카라이프 - 자동차상식

현대의 승용차용 휘발유 엔진 개발사 ③엔진 - 시리.. 2004-10-13
55세대 쏘나타는 스타일과 메커니즘에서 4세대보다 크게 진보했다. 특히 새 쏘나타의 심장이 미쓰비시의 그늘에서 벗어나 완전한 독립을 이룬 것은 큰 의미를 지닌다. 소형차와 준중형차의 엔진은 이미 90년대 초반과 중반에 기술독립을 이루었지만 중형차인 쏘나타의 엔진은 4세대에 이르기까지 기술 도입선인 미쓰비시의 그늘에서 벗어나지 못했기 때문이다. 5세대 쏘나타에 얹힌 세타(θ) 엔진은 순수한 현대의 기술로 설계, 생산한 다섯 번째 엔진이다. 현대는 지난 2001년 개발에 들어가 46개월만에 세타 엔진을 완성했다. 국내 메이커가 설계한 엔진 가운데 해외 업체에 보내 기술이전비용을 받는 것은 세타 엔진이 처음이다. 현대는 다임러크라이슬러, 미쓰비시와 공동으로 미국에 설립한 글로벌 엔진 얼라이언스 합작법인을 통해 모두 5천700만 달러의 로열티를 받고 내년부터 세타 엔진의 기술을 이전하게 된다. 4세대 모델에 독자 개발한 엔진 처음 얹어 세타 엔진으로 미쓰비시 그늘에서 벗어나 지금의 현대는 독자 개발한 엔진을 외국업체에게 넘겨줄 정도의 기술력을 갖게 되었지만, 첫 세대 쏘나타가 나온 80년대 중반만 하더라도 지금과는 상황이 크게 달랐다. 85년 선보인 1세대 쏘나타의 심장은 미쓰비시가 개발한 시리우스 엔진으로, 당시 소나타는 1.8X와 2.0X 두 가지 시리우스 엔진을 얹었다. 2세대 쏘나타의 심장 역시 미쓰비시가 개발한 MPI 방식의 시리우스 엔진이었다. 이 엔진은 카뷰레터 대신 전자제어 연료분사장치(EFI, Electronic Fuel Injection)를 달아 성능을 높인 것이 특징이다. 특히 연료분사노즐을 한곳에 설치한 SPI(Single Point Injection) 방식이 아니라 각 흡기 매니폴드마다 분사노즐을 설치한 다중연료분사장치(MPI, Multi Point Injection)를 써 카뷰레터 엔진에 비해 출력이 15%, 토크는 6% 정도 높았다. 85년 7월부터 국내 생산을 시작한 시리우스 엔진은 1.6X, 1.8X, 2.0X의 다양한 배기량으로 엘란트라, 쏘나타, 그랜저에 얹히면서 93년 5월 국내생산 100만 대를 넘어섰다. 이후 현대는 흡배기 계통을 손봐 성능을 개선한 새 시리우스 엔진을 93년 3세대 쏘나타에 얹었다. 4세대 EF 쏘나타 역시 시리우스 엔진을 개선한 2.0X DOHC 엔진을 얹는 한편 현대가 독자 개발한 V6 델타 엔진을 얹어 화제를 모았다. 중형차로는 처음으로 국내 기술로 개발한 엔진을 얹은 것이다. 델타 엔진은 실린더 블록과 헤드를 알루미늄으로 만들어 크기와 무게를 줄인 것이 특징이다. 현대는 지난 2000년 4세대 쏘나타의 페이스리프트 모델인 뉴 EF 쏘나타에 1.8X 시리우스 엔진 대신 또 다른 독자개발 엔진인 1.8X DOHC 베타 엔진을 얹었다. 베타 엔진은 지난 95년 현대가 개발한 것으로, 아반떼와 티뷰론 1.8 모델에 먼저 얹었다. 두 종류의 독자개발 엔진을 더했지만 뉴 EF 쏘나타는 여전히 시리우스 엔진을 개선한 2.0X DOHC 시리우스Ⅱ 엔진을 썼다. 앞서 말한 것과 같이 5세대 쏘나타는 엔진 부문에서 완전한 독립을 이룬 첫 중형차로 기록된다. 지난 20년간 개선을 거듭하며 쏘나타에 얹었던 시리우스 엔진 대신 현대가 새로 개발한 세타 엔진만 얹기 때문이다. 이제 현대는 소형차와 준중형차는 물론 중형차까지 완전한 엔진 기술독립을 이룬 셈이다. 한편 현대가 독자 엔진을 개발하기 시작한 것은 제2차 석유파동 직후인 지난 1980년의 일이다. 당시 전세계 휘발유 값이 치솟자 유지비가 싼 디젤차의 필요성이 커졌고, 현대는 해외로부터 승용차용 디젤 엔진 기술을 도입하려고 했지만 여의치 않았다. 결국 현대는 휘발유를 쓰는 포니의 새턴 엔진을 대체할 디젤 엔진을 개발하기로 하고 독일의 소규모 업체인 엘코에게 용역을 주었다. 독일 현지에서 실차 실험을 거쳐 양산 준비작업까지 진행되었지만 기술적인 어려움과 석유파동의 완화로 1981년 말 현대는 디젤 엔진 개발계획을 백지화했다. 83년 처음으로 독자기술 엔진 개발 시작 첫 작품 알파 엔진, 스쿠프에 얹어 데뷔 현대가 스스로의 힘으로 엔진을 개발하기 시작한 것은 1983년, 정주영 현대그룹 회장의 지시로 ‘신엔진개발계획’을 세운 때부터다. 계획에 따라 수석부사장 직속의 엔진개발실이 생겼고, 1984년 기술개발실로 확대되면서 경기도 용인 마북리로 자리를 옮겼다. 이것이 현대의 연구개발조직인 마북리 연구소의 시작이다. 마북리 연구소에서 개발을 진행한 첫 독자기술 엔진은 멀티밸브를 얹은 전자제어 연료분사방식의 1.5X급이었다. 대중적인 수요와 성능을 고려해 자연흡기방식과 터보차저 과급방식의 두 가지를 설계했고, 1991년 1월 개발에 성공해 알파(α)라는 이름을 붙였다. 이후 현대는 알파 엔진을 응용한 다양한 변형 엔진을 선보였다. 대표적인 것이 린번 엔진과 독자설계의 DOHC 엔진이다. 희박연소를 이용해 연비를 높인 린번 엔진은 1989년, DOHC 엔진은 1990년에 개발을 시작해 각각 1991년과 1994년에 발표되었다. 이들 중 먼저 상품화가 이루어진 것은 DOHC 엔진으로, 1995년 아반떼 1.5에 처음으로 얹혀 판매에 들어갔다. 린번 엔진은 개발 이후 한동안 쓰이지 않다가, IMF 경제위기로 소비자들이 유지비 절감에 관심이 높아진 1998년에 엑센트와 아반떼에 얹혀 빛을 보았다. 첫 독자기술 엔진의 개발로 자신감을 얻은 현대는 1990년 준중형차와 중형차에 쓸 베타(β) 엔진, 1992년 경차에 쓸 입실론(ε) 엔진, 1993년 대형 승용차용 V6 델타(δ) 엔진 개발에 들어갔다. 엔진 개발에는 엄청난 비용이 필요하지만, 알파 엔진을 개발하면서 얻은 경험을 토대로 개발과 생산에 들어가는 비용을 줄여 나갔다. 새로 개발한 엔진들은 저공해와 고효율, 환경친화성이 강조되는 추세에 따라 여러 가지 새로운 기술이 쓰였다. 1994년 엑센트에 얹혀 선보인 뉴 알파 엔진은 가볍고 재활용이 가능한 플라스틱 실린더 헤드 커버와 점화시기를 정확하게 조절할 수 있는 직접점화장치(DLI)가 쓰였다. 1995년 아반떼 1.8을 통해 처음 선보인 베타 엔진은 워터펌프 임펠러, 에어클리너 등으로 플라스틱의 사용범위를 넓혔고, 1997년 발표한 아토스의 입실론 엔진은 에어클리너와 실린더 헤드 커버 등을 하나로 묶은 플라스틱 부품을 썼다. 1998년에 나온 EF 쏘나타 2.5의 델타 V6 엔진은 국내기술로 개발한 엔진 가운데 처음으로 실린더 블록을 비롯한 주요 부품을 알루미늄 합금으로 만들었다. 1998년 현대는 미쓰비시의 V6 엔진을 가변흡기방식(VIS) 등으로 개선한 시그마 엔진을 선보였고, 1999년에는 에쿠스에 V8 4.5X 오메가 엔진을 얹어 발표했다. 오메가 엔진은 에쿠스 프로젝트와 함께 미쓰비시와 함께 개발한 휘발유 직접분사방식(GDI) 엔진으로, 설계는 미쓰비시, 생산은 현대가 맡았다. 이후 현대는 GDI 엔진을 일반 전자제어 연료분사방식의 MPI 엔진으로 개선했다. 현대는 순수 독자 기술로 세타 엔진을 설계, 생산한 데 이어 여섯 번째로 개발한 람다(λ) 엔진에 큰 관심과 기대를 걸고 있다. 람다 엔진은 V6 3.3X를 기본으로 북미 수출용 쏘나타와 함께 내년 상반기 선보일 그랜저 XG 후속 TG에도 얹힐 예정이다. 람다 엔진은 그랜저 시리즈가 얹고 있는 시그마 엔진보다 최고출력이 25%, 최대토크와 연비도 5% 이상 높아 국제적인 제품경쟁력을 갖추었다는 평가를 받고 있다.
