[자동차 - 엔진] 엔진의 출력과 토크 #3

지난 글의 내용을 정리해 보겠습니다...

1. 엔진은 '일을하는 녀석'이다.
2. 따라서 엔진성능의 평가 기준은 '이 녀석은 얼마나 일을 잘 하는가?' 가 된다.
   (얼마나 효율적으로 일하는가? 즉 기름을 얼마나 적게 먹는가? 에 관한 내용은 다루지 않겠습니다. Efficiency에 관한 내용은 이후에, 일단은 Performance 측면에서만...)
3. 일을 잘 한다는 것은 일을 '많이, 그리고 빠르게' 한다는 뜻이다.
4. 많은일을 빠르게 할때 우리는 이것을 일률이 좋다고 하는데, 일률을 또다른 말로 출력이라 한다.
5. 즉, 출력 (J/sec) = 일의 양 (J) x 일의 속도 (/sec)

자, 이제까지 출력이 일의 양 곱하기 일의 속도라는 것을 알게 되었는데요...
그렇다면, '엔진의 입장'에서 일의 양과 일의 속도는 구체적으로 무엇이 될까요?

여기서 잠시 엔진의 구조를 살펴보겠습니다.

연소실에서 폭발이 일어나면 연소실내의 혼합기가 급격히 팽창하게되고, 이 혼합기의 팽창으로인해 피스톤 (M)은 아래로 힘을 받게 됩니다. 이 힘이 커넥팅로드 (N)를 통해 크랭크축 (P)을 회전시키는 것이죠. 크랭크축으로 전달된 힘은 토크컨버터나 엔진클러치를 통해 변속기로 전달되고, 결국 이 힘으로 바퀴를 굴려 자동차가 앞으로 나가게 됩니다.

결국 엔진은 뭔가 일을 하는데 그 일은 '어떤것을 돌리는 일'이 되는 것이죠.
그렇다면 돌리는 일에서 중요한 것은 무엇일까요?
두가지가 있습니다.

1. 얼마나 세게 돌리느냐?
2. 얼마나 빨리 돌리느냐?

결과적으로 엔진의 출력 (일률)은 '돌리는 세기'와 '돌리는 속도'의 곱의 형태가 됩니다.
식으로 정리하면 아래와 같이 됩니다.

• 엔진의 출력 = 크랭크축을 돌리는 세기 x 크랭크축을 돌리는 속도

위에서 '출력 = 일의 양 x 일의 속도'라고 했는데 이 식과 매칭을 시켜보자면, 일의 양 = 크랭크축을 돌리는 세기, 일의 속도 = 크랭크축을 돌리는 속도 가 됩니다.

여기서 '크랭크축을 돌리는 세기'를 바로 '토크'라고 합니다.
따라서 다시 정리해보면 다음과 같이 됩니다.

• 출력 = 토크 x 회전속도

여기서 빠지지않고 나오는 질문이 있습니다.
토크는 힘하고 다른 건가요?

위에서 토크를 '돌리는 세기'라고 말했습니다.
얼마나 세게 돌릴 수 있는가? 세게 돌리는데 중요한 것은 무엇일까요?
힘을 세게 주면 세게 돌릴 수 있다고 생각할 수 있지만, 힘 만큼이나 중요한 요소가 또 하나 있습니다.
바로 '돌리는 거리 (회전중심에서 회전력의 작용점까지의 거리)' 입니다.

맷돌을 돌린다고 해 봅시다. 손잡이를 세게 밀면 세게 돌리는거지 그게 그거 아닌가? 라고 생각할 수도 있지만...
만약 맷돌 손잡이가 맷돌 끝에 붙어있지 않고 맷돌 중앙쪽에 달려있다고 생각해 봅시다.
같은 맷돌을 돌리더라도 힘이 몇배로 들 겁니다.
즉, '돌리는 세기'는 '돌리는 힘'에 비례하지만 또한 '돌리는 거리'에도 비례합니다.
따라서 토크를 식으로 표현해보면 다음과 같습니다.

• 돌리는 세기 = 토크 = 돌리는 힘 x 돌리는 거리

힘의 단위는 N (뉴톤)이고, 거리의 단위는 m (미터)입니다.
따라서 토크의 단위는 Nm (뉴톤미터)가 됩니다.

일단...
1N이라 함은 우리가 1kg의 물체를 들고있는데 필요한 힘입니다.
(지구에서 들고있을 경우입니다. 중력이 약한 달에가서 1kg을 든다면 힘이 덜 들겠죠?)
여튼 1N은 그리 큰 힘은 아니죠... 우리 모두 1N정도는 발휘할 수 있습니다.

