[엔진] 최고 스피드를 향하여! 엔진이 극복해야할 각종 난관들

엔진이 힘을 내기 위해 넘어야 할 산들이 있다고요?

자동차 엔진의 힘의 근원은 폭발력입니다. 휘발유가 실린더라는 좁은 공간에서 일으킨 폭발(연소)이 바퀴를 돌리는 힘의 원천이 되는 거지요. 

출처 : en.wikipedia.org

그런데 이 바퀴를 돌리기 까지 극복해야 하는 것들이 많습니다. 가장 생각하기 쉬운 것은 마찰력일 겁니다. 엔진 내부에서는 폭발 에너지를 회전하는 운동에너지로 변환시키는 일이 일어나는데, 이를 위한 기계장치들에 대한 마찰을 먼저 극복해야 하지요.

출처 : hdw.eweb4.com

 

엔진이 힘을 만들어 내는 장치라면서, 엔진이 마찰을 만들어 낸다는 건 또 뭐임? 이라고 의아할 수 있는데요. 순수 에너지 레벨에서 보았을 때 그렇다는 소리입니다.

엔진의 출력은 '연료가 가지고 있는 전체 에너지에서 마찰력이 갉아먹은 양을 뺀 나머지' 라고 봐야 하는 게 맞습니다. 

아이러니 하지요? 힘을 만들어 내면서 깎아먹는다니요.

 

출처 : www.nissan-global.com

더 재미있는 건 엔진 스스로가 깎아먹는 에너지 손실이 비단 마찰력 때문이 아니라는 점입니다.

 

연료의 폭발이 엔진이 내는 힘의 출처라고 말씀 드렸지요? 폭발이 일어나기 위해서는 공기가 반드시 필요한데요. 이를 빨아들이기 위해 에너지를 또 한번 소모 합니다. 

출처 : psychedelicnostalgia.wordpress.com

주사기의 피스톤을 한번 떠올려 보세요. 주사기 내부를 엔진의 실린더라고 치면, 주사약을 넣기 위해 힘을 주어 피스톤을 당겨야 합니다. 

굳이 약이 아니더라도 당기는 데는 힘이 필요하죠. 당기면 공기만이라도 들어갑니다. 그리고 같은 일이 엔진에서도 일어납니다.

 

출처 : www.popsugar.com.au

이를 바로 펌핑로스 라고 합니다. 

비좁은 실린더 내부에 공기를 빨아들이기 위해서 엔진이 하는 일, 조금 더 자세하게 설명한다면 엔진의 회전이 피스톤을 아래로 당기며 공기가 빨려 들어가는 일. 이 일을 펌핑로스 라고 부르는 거지요. 

출처 : shaikmoin.wordpress.com

추가로, 공기가 빨려 들어가면서 공기 필터 등의 장애물에 걸려 힘겹게 진입하는 현상도 발생합니다. 마스크를 썼을 때 숨이 잘 안 쉬어지는 듯한 상황을 흡기저항이라고 부르는데요. 펌핑로스에 흡기저항을 포함시킨다면, 에너지 손실이 절대 적은 편이 아닙니다.

 

출처 : www.shipstoremalaysia.com

공기를 흡입하면서 로스가 발생하면, 당연히 배기를 배출하면서도 손실이 발생하겠지요?

 

배기 때의 에너지 손실도 흡기 때와 크게 다르지 않습니다. 엔진 배기가스는 긴 관을 통해 차량의 배기 배출구를 통해 빠져나갑니다. 이때 배기가스가 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있습니다. 

머플러라고 불리우는 소음기와 카탈리스틱 컨버터라 불리는 삼원촉매가 바로 이들입니다. 

출처 : www.automobilesreview.com

소음규제, 환경오염 규제를 위해 반드시 달려야 하는 이들은 엔진에게 있어 변비를 제공하는 거추장스러운 존재인데요. 변비... 이거 힘들지요. 나기지 못하는 배기가스를 강제로 밀어내기 위해 엔진이 힘을 한번 더 써야 합니다. 

흡기가 주사기의 피스톤을 당기는 일이었다면 배기는 주사기 피스톤을 미는 일이 되는 겁니다. 이를 이그죠스트 로스, 혹은 배기손실이라 불립니다.

출처 : www.prettywith.com

 

못나가고 있는 가스를 피스톤으로 강제로 밀어내면서 힘을 한번 더 쓰는 거지요. 먹고 싸는데 힘이 들어가는건 비단 사람 뿐만이 아니었습니다.

 

이제야 두 시스템의 확인이 끝났군요. 아직 살펴봐야 할 부하가 하나 더 남아있습니다. 바로 악세서리 펌핑 로스입니다.

 

출처 : corner-carvers.com

이쪽 관련 글은 이미 회사 블로그를 통해 한번 언급된 적이 있기 때문에, 아래 링크를 참고해 주시구요. (관련 포스팅)

 

액세서리 로스는 에어컨, 히터, 냉각수, 엔진오일, 파워스티어링 펌프 오일 등을 순환시키기 위한 펌프들을 돌리면서 발생하는 손실입니다. 

출처 : serpentinebeltdiagrams.com

 이들 펌프는 엔진의 팬밸트에 연결되어 회전력을 얻어갑니다. 에어컨과 히터는 편의장비이니 그렇다 치더라도 냉각수와 엔진오일 같은 친구들은 없으면 안되지요. 엔진이 과열되면 더 이상 달릴 수 가 없거든요.

중요하다 해도, 엔진에 기생하는 듯한 느낌을 주는 건 왜일까요? ㅋㅋ

 

출처 : www.minhsautocare.com

이외에도 캠샤프트, 밸브트레인에서 오는 손실도 있습니다만 이번 글에서는 다루지 않도록 하겠습니다. 내용이 조금 까다롭고, 길어질 가능성이 있거든요. 자세한 내용은 관련 포스팅을 참고해주세요. (관련 포스팅)

 

엔진이 스스로 동력을 만들기 위해 소모해야 하는 에너지가 많다는 사실이 다소 놀라운데요. 

그럼에도 불구하고 꾸준히 향상되는 엔진의 출력들을 보면 연구개발 분야에서 일하시는 분들이 새삼 대단해 보이곤 합니다.

(다른 포스팅을 보려면 클릭하세요)