배기가스 줄이기(Ⅱ) 2004-09-15
배기가스를 줄이는 방법은 연소과정에서 배기가스가 적게 나오도록 엔진을 설계, 제어하는 연소 전 제어전략과, 이미 엔진에서 발생된 배기가스를 효율적으로 정화하는 연소 후 제어전략으로 나뉜다. 연소 전 제어전략은 연료공급 시스템에서 외부로 증발 배출되는 연료를 막고, 엔진 내부에서 가장 효율적으로 연소가 되도록 공연비와 점화타이밍을 컨트롤하는 것이다. 엔진의 구조와 연소방식 자체를 개선한 린번 엔진과 휘발유 직접분사 엔진은 연소 때 발생되는 배기가스를 크게 줄일 수 있다. 엔진에서 연료가 연소되기 전의 이러한 구성들은 엔진에서 발생되는 유해배기가스의 양 자체를 줄이자는 것이다. 하지만 아무리 정밀하게 제어해도 연료와 공기를 완벽하게 연소시켜 유해한 배기가스를 완전히 막을 수는 없다. 연소과정에서 일단 생성된 유해배기가스는 공기중으로 내보내기 전에 해롭지 않도록 다른 성분으로 바꿔주어야 한다. 이것이 배기가스 재순환 시스템, 촉매장치 등을 통해 성분을 바꿔주는 연소 후의 배기가스 제어방식이다. 배기가스 재순환 시스템 배기가스 재순환(EGR, Exhausted Gas Recirculation) 시스템은 특히 질소산화물(NOX)을 줄이기 위한 것이다. 연소실의 온도가 뜨거우면 공기 중의 산소와 질소가 결합해 연료는 불완전 연소인 채로 두고 질소산화물을 만들어낸다. 압축압력이 높은 디젤이 휘발유 엔진보다 연소실 온도가 높다. 질소산화물은 디젤 엔진의 대표적인 공해배출 물질이다. EGR 시스템은 배출된 배기가스를 다시 흡기 매니폴드로 들어가게 해 혼합가스가 연소실에서 연소될 때의 온도를 떨어뜨리기 위한 것이다. 배기가스를 혼합가스에 섞어 연소실로 보내 연소시키면 연소의 속도와 온도가 떨어져 결과적으로 질소산화물을 줄일 수 있기 때문이다. 이때 아주 작은 양의 배기가스만 EGR 밸브를 통해 흡기시스템으로 들어가도록 해야 하고 엔진이 충분히 데워졌을 때 그리고 공회전 상태가 아닐 때만 들어가도록 해야 한다. 엔진이 차가워 연소가 불안정할 때 혹은 공회전 상태로 최소한의 공기와 연료를 사용하고 있을 때 배기가스가 들어가면 연소속도가 지나치게 떨어져 엔진 작동이 불안정해질 수 있다. 전자식 진공 조절밸브 시스템 전자식 진공 조절밸브(EVRV, Elec-tronic Vacuum Regulator Valve) 시스템은 EGR 밸브에 도달하는 진공의 정도를 조절하기 위한 장치다. 이 밸브는 순차적으로 흡기 매니폴드로 들어가는 배기가스의 양을 조절한다. 전자 제어 모듈(ECM, Electronic Control Module)이 엔진회전수, 부하, 오토매틱의 토크컨버터 클러치 작동, 엔진 온도 등의 데이터를 기초로 배기가스의 필요한 양을 계산한다. 이 신호들은 ECM에 의해 계산되고 EVRV 시스템의 일부인 정전류전자회로(CCEC, Constant Current Electronic Circuit)로 보내진다. CCEC는 ECM에서 받은 데이터를 해석해 진공 레귤레이터로 신호를 보낸다. 공기분사 시스템(Air Injection System)은 탄화수소와 일산화탄소를 줄이기 위한 것이다. 배기 매니폴드에 신선한 공기를 분사함으로써 뜨거운 가스가 연소할 수 있도록 한다. 기본적으로 벨트에 의해 펌프를 돌리는 공기펌프 분사시스템과 배기 시스템의 자연 맥동(pulse)을 이용해 공기가 배기 매니폴드로 흘러 들어가게 하는 펄스 시스템이 있다. 촉매장치 배기가스에 포함된 오염물질들의 주성분은 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물이다. 이들 오염물질을 줄이기 위해서 마련된 것이 컨버터이다. 초기의 컨버터는 백금과 팔라듐으로 코팅된 작은 펠릿(작은 구슬모양)을 사용했고 백금과 팔라듐은 일산화탄소와 탄화수소를 연소시키는 촉매로 작용했다. 800℃ 이상의 고온에서 일산화탄소를 이산화탄소로, 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 바꿔주는 것이다. 뜨거운 컨버터는 일산화탄소와 탄화수소를 줄이는데는 도움이 되었지만 반대로 질소산화물을 줄이는데는 역효과를 냈다. 질소산화물의 규제가 한층 강화되면서 메이커의 엔지니어들은 이중촉매장치(dual catalytic converters)로 눈을 돌렸다. 질소산화물을 분해하기 위해 컨버터의 구조를 이중으로 만들고, 촉매에 로듐을 첨가했다. 요즘 거리를 달리는 모든 승용차에 달린 이 컨버터는 3개의 원소로 3개의 오염물질을 없앤다는 뜻에서 삼원촉매장치(three-way catalytic converter)라 한다. 차의 배기 시스템에 촉매장치가 달리기 시작한 것은 오래 전부터지만 날이 갈수록 그 중요성과 기능성이 높아지고 있다. 일단 엔진을 벗어난 배기가스의 대부분은 이곳 촉매장치에서 완전연소가 시도된다. 불완전연소가스인 탄화수소와 일산화탄소는 정밀한 연소제어를 통해 상당히 줄어들 수 있다. 하지만 고성능 고압축비 엔진일수록 질소산화물의 양은 커지고, 특히 디젤 엔진의 질소산화물을 줄이려면 고용량, 고효율의 촉매장치 개발이 중요한 이슈가 되는 것이다. 컨버터는 납 성분이 들어간 연료를 사용하지 않는 이상 주기적인 점검이나 교환이 필요없다. 하지만 차가 낡아짐에 따라 컨버터도 낡는다. 컨버터가 낡는다는 말은 컨버터 속에 이물질이 끼어 제 역할을 못하게 된다는 뜻이다. 매연이 많아질 뿐 아니라 백프레셔(backpressure)가 커져 차의 출력이 떨어지게 된다. 연료를 바꾸려는 움직임 정밀한 연소제어, 그리고 연소 후의 배기가스 정화에 관한 것들은 엔진의 구조를 크게 바꾸지 않으면서 배기가스를 줄이려는 노력이다. 오랜 시간동안 배기가스와 싸워온 자동차 메이커의 기술진들은 연료를 태우면서도 배기가스를 최대한 억제하기 위해 많은 노력을 해왔다. 위에서 말한 대부분의 것들이 지금 현재 길을 달리고 있는 승용차에 쓰이고 있고, 이들 중 린번과 직접분사 엔진은 내연기관 엔진의 공해를 줄이는 획기적인 기술로 이해되고 있다. 하지만 이 정도로는 석유라는 화석연료를 사용하는 한 배기가스를 줄이는 것에 한계가 있다. 따라서 이미 오래 전부터 메이커들은 엔진 또는 연료를 바꾸려는 움직임을 보여왔다. 수소를 태워 수증기만을 내뿜는 수소자동차, 석유대신 천연가스를 쓰는 NGV(Natural Gas Vehicle), 메탄올에 휘발유를 섞어 태우는 알코올자동차 등은 연료를 바꾸어 배기가스의 질을 바꾸는 노력이다. 그 외에 태양열을 이용하는 태양열 자동차, 배터리와 모터로 차를 움직이는 전기차는 연료를 태워 에너지를 얻기보다는 전기를 동력원으로 사용하려는 움직임이다. 휘발유 엔진과 모터를 병행하는 하이브리드카는 이미 해외 시장에서 시판되어 도로 위를 달리고 있다. 수소차는 폭발성이 있는 수소탱크를 차에 다는 문제, 수소의 대량생산, 수송문제를 안고 있다. NGV는 우리나라에서도 이미 시범적으로 운행되고 있다. 알코올자동차의 주 연료인 메탄올은 이산화탄소와 수증기밖에 나오지 않는 좋은 연료지만 메탄올의 대량생산과 경제성 문제, 정책적 과제들로 미래가 분명하지 않다. 수많은 집광판(태양열을 받아 전기를 생산하는 판)을 차체에 붙여도 힘이 모자랄 태양열 자동차는 아직 현실과는 거리가 멀다. 값싼 전기료에 경제성은 뛰어나지만 전기차는 배터리의 재활용 문제, 주행거리, 축전지의 값이 해결해야 될 과제로 남아있다. 따라서 많은 전문가들은 차세대 무공해 자동차는 수소와 산소의 화학결합 때 발생하는 전기에너지를 동력원으로 이용하는 연료전지차가 될 것이라고 예측하고 있다. 연료전지의 성능과 안정성이 확보된다면 미래의 차는 대부분 연료전지차로 대체될지 모를 일이다. 하지만 이때까지 꽤 긴 시간 동안 엔진과 모터를 함께 사용하는 하이브리드카가 시장에서 두각을 나타낼 것으로 전망된다. 많은 선진 메이커들이 먼 미래의 시장을 위해서 연료전지차를, 가까운 시장을 위해서 하이브리드카를 개발하는 데 전력을 쏟는 이유다.
