 상승은 출력 상승에 비해 여러가지 면에서 이상적이다. 과급 엔진에서 토크 상승은 8:1 이상의 고압축비, 저 부스트로 운전성이 좋고 연비도 휠씬 유리하다. 터보 시스템에서 부스트가 작동되는 경계점의 시작은 전부하시 부스트가 작동되는 가장 낮은 RPM이다 이 최저 RPM은 터빈의 특성에 따라 표3처럼 달라진다.
터빈이 작으면 초기 응답성은 좋지만 고속으로 갈 수록 출력이 줄어들고 터빈이 크면 초기 응답성은 떨어지지만 고속으로 갈 쑤록 휠씬 높은 출력을 발휘한다. 최저 RPM이하에서는 부스트가 작동되지 않으므로 자연 흡기 차량과 동일하게 압축비가 엔진 출력에 많은 영향을 미친다.
초기 응답성이 느린 이유는 크게 세가지인데 부스트 압력을 높이기위해서 큰 터빈에 저 압축비로 세팅할 경우 가장 잘 나타난다. 터빈의 특성으로 인해 초기 응답성이 늦고 게다가 터보 레그(표4)가 심해지며, 낮은 압축비로 인해 터보가 작동되기 전의 토크까지 줄어든다. 이런 세팅의 경우 위에서 말한 토크 위주의 세팅과는 정반대의개념으로 최고 출력과 고속 펀치는 좋지만 운전하기에는 상당히 까다로운 튜닝카가 된다.
터보차저의 쉬운 이해들 (2)
터 보를 세팅한 차량에 있어서 과급압을 0.5bar이상 사용할 경우에는 점화시기와 연료량을 비롯한 부스트 컨트롤 등이 필요한데 이에 대한 자세한 내용은 뒤에 상세히 알아보기로 하고 그 전에 먼저 자연 흡기 엔진에 과급기를 장착할 때 내구성에 크게 영향을 주지 않고 얼마나 출력을 상승시킬 수 있는지 알아보자
제2장 내구성이란?
자연 흡기 엔진에 과급기를 장착하여 출력을 올릴 경우 엔진의 내구성은 어떻게 될까? 상식적으로 생각해도 답은 간단하다. 내구성은 떨어질 수 밖에 없다. 과급기가 아닌 어떤 장치를 사용한다고 하여도 출력이 상승되면 그 만큼 내구성이 떨어지는 것은 당연하다. 즉 모든 조건이 똑같다는 가정하에서 100마력의 엔진을 150마력으로 향상시켰을 경우 어떤 방법을 사용하였건 내구성이 떨어지는 것은 똑같다고 하겠다.
과 급기를 사용하였기에 내구성이 많이 떨어지고 다른 시스템을 이용했기 때문에 조금 떨어지고 하는 차이는 절대 있을 수 없다. 단 다른 모든 조건이 똑같다는 전제 아래에서는 내구성이 떨어지는 것이 비슷하다는 의미이다. 하지만 엔진에 따라 특정 방법이 손쉽고 편리할 수 있기 때문에 여러가지 방법으로 출력을 상승시키는 것이며, 각기 장단점이 생기는 것이다.
세팅에서 내구성이 갖는 의미는 무엇인가?
그렇다면 과급기를 사용하여 출력을 상승시킬 경우 내구성은 얼마나 떨어지며, 출력은 얼마나 상승시킬 수 있을까? 이문제를 답하기 전에 내구성이 무엇인가에 대해 알아보고자 한다.
엔 진의 내구성을 향상시키기 위해서 가장 간단한 방법은 자동차 운행 안내서에 있듯이 급가속, 급정거를 하지 않고 엔진 회전수를 높게 사용하지 않으면 된다 . 좀 더 내구성을 향상시키려면 엔진을 가동하지 않고 그냥 정지시킨 상태로 구경만 하면 된다.
회전수를 적게 사용한다는 것은 100마력의 엔진을 50마력만 사용하는 것으로 내구성르 향상시키기 위해 엔진의 고출력을 사용하지 않겠다는 것인데 이러한 운전자가 과급기를 장착한다는 것은 불가능하다고 보면 된다.