그럼 토크가 1Nm라는 것은 어느정도일까요?
팔 길이가 1m인 사람이 손 끝에 1kg 아령을 들고 팔을 지면과 수평이 되게 들고 있다고 해 봅시다.
이때 이 사람의 어깨 관절에 걸리는 토크가 1N x 1m = 1Nm가 됩니다.
토크 1Nm는 힘 1N보다 좀 빡셉니다. 머리로 떠올려봐도 그럴 것 같죠?

토크를 '돌리는 힘 x 돌리는 거리'이라 했는데,
그러면, 엔진 입장에서 '돌리는 힘'과 '돌리는 거리'는 각각 무엇이 될까요?
그림한장 더 보고 가겠습니다.

돌리는 힘: 실린더 내부에서 연소가 일어남 => 실린더 내부의 혼합기가 급격히 팽창하면서 피스톤을 아래로 밀어냄 => 피스톤이 아래로 내려가면서 커넥팅로드를 통해 크랭크축을 돌림
즉, 돌리는 힘은 피스톤을 아래로 밀어내는 힘으로부터 옵니다.

돌리는 거리: 크랭크축의 중심과 크랭크핀 중심까지의 거리가 됩니다. 멀리서 돌릴수록 힘이 덜 들겠죠?

여기서 몇가지 짚고 넘어가도록 하겠습니다.
토크를 높이고 싶으면 둘 중 하나를 하면 됩니다. 돌리는 힘을 키우던가, 돌리는 거리를 키우던가...
물론 둘다 해도 됩니다.

먼저, 돌리는 힘을 키우기 위해서는 어떻게 하면 될까요? 연소가 더 크게 일어나게 하면 됩니다. 연소가 더 크게 일어나게 하려면? 실린더 내에 공기를 더 많이 집어넣으면 됩니다. 공기를 더 많이 집어넣으려면? 실린더 내부 부피를 키웁니다.
실린더 내부 부피를 뭐라고 하죠? 네, 배기량이라고 합니다. 그래서 배기량이 큰 차는 자연히 토크가 높습니다. 그런데 공기를 더 많이 집어넣는 또다른 방법이 있습니다. 바로 공기를 압축해서 집어넣는 것이죠. 요런 장치를 '과급기'라고 합니다. 공기를 '과하게 공급하는 장치' 죠. 다른 말로 수퍼차저 또는 터보차저라고 부릅니다.

다음방법으로는? 돌리는 거리를 키우는 겁니다. 크랭크암을 더 길게 만들어 주면 되겠죠? 근데 기분이 이상합니다. 크랭크암을 더 길게 만들기만 하면 되는거야? 그런 쉬운 방법이 있는데 왜 힘들게 터보를 달거나 배기량을 늘리지? 할 수 있습니다. 그런데... 멀리서 돌리면 힘은 적게 들지만, 더 많이 돌려야 됩니다. 더 많이 돌린다? 즉, 회전속도가 떨어지게 되는 것이죠. 이게 함정인데... 학창시절에 움직 도르래 배우셨을 겁니다. 도르래 하나 거칠때마다 들어올리는 힘이 절반으로 줄지요. 그대신 두배의 거리만큼 당겨야 합니다. 그래서 에너지 관점에서는 결국 이러나 저러나 같습니다. 결론적으로 크랭크암의 길이로 토크를 조절하는 것은 의미가 없습니다. 크랭크암의 길이는 크랭크축의 회전관성이나 피스톤과 실린더 벽면과의 마찰등 다양한 설계요소에 의해 결정됩니다.

내용을 정리해 보도록 하겠습니다.

1. 엔진이 '일을 얼마나 잘 하는가'에 대한 척도로 우리는 출력 (W)을 사용한다.
2. 엔진은 '회전시키는 일'을 하며, 회전에 중요한 것은 회전세기와 회전속도이다.
3. 즉, 출력 = 회전세기 x 회전속도
4. 회전세기를 우리는 토크 (Nm)라 하는데, 회전세기는 회전력뿐만 아니라 회전거리도 중요하다.
5. 즉, 회전세기 = 토크 (Nm) = 회전력 (N) x 회전거리 (m)
6. 엔진의 출력 = 토크 x 회전속도 = 회전력 x 회전거리 x 회전속도 = 피스톤을 미는 힘 x 크랭크암의 길이 x 회전속도

여기까지 엔진의 출력과 토크에 대한 기본적인 설명을 해 보았습니다.
다음 포스팅부터는 좀더 일반적인 내용을 다루어 보겠습니다.
예를들어, 가솔린차는 고회전에서 꾸준히 밀어주는 힘이 좋고, 디젤차는 순간 치고나가는 펀치력이 좋다는 말을 합니다. 뭐 이런저런 생각나는 것들을 다양한 관점에서 연관지어 썰을 풀어보도록 하겠습니다. 아, 앞선 글에서 던져놓은 떡밥들도 회수해야 겠네요.

푹푹 찌네요 : )