자동차의 새 경향과 첨단 기술 메이커간 치열한 기술.. 2004-09-14
미래의 자동차는 어떤 모습일까? 아마도 그 답은 메이커들이 각종 모터쇼에 선보이는 컨셉트카에서 점쳐볼 수 있을 것이다. 요즘에는 도어를 여닫는 방식이 다양해지고 복잡한 실내가 예전에 비해 한결 간소화되고 있다. 기계적으로 제어하는 장치를 전기적으로 제어하는 바이 와이어 기술이 보급되면서 자동차를 보다 정교하게 조종하는 것이 가능해졌다. 기어단수는 5단을 넘어서 6, 7단으로 치닫고 있고, 기어비를 연속적으로 변화시키는 무단변속기의 성능도 날로 좋아지고 있다. 연료전지차 시대로 가는 중간과정에서 각 메이커들은 하이브리드카 개발에 온 힘을 쏟아 붓고 있다. 사고를 예방하기 위해 차로이탈경보 시스템이 개발되었고, 소극적 안전장비인 에어백도 날로 첨단화하고 있다. Exterior 양해지는 도어 방식 요즘 승용차들은 대부분 힌지가 앞쪽에 달린 스윙 방식 도어를 달고 있다. 원박스카나 미니밴은 슬라이딩 도어를 많이 달고, 몇몇 고성능 스포츠카는 걸윙 도어도 쓴다. 그러나 최근 선보이는 차들을 보면 도어 방식이 훨씬 다양해지고 있음을 알 수 있다. 자동차가 널리 보급되기 전 마차에 쓰이던 스윙 도어가 늘어나고 있고 스포츠카에 쓰이는 걸윙 도어가 쿠페나 SUV에도 달리고 있다. B필러를 중심으로 앞 뒤 도어가 캐비닛처럼 활짝 열리는 스윙 방식의 도어는 최근 모터쇼에서 빠지지 않고 등장한다. 지난해부터 올해까지 선보인 현대 OLV와 이큐브드, 닷지 카후나, BMW 엑스액티비티, 포드 모델 U, 미쓰비시 세로(SE·RO) 등 많은 컨셉트카가 장롱처럼 양옆으로 활짝 열리는 스윙 도어를 달고 있다. 지난해 도쿄 모터쇼에서 선보인 벤츠 F500 마인드는 도어 앞·뒤에 모두 힌지가 달려 어느 쪽으로도 열 수 있다. 롤스로이스 창립 100주년을 기념해 올해 제네바 오토살롱에서 롤스로이스가 선보인 컨셉트카 100EX는 2도어 스타일임에도 도어가 팬텀처럼 앞쪽으로 열린다. 캐비닛 타입의 도어를 단 양산차도 하나 둘 늘고 있다. 새턴 이온, 시보레 코발트, 롤스로이스 팬텀 등이 캐비닛 방식 도어를 달고 있는 대표적인 차다. 캐비닛 방식의 스윙 도어를 달면서 B필러를 없애는 차들도 늘고 있다. 컨셉트카 현대 OLV, 다지 카후나, BMW 엑스액티비티, 포드 모델 U, 마쓰다 와슈 등이 그렇다. 한편 최근에는 소형차에 슬라이딩 도어를 다는 경우도 있다. 슬라이딩 도어는 스윙 도어보다 넓은 면적을 개방할 수 있고 좁은 곳에서도 문을 여닫기 쉬운 것이 장점이다. 올해 제네바 오토살롱에서 선보인 컨셉트카 오펠 트릭스는 운전석 도어가 보통 승용차처럼 열리지만 조수석쪽 도어는 슬라이딩 방식이다. 얼마 전 푸조가 공개한 1007도 슬라이딩 도어를 달고 나와 화제를 모았다. 1007의 슬라이딩 도어는 전동으로 열려 타고 내리기 쉽고 리모컨으로도 여닫을 수 있다. 지난해 도쿄 모터쇼에 나온 도요타 파인N이나 다이하쓰 컨셉트카 E3 컨셉트는 뒤 도어만 슬라이딩 방식이다. 마쓰다의 컨셉트카 와슈는 도어가 항공기 문처럼 조금 열린 다음 옆으로 슬라이딩되는 것이 특이하다. 그밖에 스포츠카의 전유물로 여겨지던 걸윙 도어는 인피니티 트라이언트, 다이하쓰 UFE-Ⅱ, 랜드로버 레인지 스토머 등에 쓰이면서 SUV로 영역을 넓혀가고 있다. Interior 간결해지는 실내 얼마 전까지만 해도 고급차에는 대시보드와 센터 페시아에 각종 스위치가 많이 붙어있었다. 첨단장비들이 늘어나면서 이를 제어하는 스위치의 수도 덩달아 늘었던 것. 그러나 요즈음에는 스위치들이 다시 간결해지는 추세다. 이러한 추세를 이끈 것은 BMW다. 뉴 7시리즈의 대시보드는 구형과 달리 상당히 간단하고, 세계에서 처음으로 시프트 바이 와이어 시스템을 쓴 6단 AT 역시 스티어링 휠 옆에 달린 작은 버튼으로 조작할 수 있다. 시프트 레버가 차지하고 있던 공간에는 i-드라이브 컨트롤러가 자리한다. ‘직관적인 드라이브’(Intuitive Drive)라는 이름에서 알 수 있듯이, i-드라이브 시스템은 운전자가 쉽게 각종 장비를 제어할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 컴퓨터 마우스처럼 생긴 컨트롤러를 8가지 방향으로 움직이거나 다이얼을 돌려 메뉴를 선택한 다음 클릭해 AV 시스템과 내비게이션, 온도조절, 전화, 교통상황 점검, 차체 점검 등 모두 700가지의 기능을 선택할 수 있다. 조작 내용은 센터 페시아의 LCD 모니터에 바로 표시된다. 아우디의 MMI(Multi Media Interface)도 BMW의 i-드라이브 시스템과 같이 복잡한 각종 장비를 효율적으로 다루기 위한 시스템이다. 컨트롤러가 암레스트 끝 부분에 자리잡은 i-드라이브와 달리 MMI 컨트롤러는 기어박스 아래에 달려 있고 크기도 i-드라이브보다 작다. 컨트롤러를 돌리거나 눌러서 여러 기능을 조작할 수 있고 주변에 달린 4개의 컨트롤 스위치로 CD와 TV, 내비게이션, 라디오 등 다양한 기능을 이용할 수 있다. High Technology 바이 와이어(by-wire) 바이 와이어는 기계적으로 구동하는 장치를 전기적으로 제어하는 것을 말한다. 가장 대표적인 것은 드로틀-바이 와이어 기술. 보통 액셀 페달을 밟으면 케이블로 연결된 드로틀 밸브가 열리는데, 드로틀-바이 와이어에서는 드로틀 밸브에 모터가 달려 엑셀 페달의 위치를 센서로 읽고 그 센서 값을 기초로 모터를 조작해 드로틀 밸브를 열어준다. 따라서 운전자가 위험한 상황에서 액셀러레이터를 잘못 조작하더라도 전자제어유닛이 위험을 감지해 안전을 지켜줄 수 있다. 또한 눈길에서 액셀 페달을 지나치게 밟아 바퀴가 헛도는 것을 막아줄 뿐만 아니라 코너링에서 과다한 엔진 출력으로 차체가 미끄러지는 것도 방지해줄 수 있다. 연료가 아닌 공기의 양으로 엔진 출력을 제어할 수 있기 때문에 연비 향상과 매연 감소에도 도움이 된다. 브레이크-바이 와이어 기술도 활발히 쓰이고 있다. 보통 차는 브레이크를 밟으면 유압기구가 작동, 제동이 된다. 브레이크 페달과 휠 브레이크 사이에는 배력장치가 있어 운전자가 브레이크 밟는 힘을 증폭시킨다. 차체를 세우기 위해 휠 브레이크에 작용하는 힘은 운전자가 밟는 힘보다 매우 크다. 브레이크-바이 와이어에는 휠 브레이크를 전기적으로 작동시키는 장치가 달려 있다. 브레이크 페달의 작동을 센서가 감지하고 적절한 힘으로 브레이크 구동장치를 작동시켜 주행속도를 줄인다. 또한 브레이크-바이 와이어 기술로 페달 위치를 늘 일정하게 유지할 수 있어 운전이 편리하고 ABS가 작동할 때 페달에 느껴지는 불쾌한 진동의 원인도 해결할 수 있다. 전기적으로 정밀하게 브레이크를 제어할 수 있으므로 위급한 상황에서의 제동성능도 향상된다. 또한 각 바퀴마다 독립적으로 제동을 가해 차체의 움직임을 안정되게 제어할 수도 있다. 스티어-바이 와이어는 조이스틱 자동차를 떠올리면 이해하기 쉽다. 스티어링 휠의 회전과 바퀴의 회전을 연결하는 기계적인 구조를 없애고 조이스틱을 이용해 차체를 조향하는 것이다. 이미 벤츠는 스티어링 휠뿐만 아니라 브레이크와 액셀 페달 기능도 조이스틱으로 조종하는 ‘사이드스틱카’(Sidestic Car)를 테스트하고 있고, BMW도 조이스틱으로 운전할 수 있는 차를 시험중이다. 바이 와이어 기술을 이용하면 페달이나 스티어링 휠을 없앨 수 있어 실내가 넓어지고 사고 때 각종 장치로 인한 운전자의 부상도 줄일 수 있다. BMW의 i-드라이브나 아우디의 MMI도 모두 바이 와이어 기술이 밑바탕이 된 메커니즘이다. Powertrain 늘어나는 기어단수 기어단수가 5단을 넘어서 6, 7단으로 치닫고 있다. 기어단수를 늘리면 엔진의 힘을 효율적으로 쓸 수 있어 가속성능과 연비, 정숙성이 모두 좋아진다. 벤츠가 지난해 선보인 7G-트로닉은 세계 첫 7단 AT다. 고출력 엔진에서 각 기어단수가 담당해야 할 부담을 줄여 진동과 소음을 줄이고 연비를 개선(100km 주행 때 연료소모 0.6X 감소)했다. 보통의 자동기어로 킥다운을 하면 바로 아래 단수나 2단이 내려가지만 G-트로닉은 3단 아래로도 변속되는 것이 특징이다. 최근 데뷔한 4세대 BMW M5는 V10 5.0X 507마력의 큰 힘을 3세대 7단 SMG 트랜스미션으로 컨트롤한다. SMG는 F1에서 시작된 수동기어 기반의 시스템으로, 클러치를 밟지 않고 스위치만으로 변속할 수 있다. 3세대 SMG 트랜스미션은 2세대보다 변속 속도가 20% 빨라지고 운전상황에 맞게 매뉴얼 6가지, 드라이브 5가지 등 11가지의 다양한 모드를 갖추고 있다. 한편 7단 트랜스미션이 나왔지만 한 쌍의 맞물린 기어를 사용하는 변속기는 단수 늘리기에 한계가 있다. 이런 문제를 해결할 수 있는 트랜스미션이 무단변속기(CVT, Continuously Variable Transmission)다. 변속기란 제한된 엔진 회전수와 출력, 토크 안에서 원하는 차의 속도와 운전 상황에 알맞은 엔진 회전수를 얻기 위한 것이므로 기어비가 다양할수록 세밀한 제어가 가능하다. CVT는 엔진이 최대토크 시점을 계속 유지할 수 있도록 기어비를 연속적으로 바꾼다. 구동 풀리와 종동 풀리에 거는 벨트(또는 체인) 접촉면의 직경을 세밀하게 조절해 기어비를 바꾸는 것. 요즘의 CVT는 금속 벨트와 풀리를 사용하는 방식이 대부분이지만 아우디가 큰 토크에 견딜 수 있는 체인식을 선보여 무단변속기의 기술을 한 단계 끌어올렸다. 한편 닛산은 가동식 바퀴(파워 롤러)를 사용하는 트로이덜 형을 선보여 화제를 모으고 있다. 닛산 엑스트로이드 CVT는 닛산과 자트코가 함께 개발한 트로이덜(troidal) 구조로 고출력 엔진에 쓸 목적으로 만들어졌다. 마주보고 있는 2개의 마찰판 사이에 회전 디스크(파워 롤러)를 배치하고 그 회전축 각도에 따라 기어비를 제어하는 방식이다. 일본 현지에서 닛산 세드릭과 글로리아 3.0 모델에 옵션으로 달리고 있다. Engine 하이브리드와 연료전지 한때 친환경적인 미래의 교통수단으로 가장 주목받았던 차는 전기자동차다. 그러나 전기차는 충전에 따른 사용상의 불편이 큰 데다 비싼 값, 낯선 운전감각 등의 약점을 안고 있었다. 그래서 대안으로 떠오른 친환경차가 바로 연료전지차다. 연료전지차의 기본적인 원리는 전기차와 크게 다르지 않다. 전기를 충전하는 대신 연료인 수소를 이용해 전기를 만들고, 그 전기의 힘으로 모터를 돌린다. 상용화하려면 몇 가지 기술적 문제들을 해결해야 하지만 미래의 자동차가 석유 대신 수소를 쓰게 되리라는 데는 이견이 없다. 연료전지차 시대로 가는 중간단계에서 많은 관심을 끌고 있는 것이 하이브리드카다. 하이브리드카는 볼보 PCC처럼 터빈을 얹기도 하지만 대부분 휘발유 엔진과 모터를 함께 쓴다. 큰 토크를 필요로 하는 출발 때 모터로 차를 움직이고 어느 정도 속도에 이르면 자동으로 시동을 켜 엔진 힘으로 바퀴를 돌린다. 