[정비] 자동차 엔진의 마력과 토크 - VIDEO 자동차와 생활

자동차의 움직이는 힘은 어떻게 표시할까?

산업혁명을 가져온 증기기관을 발명한 와트는 말을 사용하던 기존 환경을 고려하여 증기기관의 동력을 말의 힘과 비교했다. 자동차 동력의 기본 단위로서 마력(horse power)이 쓰이게 된 이유다. 이에 조랑말이 광산의 수직 갱도에서 1분에 석탄 220파운드를 100피트(=22,000 lbs·ft)만큼 끌어 올릴 수 있다는 사실을 기준으로 와트는 1마력(hp)을 정의했다. 그로부터 한참 시간이 지나서 정확하게 계산된 1마력의 크기는 대략 23,000 lbs·ft 내외로서, 국내 단위로 환산하면, 3,187 kg·m(약 105kg의 무게를 30m만큼 끌어올리는 힘)에 해당한다. 우리가 익히 알고 있는 lbs·ft 또는 kg·m 단위는 마력이 아니라 "토크"를 표현할 때 쓰인다. 그리고 마력은 토크와 회전속도의 곱으로 표현된다.

동력 또는 출력 = 토크 * 회전속도


참고1: 단위환산 - "7.22 lbs·ft / 1 kg·m" 또는 "0.14 kg·m / 1 lbs·ft"
참고2: 단위 환산의 씁쓸한 현실 - 국내 판매 소나타(2.4)는 179hp(출력), 23.5kg·m(토크)로서 동일한 사양을 미국에 수출했다면 179hp(마력), 170lb.ft(토크)이어야 한다. 그런데 현재 미국에서 판매 중인 소나타(2.4 V6)는 175hp, 229lbs·ft (32kg·m)로서 미국의 높은 배기가스 규제 때문에 마력이 조금 줄긴 했지만, 토크는 내수용 엔진을 훨씬 능가한다. 그래서 수출용은 내수용보다 우수한 엔진을 달고 보다 저렴한 가격으로 보다 긴 기간동안 품질보장서비스를 받고 있다.

엔진의 구성1:


따라서 자동차의 동력 또는 출력은 엔진의 크기와 크랭크축이 얼마나 빨리 돌아가느냐에 달려있다. 엔진이 크면 각 실린더의 피스톤과 크랭크도 커진다. 피스톤과 크랭크가 크면, 그만큼 그들의 "비틀어 돌리는 힘"도 커지기 때문인데 이런 힘을 토크(torque)라고 한다. 물론 엔진이 커지면 차체 무게가 더 나가게 되는 단점은 있다. 반대로 엔진이 작은 경우에는 회전속도를 최대한 늘려 동력을 크게 할 수 있다.

실린더 내 연소과정:


한편, 엔진의 출력 증가에는 연료와 반응할 산소량도 중요한 요소다. 더 많은 산소는 더 높은 출력으로 이어지기 때문이다. 엔진이 크면 연료와 반응할 산소량도 더 많이 들어간다. 이를 반영하듯 엔진의 크기를 재는 배기량(displacement)은 엔진 속에 들어갈 공기의 부피를 의미한다. 1,800cc, 2,000cc, 2,400cc, 3,000cc 등은 모두 해당 자동차의 엔진이 담을 수 있는 공기량을 의미한다.

배기량 측정(실린더 갯수 * 실린더 1개당 담을 수 있는 공기의 부피):


물론 동일한 배기량의 엔진이라도 출력을 더 크게 하기 위해 공기를 보다 촘촘하게 압축시킴으로써 더 많은 산소를 공급하는 장치를 다는 경우가 있다. 흔히 수퍼차저나 터보차저(supercharger or turbocharger)가 이러한 공기압축 기능을 맡고 있다.

그런데 산소를 엔진에 공급하는 역할은 운전석 밑의 가속기(엑셀러레이터) 페달이 맡고 있다. 페달을 밟으면 실린더의 스로틀(throttle)이라는 밸브가 열리면서 더 많은 공기가 엔진 속으로 들어가게 되고 이와 함께 가솔린 양도 더 많이 들어간다. 그만큼 피스톤 운동이 빠르게 일어나면서 회전속도도 빨라지는 것이다.

출처: 리처드 해먼드, 달리면서 배우는 자동차 과학, 2008

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