적 어도 이 글을 읽거나 출력 향상에 관심을 두고 있는 사람이라면 엔진의 최고 출력, 최고 회전수를 사용하면서도 만족하지 못하는 사람이라는 생각이 든다. 이런 운전자가 원하는 내구성이란 지극히 한정적인 범위일 수 밖에 없다. 즉 고출력-고회전을 원하는 운전자가 원하는 내구성이란 주행 안전성에 크게 문제가 없으면 정상적인 주행이 가능하고 적당히 사용할 수 있는 내구성이 아닐까 한다. 만일 그렇지않다면 더 이상 출력을 올리기 위한 튜닝에 관심을 가져서는 않된다. 이는 튜닝이란 한가지를 얻기 위해서 다른 한가지를 적당히 포기하는 것이지 절대 모든 것을 만족시킬 수는 없는 측면이 없지 않기 때문이다.
그렇다면 적당한 내구성을 보장하면서 얼마나 출력을 향상시킬 수 있는지 정확한 이론적 근거가 있는지 알아보자. 과급 장치가 엔진의 기계적인 부분 즉 피스톤, 커넥팅 로드, 베어링 등에 영향을 주는 것은 크게 힘에 의한 부하와 열에 의한 부하로 나눌 수 있는데 먼저 힘에 의한 부하를 알아보자. 힘에 의한 부하란 쉽게 말하자면 출력이라고 할 수 있다.
과급기를 장착하여 출력을 상승시키면 상승된 출력에 비례하여 내부 부품들이 더 많은 힘을 받는데 만일 출력이 2배 상승될 경우 내부부품들도 2배의 부하를 받는다고 가정할때 엔진 내구성에 치명적인 영향을 미칠 것이다. 하지만 다행스럽게도 실제적으로는 그렇지 않다.
출력을 얻을 수 있는 행정은 폭발 행정
엔 진에서 출력을 얻도록 하는 부분은 4행정의 흡입, 압축, 폭발, 배기 중 폭발 행정이다. 이 폭발 행정의 경우 엔진의 출력에 의한 부하이며 그 외의 행정은 단지 엔진이 돌아가는 타력 부하이다. 타력 부하의 경우 커넥팅 로드에 가해지는 하중은 1/2스트로크를 기준으로 누름 하중과 인장 하중의 두 가지로 나눌 수 있다.
인장 하중이란 피스톤이 상사점에서 1/2스트로크까지 내려올 때, 올라갈 대 작용되며 누름 하중의 경우 1/2스트로크를 기준으로 하사점까지 내려갈 때, 올라갈 때 작용되는 힘의 방향이다. 엔진이 1/2스트로크에 멈추어 잇다고 생각하며 ,자유물체도를 그려보면 쉽게 이해가 될 것이다. 출력 부하의 경우 4행정 중 1번이며 커넥팅 로드에 가해지는 하중은 누름 하중으로 작용한다.
이 두가지 부하인 타력 부하와 출력 부하를 더해보면 실제 커넥팅 로드에 가장 많은 하중이 작용되는 가장 중요한 하중은 아니기 때문에 과급으로 어느정도 폭발압력을 상승시켜도 크게 무리가 없다는 것이다. 그렇다면 폭발업력은 어떻게 작용하는가.
그림 1은 자연 흡기 엔진과 과급 엔진의 실린더 내 압력을 크랭크각을 기준으로 나타낸 것이다. 여기서 관심 깊게 보아야 할 부분은 과급 엔진의 압력 상사점이 자연 흡기엔진에 비해 약 20% 정도 밖에 높지 않다는 것이다. 이는 실린더 내 압력이 가장 높은 지점은 혼합기가 약 20%정도 연소되고 난 후인데, 과급을 가해서 연소길 내의 혼합기 양을 배로 늘린다고 하여도 실제넉으로 연소가 되는 양은 20% 정도이며, 연소길 내의 전체 압력은 압축 압력과 연소 가스의 압력이 더해지므로 전체 연소실 최고 압력이 한가지 요인의 2배 증가로 인해 2배가 되지 않는다. 또한 출력이란 폭발행정 전체의 평균 압력이지 최고점의 압력이 아니다.