언덕길이나 급가속 등 큰 힘이 필요할 때는 모터가 엔진에 힘을 보태고, 브레이크를 밟으면 모터가 발전기 역할을 하며 필요 없는 운동에너지를 전기로 바꿔 배터리에 보관한다. 세계 첫 양산 하이브리드카는 1997년 선보인 도요타 프리우스로, 1.5X 70마력 휘발유 엔진과 44마력 전기 모터를 함께 써 22.3km/X의 놀라운 연비를 기록했다. 비슷한 시기에 북미에서 선보인 혼다의 하이브리드카 인사이트 역시 32km/X에 이르는 놀라운 연비를 보였다. 하이브리드의 선구적인 기술을 갖고 있는 도요타는 지난해 9월 프리우스의 2세대 모델을 선보였다. 도요타와 혼다가 하이브리드카 시장을 이끌고 있는 가운데 올해 북미국제오토쇼에서는 포드 이스케이프 하이브리드, 도요타 FTX, 렉서스 RX400h 등이 선보여 SUV와 트럭에까지 하이브리드 바람을 불러 일으켰다. 도요타 CS&S(Compact Sports&Speciality)나 MTRC는 하이브리드가 이제 스포츠카 시장까지 넘보고 있음을 말해준다. 하이브리드 시스템은 다양한 차종에 쓰이면서 날로 발전하고 있다. 초창기에는 높은 경제성이 큰 비중을 차지했지만 지금은 같은 배기량의 엔진을 얹고도 보다 큰 힘을 낼 수 있게 하는 출력 보강의 의미도 지니고 있다. Safety 차로이탈경보 시스템 닛산은 올해 가을 인피니티 FX45/35를 통해 북미에 차로이탈경보(LDW, Lane Departure Warning) 시스템을 선보였다. LDW 시스템은 소형 카메라와 속도감지 센서, 마이크로 프로세서를 활용해 졸음운전 등으로 뜻하지 않게 차로를 벗어나는 것을 막기 위한 시스템이다. 룸미러 위에 달린 조그마한 카메라가 지속적으로 전방 상황을 찍고 센서가 이를 판독한다. 차로를 이탈하면 계기판에 경보등이 뜨고 경보가 울려 운전자가 이를 알아차릴 수 있게 한다. 혼다의 LKAS(Lane Keeping Assist System)도 같은 기능을 한다. 즉 카메라가 차 앞의 도로상황을 살피고, 컴퓨터가 차로의 위치와 차의 진행방향을 판단한다. 차가 차로를 벗어나려고 하면 경보음이 나오고 계기판에 경고등이 들어와 운전자가 알 수 있도록 한다. 일본 내수용 혼다 어코드에 쓰이는 IHCC(Intelligent Highway Cruise Control)는 레이더가 앞차와의 거리를 측정하고 앞차와의 상대속도를 계산해 안전거리를 유지하도록 돕는다. 크루즈 컨트롤을 작동한 상태에서 앞차와 가까워졌을 때 운전자가 속도를 줄이지 않으면 자동으로 속도가 줄고, 앞차가 차로를 바꾸거나 속도를 높이면 원래 설정한 속도로 돌아간다. 혼다의 CMS(Collision Mitigation brake System) 역시 사고를 막아주는 시스템이다. 라디에이터 그릴 안에 자리한 레이더가 앞차와의 거리를 지속적으로 측정해, 속도에 비해 앞차와의 거리가 지나치게 가까워지면 계기판에 불이 들어오고 경고음이 울린다. 이를 운전자가 무시하고 거리를 계속 좁히면 경고음 및 표시가 강조되고 약하게 브레이크가 작동되면서 프리텐셔너가 안전벨트를 가볍게 잡아당긴다. 그래도 운전자가 별다른 조치를 하지 않으면 브레이크가 강하게 작동되면서 추돌 충격을 줄이기 위해 프리텐셔너가 안전벨트를 강하게 잡아당긴다. safety 지능형 스마트 에어백 성인 기준으로 개발된 에어백은 어린이와 몸이 작은 여성들에게 치명적인 피해를 줄 수 있다. 이를 막기 위해 몇 해 전부터 메이커들은 에어백의 팽창압력을 20∼30% 낮추고 어린이를 반드시 뒷좌석에 앉히라는 경고문을 실내에 붙이고 있다. 또한 유아용 시트를 조수석에 달거나 작은 여성이 앞좌석에 탈 때를 대비해 조수석 에어백의 작동을 조절하는 별도의 스위치도 마련해놓고 있다. 그러나 아무리 경고문을 붙이고 스위치를 마련해놓는다 하더라도 운전자가 주의를 기울이지 않으면 소용이 없다. 그래서 센서를 통해 승객의 신체나 상황을 파악, 그에 맞게 에어백을 작동시키는 스마트 에어백이 등장하게 되었다. 스마트 에어백은 각종 센서를 통해 승객의 탑승 유무를 파악하고 몸 사이즈나 앉은 자세, 실제 충격의 크기 등을 종합해 에어백의 작동 유무와 팽창압력을 조절한다. 조수석에 승객이 타지 않았을 때는 에어백이 작동하지 않기 때문에 차를 수리할 때 조수석쪽 모듈은 손보지 않아도 된다. 또한 충돌의 정도와 안전벨트의 착용 유무에 따라 다르게 작동한다. 즉 큰 충돌에서는 에어백이 완전히 터지지만 가벼운 충돌에서는 에어백 대신 안전벨트 프리텐셔너만 작동한다. 이같은 강약조절형 에어백은 포드가 이미 실용화했고, 다른 메이커들도 비슷한 종류의 스마트 에어백을 개발중이거나 완성했다. 에어백 시스템은 승객의 위치는 물론 자세까지 감지해낼 수 있는 수준의 스마트 에어백으로 계속 발전해나갈 전망이다. 이미 BMW는 승객의 움직임을 감지해 시트에서 잠깐 몸을 들더라도 그 상태에 알맞게 에어백을 작동시키는 시스템을 개발중이고, 도요타는 적외선센서를 이용해 승객의 위치와 크기까지 파악할 수 있는 시스템을 연구하고 있다.
2WD와 4WD 특성 살피기 ③매커니즘 - 4WD라.. 2004-09-03
2WD와 4WD의 메커니즘 차이를 이해하려면 굴림방식을 먼저 알아야 한다. 자동차는 신차 개발단계에서 엔진의 위치와 굴림바퀴를 정하는 것이 보통이다. FF(Front engine Front wheel drive)는 앞에 엔진이 있고 앞바퀴에 구동력을 전한다. FR(Front engine Rear wheel drive)은 엔진이 앞에 있지만 뒷바퀴가 힘을 쓰는 경우다. MR(Mid engine Rear wheel drive)은 엔진이 뒷바퀴 축보다 안쪽에 있으면서 뒷바퀴를 굴리고 RR(Rear engine Rear wheel drive)은 엔진도 굴림바퀴도 뒤쪽에 있는 경우다. 4WD는 어떨까? 답은 간단하다. 나머지 두 바퀴에 구동력을 보내면 되기 때문이다. 하지만 내용을 파고들면 그리 간단하지가 않다. 엔진 위치 따라 4WD 구성 달라져 FF의 경우 보네트를 열고 앞에서 보았을 때 실린더 블록이 가로로 놓여 있다. 엔진에서 만들어진 힘은 크랭크샤프트를 통해 나란히 배치된 트랜스미션에 전달되고, 기어를 통해 역시 수평인 구동축으로 전해진다. 즉 크랭크축을 포함해 트랜스미션이 앞 차축과 평행을 이루게 된다. 이런 구조를 바탕으로 4WD를 만들면 뒤쪽으로 동력을 전하기 위해 세로 방향의 구동축이 있어야 한다. 또한 세로로 전해진 엔진의 회전력을 다시 좌우 바퀴로 나누는 리어 디퍼렌셜과 드라이브 액슬이 필요하다. 도시형 SUV인 볼보 XC90, 렉서스 RX330, 랜드로버 프리랜더, 포드 이스케이프, 현대 싼타페와 투싼, 혼다 CR-V 등이 여기에 속한다. 4WD에서 구동력을 나누는 일은 차 앞쪽의 트랜스미션에 하나로 합쳐진 센터 디퍼렌셜에서 담당한다. 앞바퀴굴림을 바탕으로 한 4WD는 로 기어가 달리지 않는데, 좁은 엔진룸에 엔진, 트랜스미션, 앞 디퍼렌셜과 구동력 배분을 위한 센터 디퍼렌셜이 들어가야 하므로 로 기어가 포함된 트랜스퍼를 넣을 공간이 부족하기 때문이다. 이런 방식의 4WD는 앞뒤 구동력을 100:0에서 최대 60:40으로 나눈다. 구조상 가로배치 엔진과 트랜스미션 때문에 앞쪽에 무거운 부품이 모여 있고, 액셀 페달, 브레이크 작동에 따라 무게중심의 이동이 커서다. 뒤쪽 구동력이 크면 가속할 때 가벼운 뒤쪽에서 스핀을 일으키고, 코너를 돌 때 액셀 페달을 살짝만 밟아도 뒷바퀴가 밀리면서 접지력을 잃을 가능성이 커진다. 구동력 배분은 차의 무게중심이 가장 중요한 기준이 된다. FR의 경우는 엔진과 트랜스미션이 하나의 축으로 이어진 가로배치가 대부분이다. 즉 엔진-트랜스미션-드라이브샤프트- 리어 디퍼렌셜이 직선으로 이어지고, 여기서 좌우로 꺾여 바퀴로 연결되는 간단한 구조다. 이를 바탕으로 4WD를 만들려면 트랜스미션 이후에 앞쪽으로 구동력을 나누는 트랜스퍼나 센터 디퍼렌셜을 넣어 앞쪽 샤프트를 돌릴 수 있도록 만든다. 여기에도 앞바퀴를 위한 디퍼렌셜과 드라이브 액슬이 있어야 하고, 파트타임 4WD의 경우 프리휠 허브나 FRRD(Free Running Differential system)을 통해 앞바퀴로 가는 동력을 잇고 끊는 장치가 더해진다. 앞뒤 동력배분은 트랜스퍼 혹은 센터 디퍼렌셜에서 맡는다. 파트타임 4WD는 센터 디퍼렌셜이 없고 트랜스퍼만 달린다. 즉 4WD를 선택하면 앞뒤 디퍼렌셜이 그대로 연결되어 구동력이 무조건 50:50으로 나뉜다. 이 경우 반경이 작은 코너를 돌 때, 네 바퀴의 회전수가 달라 타이어가 미끌리는 현상(tight corner braking)이 생긴다. 전자제어 방식의 액티브 4WD는 센터 디퍼렌셜에 포함된 전자식 클러치가 구동력 전달을 맡는다. 앞뒤 바퀴의 회전차가 생기면 클러치를 떼 동력을 잠깐 끊어 자유롭게 돌아가도록 한다. 앞뒤 구동력 배분은 0:100에서 50:50까지 자동으로 조절된다. 앞바퀴에 구동력이 몰려 바퀴가 헛돌면 앞바퀴가 접지력을 잃어 언더스티어가 일어나고 코너에서 차가 밖으로 밀린다. 이때는 액셀 페달에서 발을 떼면, 무게가 앞으로 옮겨가므로 구동력이 사라진 앞바퀴는 접지력을 살려 코너를 돌아 나간다. 때문에 앞바퀴굴림보다 뒷바퀴굴림 베이스의 4WD는 구동력 배분 범위가 넓다. 이렇게 뒷바퀴굴림을 바탕으로 한 4WD의 경우로 트랜스미션과 센터 디퍼렌셜, 로 기어 트랜스퍼가 차 바닥에 들어가므로 캐빈룸의 바닥이 높다. 로 기어가 달린 4WD SUV는 대부분 이런 구조이고, 프레임 안쪽 공간에 이런 장치들을 넣는 보디 온 프레임 방식이 많다. 랜드로버는 디스커버리와 레인지로버, 포르쉐 카이엔, 폭스바겐 투아렉과 BMW X5와 X3, 현대 테라칸, 기아 쏘렌토, 쌍용 무쏘, 코란도, 렉스턴 등이 이 방식을 쓴다. 예외도 있다. 아우디는 앞바퀴굴림을 바탕으로 한 AWD를 쓰지만 엔진을 가로로 놓는다. 아우디의 특허인 콰트로 시스템을 모든 차에 쓰기 위해 처음부터 AWD를 고려했기 때문이다. 흔히 엔진을 가로로 놓으면 트랜스미션이 한쪽으로 몰리기 때문에, 좌우로 가는 드라이브 액슬 길이가 달라진다. 액셀 페달을 밟으면 구동력이 달라져 스티어링 휠이 돌아가는, 토크 스티어가 생긴다. 이를 막기 위해 아우디는 FF임에도 엔진을 세로로 놓는 방식을 택했고, AWD로의 전환도 쉽다. 획기적인 4WD 시스템으로 BMW의 ‘x드라이브’를 꼽는다. 앞뒤 구동력 배분이 0:100부터 100:0까지 가능하다. 이는 정밀제어를 통해 자동차 전체의 핸들링 특성을 아예 바꾸어 버린다. 코너 진입에서는 뒷바퀴굴림처럼, 탈출할 때는 앞바퀴굴림처럼 움직이는 것이다. 4WD를 채택한 것은 네 바퀴에 엔진 힘을 고르게 전달해 접지력을 높이는 데 목적이 있다. 이런 장점이 있음에도 2WD를 내놓는 이유는 일반적인 운전환경에서는 두바퀴굴림만으로 충분하기 때문이다. 4WD보다 메커니즘이 간단한 만큼 차값이 싸고 무게도 덜 나가는 장점이 있다. 2WD SUV는 승용차형 굴림방식에 쓰임새 좋은 실내공간을 채용한 아이디어의 산물이다.
배기가스 줄이기(Ⅰ) 2004-08-18
대기오염은 이미 오래 전에 사회문제화 되었다. 한때 공해의 주범으로 손꼽혔던 공장, 발전소, 공공건물의 굴뚝에서 내뿜는 매연은 많이 줄어든 반면, 차의 매연은 도시 대기오염의 주범으로 떠올랐다. 1970년대에 미국 정부는 늘어나는 오염물질을 줄이기 위한 노력을 시작했다. 깨끗한 공기를 위한 연방법안(Federal Clean Air Act)이 선포되었고 이 법안을 수행하는데 미국 환경청이 선임되었다. 자동차 배기가스 허용기준이 설정되었고 여러 해 동안 허용기준은 계속 강화되었다. 자동차회사는 배기가스를 줄이기 위해 연구를 거듭할 수밖에 없었고, 결과적으로 각각의 차에서 발생하는 오염물질은 계속 줄어들었다. 차의 매연을 줄이기 위한 첫 시도는 PCV(Positive Crankcase Ventilation) 시스템이었다. PCV는 블로바이 가스(blow-by gas)와 크랭크케이스 증기를 연소실로 돌려보내는 장치다. 흡기시스템으로부터 신선한 공기를 크랭크케이스로 보낸다. 흡기시스템에서 온 흡입공기는 크랭크케이스를 돌아 블로바이 가스와 증기를 몰고 PCV 밸브와 호스를 통해 흡기 매니폴드로 들어간다. PCV 밸브는 매니폴드의 부압에 따라 흡기로 들어가는 블로바이 가스의 양을 조절한다. PCV 밸브는 엔진이 아이들링 상태에 있을 때와 같이 강한 진공이 생길 때만 블로바이 가스가 들어가도록 조절한다. 이러한 PCV 시스템은 지금 나오는 모든 차의 엔진에 달려있다. 블로바이 가스와 크랭크케이스에 쌓인 가스는 PCV 시스템으로 제거할 수 있다. 엔지니어들은 연료탱크와 기화기에서 나오는 휘발유 증기를 제어해야 했는데, 이 문제는 증발 배기 컨트롤(Evaporative Emission Controls) 시스템으로 해결했다. 차의 배기가스를 줄이기 위해, 연소과정에서 생기는 배기가스 자체를 줄이는 연소 전 제어(Pre-combustion Control)와 어쩔 수 없이 생긴 매연을 배기 시스템에서 효율적으로 정화하는 연소 후 제어(Post-combustion Control) 전략이 이루어지고 있다. 우선 연소 전 제어 방법으로는 기계식 연료공급 시스템, 증발 배기 컨트롤 시스템, 점화타이밍과 연료 혼합 제어, 린번 엔진, 휘발유 직접분사 등이 있다. 기계식 연료공급 시스템 불과 10여 년 전까지만 해도 차의 연료공급 시스템은 카뷰레터와 같은 기계적 공급장치가 상당수를 차지했다. 이러한 기계식 연료공급장치에서는 흡입되는 공기의 양에 따라 연료를 정밀하게 제어하기 힘들어 이를 고려한 몇 가지 공해방지장치를 갖추기도 했다. 흡입공기의 온도가 지나치게 낮으면 적절히 가열될 수 있도록 흡기온도조절장치를 단 것이 대표적인 예다. 증발 배기 컨트롤 시스템 휘발유는 증발성이 강하다. 낮은 온도에서도 증발되는 탓에 휘발성이 강한 기름이라는 뜻으로 휘발유라고 한다. 증발 배기 컨트롤(Evaporative Emission Control) 시스템은 증발되는 휘발유를 다시 사용할 수 있도록 해준다. 휘발유는 연료탱크뿐 아니라 카뷰레터에 있는 동안, 또는 드로틀 보디에 있을 때도 증발하려는 성질이 있다. 엔진이 가동중일 때나 식어있을 때나 정도의 차이는 있지만 증발하려는 성질은 변함이 없다. 요즘 엔진은 어느 것에나 캐니스터(canister)가 있어 엔진이 꺼져 있을 때 증발하려는 휘발유가 새어나가지 않도록 막아준다. 시동을 걸 때는 에어클리너를 거친 공기가 캐니스터를 지나가면서 증발된 휘발유를 흡기시스템으로 보내 사용하도록 한다. 이 가스 상태의 휘발유는 하나 혹은 여러 개의 튜브를 통해 흡기 매니폴드나 카뷰레터 혹은 에어클리너로 보내지고 엔진으로 들어가 연소된다. 많은 전자식 연료분사 엔진에서는 ECU(전자제어유닛)가 솔레노이드 밸브를 통해 흡기 매니폴드의 진공을 이용해 증발된 연료가스를 캐니스터로부터 뽑아낸다. 점화타이밍과 연료 혼합 제어 자동차 공해가 사회문제로 떠오른 후, 여러 해 동안 메이커들은 두 방면으로 집중해 배기가스를 줄이는 노력을 해왔다. 정밀한 점화진각(Ignition Timing Advance) 장치를 통한 점화타이밍(Ignition timing) 제어와 운전조건에 따른 공기/연료 혼합비 제어가 그것이다. 점화타이밍과 공연비는 모든 종류의 엔진 작동에서 연소효율에 큰 영향을 미치므로, 많은 제어 기술이 개발되고 계속 발전해왔다. 대부분의 점화타이밍과 공연비 제어 시스템, 장치들은 유해배기가스를 줄이는 데 일시적인 해결책이 되었다. 배출가스 허용기준이 강화되면서 메이커의 엔지니어들은 이 문제를 전자식 점화장치와 연료분사장치, 그리고 ECU로 풀려고 하였고 이 시도는 큰 성공을 거두었다. ECU는 센서에서 들어오는 입력 신호를 받아들이고 이것을 토대로 엔진의 상태를 계산하고 출력 신호를 점화타이밍과 공연비에 적절하도록 내보내 엔진을 제어한다. 이렇게 나온 것이 지금 승용차의 대부분을 이루는 전자제어 엔진이다. 전자식 연료공급 시스템은 차의 역사에서 출력향상과 공해방지의 두 마리 토끼를 잡는데 가장 큰 기여를 한 기술이라 할 수 있다. 린번 엔진 연소과정에서 생기는 배기가스를 줄이는 가장 획기적이고 성공적인 시도가 극도로 옅은 혼합가스를 사용하는 것이다. 공기와 연료의 무게비가 20: 1이 되지 않을 정도로 옅은 혼합가스를 사용하는 것이다. 혼합가스가 너무 옅으면 화염의 전파력이 좋지 않아 출력이 많이 떨어지고 엔진이 안정적으로 동작할 수 없다. 보통 엔진에서 화염 전파가 원활한 공연비는 10∼17 정도인 것으로 알려져 있다. 하지만 전자제어 시스템의 발전으로 혼합가스의 농도, 점화시기 등을 정밀하게 제어하는 것이 가능해져서 20: 1 이상의 희박한 혼합가스를 사용할 수 있게 되었다. 이러한 희박한 혼합가스를 사용하는 것을 린번 엔진(lean burn engine)이라고 부른다. 린번 엔진은 도요타가 84년 처음 도입했지만, 당시에는 연비 향상만을 고려했으므로 운전자가 다루기에 힘든 엔진이 되어 버렸다. 실패를 안은 도요타는 정밀하게 제어되도록 개선한 린번 엔진을 92년에 다시 내놓아 업계의 비상한 관심을 끌었다. 린번 엔진은 실린더 내에서 혼합가스의 유동을 이용해 연료가 점화플러그 주위에 모이도록 한다. 따라서 연료가 모인 점화플러그 근처에서는 마치 이론공연비의 혼합가스가 연소되는 것처럼 안정된 연소가 이루어지게 된다. 린번 엔진의 가장 큰 장점은 해로운 배기가스를 적게 배출한다는 것과 완전연소로 인해 연료 효율이 높아진다는 것이다. 펌핑손실(pumping loss)이 줄어들어 연비도 10∼15% 정도 향상된다. 94년에는 린번 엔진 배기가스의 많은 부분을 차지하는 질소산화물을 줄이는 방법도 개발되어, 최근 희박연소 엔진은 배출가스 규제와 연비율 향상 규제에 대응하는 기술로서 주목받고 있다. 휘발유 직접분사 휘발유 직접분사(GDI) 엔진은 린번 엔진과 전혀 다른 개념은 아니다. 연료를 실린더 외부에서 분사해 흡기밸브를 통해 실린더 내부로 공급하는 일반적인 휘발유 엔진과는 달리 GDI 엔진은 연료를 실린더 내에 직접 분사한다. 따라서 보다 높은 공연비에서도 원활한 연소가 이루어지도록 연료의 분사량과 분사각도를 조절할 수 있다. 덕분에 현재 GDI 엔진에서 안정적으로 연소시킬 수 있는 공연비는 40: 1 정도까지 확대되고 있다. 즉 GDI 기술은 린번 기술을 더욱 발전시킨 것이라고 할 수 있다. GDI 엔진에서는 연료가 점화플러그 주위에 골고루 분포되도록 휘발유를 잘게, 그리고 고르게 분사하는 것이 키 포인트다. 그런 의미에서 연료를 분사하는 인젝터는 GDI 엔진에서 핵심기술이다. 고르게 분사된 연료가 점화플러그 주위에 보다 잘 모이도록 피스톤 형상을 개선하고, 연료분사 각도를 적절히 선정하는 것도 지속적으로 연구되고 있는 부분이다. 린번 엔진이 펌핑손실을 줄여 연비를 높이는 것이라면, GDI 엔진은 이에 더한 여러 장점을 가지고 있다. 정확한 연료를 정밀하게 분사함으로써 린번 엔진보다 펌핑손실을 훨씬 더 많이 줄일 수 있음은 물론이다. 또한 초희박 상태에서 연소되는 만큼 열 발생이 줄어 냉각손실도 줄어든다. 이밖에도 연소실에 분사된 휘발유가 분사 후 즉시 기화하고, 이에 따라 연소실의 온도가 낮아진다는 장점도 갖고 있다.