열에 의한 부하는 장기적인 내구성에 영향
평 균 압력은 압력의 최고점 보다는 스트로크의 중간이나 끝 부분의 압력과 더욱더 관계가 많다고 볼 수 있다. 표 1에서 가장 주의 깊게 보아야할 부분은 크랭크 각도가 90도 일 때의 연소실 압력이다. 이 부분의 압력은 부스트가 가해지지 않을 때의 3~4배가 되는데, 최고압력에 비해서는 낮기 때문에 엔진에 무리가 가해지지는 않는다. 이렇듯이 크랭크 각90도 지검의 연소실 압력이 자연 흡기 상태의 최고 지점을 넘지 않게 하는 것이 내구성을 치명적으로 떨어뜨리지 않는 한계라고 할 수 있다.
열에 의한 부하는 힘에 의한 부하에 비해 장기적인 내구성에 영향을 미친다. 터보 엔진이 자연 흡기 엔진에 비해 열에 약하고 내구성도 떨어진다는 것은 널리 알려진 사실이다. 이 때문에 터보 엔진을 설계할 때에는 열에 대한 내구성을 향상시키기 위해 많은 노력을 한다. 하지만 아직까지 이 부분에 대해 완벽한 대책은 없다.
져연 흡기 엔진이 원래의 터보 엔진에 비해 열에 대한 내구성이 떨어지는 것은 당연한테 이런 자연 흡기 엔진에 터보 키트를 장착한다면 열에 대한 내구성은 더욱더 떨어질 수 밖에 없다. 즉 터보 키트의 경우 과급압력을 0.5bar 정도 사용하며, 순간적인 피크점을 0.9bar정도 사용해 시간도 30초 이상 지속되지 않게 한다. 또한 전 부하시 연소실의 온도 상승을 막기 위해 연룔를 좀 더 넣어 주기도 한다. 어떤 방법이 되었건 터보 엔진의 열에 대한 내구성 향상은 앞으로 해결해야 할 문제이다.
위에서 터보를 장착하여 출력을 상승시킬 수 있는 한계에 관해 몇가지 기준을 확인해 보았다. 그렇다면 이번에는 어떤 영역의 출력을 상승시킬 수 있는가 알아보자.(표2참조) 표2에서는 토크 상승에 중점을 둔 것으로 과급압 0.5bar일때 상승 시킬 수 있는 이상적인 토크 그래프이다.
토크의 상승은 출력 상승에 비해 여러가지 면에서 이상적이다. 과급 엔진에서 토크 상승은 8:1 이상의 고압축비, 저 부스트로 운전성이 좋고 연비도 휠씬 유리하다. 터보 시스템에서 부스트가 작동되는 경계점의 시작은 전부하시 부스트가 작동되는 가장 낮은 RPM이다 이 최저 RPM은 터빈의 특성에 따라 표3처럼 달라진다.
터빈이 작으면 초기 응답성은 좋지만 고속으로 갈 수록 출력이 줄어들고 터빈이 크면 초기 응답성은 떨어지지만 고속으로 갈 쑤록 휠씬 높은 출력을 발휘한다. 최저 RPM이하에서는 부스트가 작동되지 않으므로 자연 흡기 차량과 동일하게 압축비가 엔진 출력에 많은 영향을 미친다.
초기 응답성이 느린 이유는 크게 세가지인데 부스트 압력을 높이기위해서 큰 터빈에 저 압축비로 세팅할 경우 가장 잘 나타난다. 터빈의 특성으로 인해 초기 응답성이 늦고 게다가 터보 레그(표4)가 심해지며, 낮은 압축비로 인해 터보가 작동되기 전의 토크까지 줄어든다. 이런 세팅의 경우 위에서 말한 토크 위주의 세팅과는 정반대의개념으로 최고 출력과 고속 펀치는 좋지만 운전하기에는 상당히 까다로운 튜닝카가 된다.
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