알루미늄 휠의 역사와 특징 ①개요 - 가볍고 단단하.. 2004-08-13
알루미늄 휠이 처음 공식적으로 등장한 것은 1911년에 미국 인디애나폴리스에서 열린 인디 500 제1전이었다. 마몬팀의 기술부장인 레이 하론이 자신이 설계한 8.2X 엔진을 얹은 1인승 경주차에 알루미늄 휠을 끼우고 직접 차를 몰았다. 당시 경주에는 안전과 수리를 위해 정비사가 같이 탔는데 레이 하론은 차 무게를 낮추기 위해 알루미늄 휠을 달고 혼자서 운전했다. 이 차가 경주에서 우승하면서 알루미늄 휠의 효용성이 널리 알려지게 되었다. 1924년 부가티의 경주용차 35타입 레이서는 방열성이 뛰어나 제동성능을 높여주는 알루미늄 휠을 달고 우승을 거두었다. 이후 가볍고 열전도성이 높다는 게 알려지면서 알루미늄 휠은 경주용 차에 널리 쓰이게 되었다. 승용차에 알루미늄 휠을 유행시킨 장본인은 미국의 젊은이들이다. 일부 경주차와 스포츠카에나 쓰이던 알루미늄 휠을 달고 미국 서해안을 질주하면서 붐이 일기 시작했고, 알루미늄 휠은 70년대에 들어서서 전세계로 유행처럼 번지게 된다. 우리나라는 지난 81년 삼선공업이 처음으로 알루미늄 휠을 생산한 이래 현재 10여 개의 메이커가 연간 1천200만여 개를 만들고 있다. 경주용차에 처음 달아 좋은 성적 내 가볍고 내구성 좋아 빠르게 대중화 알루미늄이 자동차의 재료로 널리 쓰이게 된 것은 비중이 2.7로 철(7.9)에 비해 크게 낮은데다 단단함은 3배에 달하기 때문이다. 가공이 간단해 베릴륨(비중 1.85)과 마그네슘(1.74) 및 티타늄(4.5)을 비롯한 경금속 중에서 가장 빨리 실용화되어 기계산업의 발달을 이끌었다. 자동차의 알루미늄 휠은 알루미늄 성분 90%에 규소와 마그네슘, 티타늄과 망간 등을 넣어 경도를 높이고 가볍게 만든 제품이다. 같은 규격의 철제 휠과 비교해보면 무게가 철제 휠은 8∼9kg지만 알루미늄 휠은 6∼7kg에 불과하다. 알루미늄 휠은 이처럼 가벼운데다 충격흡수력이 좋아 서스펜션의 응답성과 노면 적응력을 높이는 효과를 낸다. 내구성도 뛰어나 철제 휠과 달리 습기에 쉽게 녹이 슬지 않는다. 이밖에도 많은 이들이 알루미늄 휠을 고르는 이유 중 하나는 멋진 디자인에 있다. 휠은 차체의 디자인을 마무리하는 가장 중요한 부분이라고 할 수 있다. 색상과 디자인이 뛰어난 알루미늄 휠은 아름다운 옆모습을 표현하는 데 더없이 효과적이다. 휠은 타이어를 감싸는 동그란 림(rim)과 차축에 연결되는 디스크(disc)로 구성된다. 림은 타이어의 비드면과 꽉 맞물려 공기압을 일정하게 유지시키는 역할을 하고, 디스크는 휠이 차축 허브에 너트로 연결되는 부위다. 림폭은 인치로 표기하고 비드 시트(bead seat)와 플랜지(flange), 험프(hump)로 구성된다. 림을 타이어에 밀착시키는 비드 시트는 타이어의 비드면과 형상이 일치한다. 플랜지는 타이어가 림 바깥으로 빠지지 않게 튀어나와 있는 부분이다. 타이어 밸런스 추를 다는 곳으로 휠의 바깥쪽 끝머리에 해당한다. 모양에 따라 클립 모양 납을 쓰는 J형과 부착식 납을 쓰는 JJ형이 있다. 험프는 타이어가 림 안쪽으로 미끄러지지 않도록 잡아주는 기능을 하며 림 안쪽에 있어 타이어를 떼어내야만 확인할 수 있다. 디스크는 림과 차축이 연결되는 부위로 휠의 회전과 노면 충격, 급제동 등 움직임을 1차로 흡수하는 곳이어서 강한 충격에도 견딜 수 있도록 설계된다. 국제적으로 인정되는 하중지수(VIA 규정)는 휠당 690kg이다. 디스크를 정면으로 보면 차축에 물리는 허브구멍과 볼트구멍이 보인다. 허브구멍은 디스크의 한가운데 뚫린 구멍으로 차축과 결합되는 부분이다. 차축의 지름과 정확히 맞는 것이 좋다. 승용차의 볼트구멍은 보통 4∼6개로 휠의 크기에 따라 다르다. 휠 중심에서 볼트구멍까지의 거리는 PCD로 표기한다. 대중적이며 전통적인 제조방식은 주조법 에어로 타입 휠, 방열성과 디자인 뛰어나 이밖에 림, 디스크 관련 용어로 오프셋이 있다. 오프셋은 휠을 세로로 보았을 때 림의 한가운데에서 디스크가 림과 만나는 부분까지의 거리를 뜻한다. 디스크가 림의 중심에 있다면 제로 오프셋이고 차체 바깥으로 붙어있다면 플러스 오프셋이다. 마이너스 오프셋은 디스크가 중심선 안쪽, 즉 차체 안쪽에 있어 결과적으로 타이어가 차체 바깥으로 튀어나온 모양새다. 보통 승용차의 오프셋 범위는 +30∼50mm다. 알루미늄 휠은 제조방식이나 구조, 디스크의 디자인에 따라 다양하게 분류된다. 제조방식은 크게 주조법과 단조법이 있다. 주조법은 전통적인 방식으로 알루미늄 합급 원료를 녹여 틀에 부어 만드는 것이다. 틀에 따라 다양한 형태를 찍어낼 수 있어 가공이 쉽고 일정 품질이 유지되는 것이 장점이다. 저압주조와 진공주조, 중력주조 방식으로 세분화할 수 있는데, 대부분 저압주조법이 쓰인다. 저압주조법은 비교적 공정이 간단하고 틀만 추가해 대량생산을 할 수 있다. 원료가 들어있는 용기에 가스로 작은 압력을 주어 급탕관을 통해 원료를 틀에 보내는 방식이다. 알루미늄 합금뿐만 아니라 녹는점이 높은 철강이나 동합금을 주조하는데도 쓰인다. 단조법은 높은 압력으로 틀에서 찍어내는 방식이다. 고압의 힘이 가해지기 때문에 입자가 치밀해지고 밀도가 높아진다. 충격에 내성이 강해 고성능 휠을 만드는 데 적합하다. 반면 제조공정이 복잡하고 제조원가가 비싼 것이 단점이다. 조립 구조에 따라서는 디스크와 림이 한 덩어리인 1피스 휠과 분리형인 2피스, 3피스 휠로 나눌 수 있다. 휠 전체가 하나로 된 1피스 휠은 만들기가 쉽고 튼튼한 것이 장점이다. 반면 알루미늄 휠의 최대 장점인 무게 면에서는 다소 불리하다. 2피스 휠은 림과 디스크를 따로 만들어 나중에 결합한 것이다. 디스크와 림의 소재가 다르면 볼트로 연결하고, 같은 재질이면 용접을 한다. 주행환경이 어떤지에 따라 소재를 달리 해 강성과 무게를 조절할 수 있는데, 제조단가는 일체형에 비해 높다. 3피스 휠은 2피스 휠의 림을 다시 두 조각으로 나눈 것이다. 세련되고 섬세하게 설계할 수 있는 방식으로, 고가의 휠 제작에 쓰인다. 디스크의 디자인에 따라서는 스포크와 메시 타입, 디시와 에어로 타입 등으로 나뉜다. 스포크 타입은 휠의 초기 모델인 마차의 나무바퀴에서부터 이어져온 디자인으로 스포크(살대)로 림을 지탱하는 방식이다. ×모양의 4스포크부터 5, 6, 12 등 다양하다. 살대가 12개를 넘어가면 메시 타입 휠로 구분된다. 메시 타입은 얇고 가느다란 스포크 여러 개로 이루어진 휠로 힘이 고르게 분산되고 강도가 높아 널리 쓰이고 있다. 디시 타입은 말 그대로 접시 모양을 하고 있어 붙여진 이름이다. 강성이 좋은 반면 주행 중 바람을 막는 디자인이어서 열전도율이 떨어지는 것이 단점이다. 에어로 타입은 주행방향에 따라 바람개비처럼 돌아가는 형태의 휠을 말하는데, 가장 디자인적 요소가 강하다. 강도와 방열성이 높은데다 미적인 감각이 뛰어나 스포크와 디시 타입 휠도 에어로 타입으로 설계되는 추세다.
앞뒤 서스펜션 만들기(하) 서스펜션 형식에 따른 장.. 2004-07-28
제9장 일체식 차축 뒤 서스펜션 설계 큰 안티-스쿼트를 얻기 위해서는 뒤 서스펜션의 유효 스윙 암을 더욱 짧게 만든다. 대부분의 조율작업과 마찬가지로 여기서도 타협을 해야 한다. 뒤 서스펜션의 측면 스윙 암이 너무 짧으면 제동 때 뒤 차축이 홉(hop, 튀어 오르는 현상)을 일으키는 문제가 생긴다. 스윙 암이 짧아지면 제동력을 견디기 위해 차축 하우징 토크가 뒷바퀴를 들어올릴 수도 있다. 만약 뒷바퀴가 땅에서 떨어지면 제동력의 크기는 ‘0’이 되고, 바퀴는 다시 지면으로 돌아온다. 이렇게 격렬한 반복운동이 제동 홉 현상을 유발한다. 경험에 의하면 뒤 차축의 홉 현상을 막으려면 스윙 암이 최소 105cm 정도는 되어야 한다. 에서와 같이 스윙 암의 길이가 안티-스쿼트의 크기를 제한하기도 한다. 일체식 차축 뒤 서스펜션 형식 일체식 차축 뒤 서스펜션의 형식은 어떤 것이 있으며 어떻게 설계기준을 만족시키는지 확인해 보자. 설계만 잘하면 아래에 열거하는 방식 모두 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 뒤 서스펜션의 형식보다 설계 및 설치를 얼마나 잘했느냐가 조종성에 영향을 미친다. 호치키스(Hotchkiss) 형식 호치키스 형식은 뒤 차축의 위치를 고정하기 위해 바퀴 쪽에 길이 방향의 판 스프링을 사용하는 것을 말한다. 이 스프링은 차 뒤쪽의 하중도 지지한다. 구조는 매우 간단하다. 옛날 마차의 개념을 그대로 가져온 형식으로, 오랜 기간에 걸쳐 개량을 거듭해 왔다. 1970년대 쇼크 업소버를 차축의 앞쪽에 1개, 뒤쪽에 1개를 설치해 가속이나 제동 때 토크에 의해 발생하는 휠 홉을 제거할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 꾸준한 개량을 통해 호치키스 형식은 지금도 그 역할을 충실히 수행하고 있다. 단점이라면 판 스프링의 크기와 무게다. 차에는 판 스프링을 배치할 수 있는 적정한 여유 공간이 없어 다른 시스템보다 제약을 받는 편이다. 판 스프링 추가: 뒤쪽 판 스프링은 가속력과 제동력을 전달하는데 사용되므로 정확한 위치를 잡는 것이 매우 중요하다. 가속력과 제동력은 차축 하우징을 비틀고, 이때 판 스프링이 휘감겨 뒤틀린다. 판의 개수를 늘리거나 두껍게 만들면 스프링 강성이 커져 힘을 견딜 수 있다. 하지만 판을 추가하거나 두껍게 만들면 스프링 계수가 올라간다. 이런 모순을 해결하기 위해 판 스프링 앞쪽에만 판을 추가해 차축의 토크에 대응하고, 스프링 앞쪽 절반만 강성을 키운다. 이렇게 하면 판을 전체 스프링에 걸쳐 추가할 때만큼 스프링 계수가 늘어나지는 않는다. 고성능 차에 사용되는 대부분의 판 스프링은 이런 이유로 스프링의 앞쪽에만 여분의 판을 가지고 있다. 스프링 눈높이: 앞 스프링 눈 높이는 뒤 서스펜션의 안티-스쿼트 크기를 결정하는 주요 인자다. 스프링 눈이 높을수록 안티-스쿼트는 커진다. 지면에서 25~37.5cm에 눈 높이가 있으면 최상의 결과를 얻을 수 있다. 너무 높으면 제동 홉이 생기므로 적정선에서 제한해야 한다. 섀시를 새로 만든다면 앞 스프링 눈 높이를 조절해 섀시를 튜닝할 수 있도록 하는 것이 좋다. 뒤 스프링 눈 높이도 안티-스쿼트에 영향을 주지만 앞쪽에 비해 미미하다. 길이 조절이 가능한 뒤쪽 섀클은 일반적으로 안티-스쿼트와 승차 높이를 세밀하게 조절할 수 있다. 판 스프링의 횡방향 강성 때문에 팬하드 바 또는 와트의 링크를 이용해 차축의 횡방향 위치를 따로 잡을 필요가 없다. 쇼크 업소버 고정: 뒤 판 스프링 서스펜션에 쇼크 업소버를 고정시킬 때 반드시 고려할 사항이 있다. 차축 앞쪽에 쇼크 업소버 한 개를 고정시키고 다른 한 개를 뒤쪽에 고정시키면 급가속이나 제동 때 발생하는 홉에 의한 급격한 차축 비틀림 회전을 완화시킨다. 따라서 다른 장치를 사용하지 않고도 홉 현상을 제거할 수 있다. 쇼크 업소버의 고정은 오른쪽이든 왼쪽이든 상관없다. 극한 상황에서는 트랙션 바나 접이식 제동 로드를 써서 추가적인 비틀림을 제어한다. 판 스프링 부싱: 판 스프링 부싱의 설계 및 소재는 신중히 선택해야 한다. 일반차에는 쉽게 구할 수 있는 고무 부싱이 최상의 선택이다. 고성능차도 앞 스프링 눈에 스페리컬 베어링을 사용하면 성능향상에 도움된다. 단 어떤 경우에도 우레탄 부싱은 안된다. 이것을 쓰면 차체가 차축에 맞물려서 롤링을 못하기 때문이다. 링크 형식 링크 형식 뒤 서스펜션은 일체식 차축이 링크 형식의 멤버로 길이 방향 및 횡방향으로 놓여 있다. 이런 배치를 통해 서로 다른 특성을 끌어낼 수 있다. 4링크: 4링크 뒤 서스펜션은 4개의 길이 방향 링크로 차축의 앞뒤 방향의 위치를 잡아 주고, 가속 또는 제동에 의해 발생하는 차축의 토크하중을 제어한다. 뒤 차축의 횡방향 위치는 팬하드 바, 와트의 링크 혹은 유사한 장치를 이용해 제어한다. 4링크 시스템은 링크를 길게 할 수 있고, 안티-스쿼트가 아주 작을 때 최상으로 작동한다. 4링크 뒤 서스펜션에 안티-스쿼트 지오메트리를 썼다면 롤 언더스티어를 얻기 어렵다. 뒤 차축과 연관되어 차체가 롤링을 하려면 양쪽에 달린 링크가 평행을 유지해야 한다. 지오메트리를 다양하게 만들 수 없기 때문에 뒤 서스펜션 링크에 쓰지 않는 것이 좋다. 3링크: 3링크 뒤 서스펜션은 차축의 앞뒤 방향 위치를 잡기 위해 3개의 링크를 사용한다. 3링크 시스템을 쓰면 차축과 차 사이의 롤각을 제한하지 않고도 쉽게 최적의 롤 조향과 안티-스쿼트 특성을 얻을 수 있다. 짧은 서키트용 차는 주로 3링크 방식을 쓴다. 고성능차에서도 잘 작동하기 때문이다. 상하 링크를 뒤 차축 하우징에 고정시키는 브래킷의 높이는 통상적으로 차축 샤프트 중심선에서 12.5cm 정도 떨어져 있다. 더 짧게 만들 수도 있지만 이렇게 하면 링크에 걸리는 힘이 점점 커져 하임 조인트가 빠르게 마모된다. 길게 만들면 각 부품의 공간 배치가 문제된다. 7.5~17.5cm 정도가 무난하다. 이론적으로 3링크 뒤 서스펜션에서는 안티-스쿼트를 100% 이상 끌어낼 수 있지만 이 정도의 안티-스쿼트를 롤 언더스티어와 함께 얻기는 매우 어렵다. 링크 배열이 다르기 때문이다. 롤 언더스티어와 큰 안티-스쿼트를 함께 얻으려고 시도할 경우 스윙 암의 측면이 매우 짧아지며, 스윙 암이 너무 짧으면 제동 때 홉이 발생한다는 것을 기억하기 바란다. 3링크 뒤 서스펜션으로 롤 언더스티어를 얻으려면 로어 암의 앞쪽을 뒤쪽보다 낮게 설계해야 한다. 하지만 이렇게 하면 안티-스쿼트에는 역효과를 가져온다. 타협점은 있다. 로어 암을 지면과 평행하게 고정하여 롤 조향을 최소화하고 위쪽 암에 각을 주어 스윙 암의 측면을 충분히 길게 하면 된다. 출력이 낮거나 중간 정도인 차는 이 방식을 통해 좋은 결과를 얻을 수 있다. 고출력차의 경우, 조종 특성을 최적화할 때는 3링크 시스템이 서로 연관되지 않도록 해야 한다(이것을 디커플링이라고 한다). 디커플링 작용 때문에 뒤에서 설명할 토크 암 뒤 서스펜션에 관심을 기울여야 한다. 기울어진 암: 3링크나 4링크 뒤 서스펜션의 단점은 차축의 횡방향 위치를 조절할 장치가 필요하다는 것이다. 일반적으로 팬하드 바나 와트의 링크가 사용되며 둘 중 간단한 팬하드 바가 더 많이 쓰인다. 팬하드 바를 차축이나 섀시에 단단히 고정시키는 브래킷류는 무거울 뿐 아니라 공간을 많이 차지한다. 뒤 차축의 횡방향 위치를 제어하는데 필요한 여분의 링크는 4링크 시스템의 경우 2개의 링크에 경사를 주어 제거할 수 있다. 링크를 올바르게 배치하면 롤 조향이 좋아지면서도 안티-스쿼트 특성도 개선된다. 기울어진 암을 최상의 상태로 배치한 것을 새첼 링크 뒤 서스펜션이라고 부른다. 기울어진 암을 차축 아래쪽에 두고 앞 피봇은 차의 중심을 향하게 한다. 이 배열의 장점은 롤 중심이 낮고 안티-스쿼트 특성이 좋으며 차축 하우징의 양끝을 잘 지지한다는 것이다. 여분의 프레임 지지대도 필요 없다. 시스템이 간단해 여러 형식의 차에 잘 맞는다. 링크 형식 뒤 서스펜션 중에서 가장 뛰어난 구조가 새첼 링크다 토크 암 토크 암 뒤 서스펜션은 긴 암을 써서 뒤 차축의 토크 반력을 흡수한다. 다른 서스펜션 멤버는 뒤 차축의 길이나 횡방향 위치를 잡는데 필요하며 동시에 스프링 역할도 한다. 토크 암 뒤 서스펜션은 공간을 효과적으로 쓸 수 있어 성능향상을 위해 튜닝하기도 좋다. 서스펜션과 섀시의 상호 작용은 매우 복잡하여 광범위한 시험이나 개발을 거쳐야 최적의 성능을 얻을 수 있다. 토크 암 뒤 서스펜션 설계에서 중요한 요소는 앞에서 설명한 3링크와 동일하다. 1. 횡방향 위치와 낮은 롤 중심이 유지되어 일관되고 예측 가능한 조종성을 제공해야 한다. 2. 차축의 토크 반발력이 토크 암에 의해 흡수되므로 2개의 로어 암은 차축 중심 높이까지 올릴 수 있다. 2개의 암은 섀시 앞뒤에 구동력을 전달하는 일만 하기 때문이다. 이 링크를 올리면 구동력이 차축 하우징을 비틀지 못한다. 바깥 방향의 링크는 차축의 토크 반력을 흡수하지 않으므로 안티-스쿼트 성능에 별다른 영향을 끼치지 않는다. 즉 링크는 다른 요인과의 타협점을 찾을 필요 없이, 어느 정도 롤 언더스티어를 제공하도록 배치할 수 있다. 3. 토크 암의 최대 장점은 차축의 토크 반력을 흡수한다는 것이다. 토크 암은 별도의 ‘스프링 쇼크 업소버’ 유닛으로 섀시에 고정되는 단단한 멤버가 될 수도, 유연한 암이 될 수도 있다. 리즈(Reese) 바: 리즈 바 스프링 토크 암을 사용하면 하중이 섀시에 부드럽고도 점진적으로 작용한다. 유리섬유 등 다른 형태의 스프링도 사용할 수 있다. 스프링의 강성은 주어진 토크에 따라 차축 하우징 회전을 결정한다. 가속 때 토크 암의 역할은 드래그 레이싱에 사용되는 트랙션 바와 유사하다. 토크 암이 짧을수록 안티-스쿼트 양은 더 커진다. 암이 너무 짧으면 각도가 심하게 좁아져서 서스펜션의 상하운동의 자유도를 제한한다. 토크 암이 75cm 이하로 내려가지 않게 하는 것이 좋다. 토크 암을 올려도 안티-스쿼트의 크기는 크게 변하지 않는다. 디커플링(Decoupling): 토크 암이 섀시에 직접 연결되어 있으면 뒤 차축의 제동 토크로 인해 뒤 차축이 들린다. 토크 암의 드롭 링크를 중심으로 회전할 수 있기 때문이다. 이런 동작은 스윙 암의 옆면이 너무 짧을 때와 같다. 결국 제동 홉이 나타나게 된다. 제동 홉의 문제를 해결하려면 토크 암을 디커플링시켜 가속 때의 차축 토크가 토크 암에 의해 흡수되고 제동 때의 차축 토크는 다른 멤버에 의해 흡수되도록 하면 된다. 이렇게 하는 한 가지 방법은 토크 암의 앞쪽이 프레임과 연결되는 곳에서 위쪽 방향으로만 연결되도록 한다. 이러면 제동 때 프레임과 무관하게 되며 가속 때만 차축의 토크 반력을 프레임에 전달하게 된다. 중간에 고무 범퍼를 넣으면 토크 암이 프레임과 접촉할 때 충격을 완화시킬 수 있다. 제동 때는 토크 암의 연결이 끊어지므로 차축 토크를 흡수해 제동 홉을 제거하려면 또 다른 서스펜션 멤버가 필요하다. 해결 방법은 접이식 어퍼 링크를 장착하는 것이다. 그러면 제동 홉 특성 때문에 양보해야 했던 것을 더 이상 고려하지 않아도 되어 토크 암의 특성을 최적화할 수 있다. 접이식 어퍼 링크는 제동 토크 때문에 차축이 회전할 때 줄어들도록 배치하면 된다. 이렇게 되면 어퍼 링크는 단단한 고체 멤버가 되어 로어 링크와 더불어 매우 긴 옆면 스윙 암과 평행 링크를 만들게 된다. 긴 스윙 암은 제동 홉을 제거하며 두 가지 상황에서 최상의 결과를 가진다. 토크 암은 가속 때 차축 토크 반력을 흡수하며 짧은 길이로 인해 안티-스쿼트는 커진다. 접이식 링크는 제동 때 차축 토크 반력을 흡수하고, 유효 길이는 충분히 길어서 제동 홉을 예방할 수 있다. 부싱의 최적 스프링 계수를 찾아내고 전체 시스템에 대한 선하중(pre load)의 적절한 크기를 찾아내는 일 등은 시험을 거쳐야 한다. 과 같이 링크를 배열하면 올바른 셋업이 될 것이다.
시승기 완벽 이해 (하) 달리기는 제원표에 맡겨라 .. 2004-07-22
1. 굴림방식 굴림방식은 엔진의 힘이 어느 쪽 바퀴에 전달되는가에 따라 나뉜다. 앞이나 뒤에 달린 두 바퀴만을 돌려 차를 움직이면 2WD(2 Wheel Drive)라 하고, 앞뒤 어느 쪽이냐에 따라 앞바퀴굴림 또는 뒷바퀴굴림으로 나뉜다. 네 바퀴를 모두 굴리면 4WD(4 Wheel Drive) 혹은 AWD(All Wheel Drive)라고 한다. 4WD는 운전자가 수동으로 두 바퀴, 혹은 네 바퀴 모두에 동력을 전달하도록 조작하는 파트타임과 기계식 혹은 전자장비로 자동 조절하는 풀타임 방식이 있다. 2. 엔진 형식 실린더 수에 따라 : 피스톤은 실린더 안에 꼭 끼워진 상태에서 상하운동을 하며, 그 개수를 흔히 ‘기통’으로 표기한다. 자동차에는 보통 3∼16기통이 쓰인다. 실린더 수가 많을수록 진동이 적고, 배기량이 같을 경우 파워를 올리는 데 유리하다. 실린더 레이아웃에 따라 : 직렬은 여러 개의 실린더를 한 줄로 늘어놓은 레이아웃으로 ‘실키 식스’라 불리는 BMW의 6기통 엔진이 대표적이다. V형은 실린더를 두 줄로 나눠 V자를 만든 형태. V형을 두 개 겹친 W형도 있다. 수평대향 엔진은 실린더가 수평을 이루고 있는 것으로, 권투선수가 주먹을 부딪치듯 마주 움직인다고 해서 ‘복서 엔진’이라고도 한다. 스바루와 포르쉐 등 일부 메이커만 쓰고 있다. 마쓰다로 대표되는 로터리 엔진은 왕복 피스톤 대신 특수한 모양의 로터가 회전하는 색다른 구성이다. 3. 보어/스트로크 보어는 실린더의 지름을 말하고 스트로크는 피스톤이 아래위로 오르내리는 거리를 말한다. 스트로크가 보어보다 큰 것은 롱 스트로크, 반대는 숏 스트로크라 한다. 롱 스트로크는 토크를 내는 데 유리하지만 피스톤의 왕복 거리가 길어 고회전에서 불리하다. 피스톤의 왕복 거리가 짧은 숏 스트로크 엔진은 엔진회전수를 빠르게 높일 수 있어 스포츠카에 주로 쓰인다. 4. 압축비 피스톤이 공기를 압축하는 비율. 압축과정은 온도를 높여 쉽게 연소시키고 연소가스의 압력을 높이는 데 목적이 있다. 출력을 높이기 위해서는 압축비를 높여야 하지만 휘발유 엔진에서는 지나치면 이상연소가 일어나기 때문에 무한정 높일 수 없다. 보통 휘발유 엔진의 압축비는 7∼11이고, 디젤 엔진은 압축으로 공기를 뜨겁게 만든 뒤 그 열로 연소를 일으키기 때문에 좀더 높은 15∼22 정도이다. 5. 서스펜션 서스펜션은 차의 무게를 받쳐주고 타이어 접지 면에서의 충격을 흡수하는 장치로 승차감을 좌우한다. 또한 바퀴와 노면 사이에 생기는 구동력, 제동력, 횡력 등을 차체에 전달해 운전자의 의도대로 안정되게 달릴 수 있도록 조종안정성을 유지한다. 서스펜션은 탄성을 지닌 스프링, 스프링의 움직임을 제한해 충격을 흡수하는 쇼크옵소버, 바퀴의 움직임을 제어하는 암이나 링크로 구성되어 있다. 6. 브레이크 자동차의 속도를 줄여 멈추게 하는 브레이크는 드럼과 디스크 타입이 일반적이다. 드럼 브레이크는 휠과 함께 회전하는 드럼의 안쪽에 마찰재를 댄 브레이크 슈를 달고, 이를 드럼에 압착시킴으로써 제동력을 얻는 구조다. 디스크 브레이크는 휠에 연결된 원판형의 디스크에 마찰재를 덧댄 브레이크 패드를 달아 양쪽에서 조여줌으로써 회전을 멈춘다. ‘V디스크’`라고 부르는 벤틸레이티드 디스크 브레이크는 디스크 마찰 면 혹은 둘레에 방사형으로 통풍 구멍을 뚫어 마찰로 생기는 높은 열을 효과적으로 식힌다. 7. 타이어 타이어의 사이즈는 보통 ‘255/45 ZR18’등의 방식으로 표시한다. 맨 앞의 숫자 255는 트레드(타이어가 노면에 맞닿는 면)의 너비(mm), 45는 편평비로 트레드 폭과 사이드월(타이어의 옆면) 부분의 비율을 말한다. Z는 한계속도로 시속 240km 이상 견디는 것을 말한다. R은 래디얼 타이어의 이니셜, 18은 휠의 사이즈(인치)를 나타낸다. 8. 트랜스미션 형식 변속기라고 불리는 트랜스미션은 엔진에서 나오는 힘의 크기를 조절하는 장치라고 할 수 있다. 힘 조절은 기어가 담당하고 몇 개의 기어 조합이 있는가에 따라 단수가 나뉘게 된다. 수동 변속기(MT, Manual Transmission)는 클러치로 엔진과 변속기의 동력을 끊은 뒤 시프트레버를 움직여 기어 조합을 바꾸는 방식. 자동 변속기(AT, Automatic Transmission)는 유체식 토크 컨버터와 유성기어를 통해 클러치 없이도 모든 변속 동작을 자동으로 처리한다. 9. 토크/마력 토크는 엔진의 회전력을 말하고 출력을 나타내는 마력은 그 회전력으로 한 일의 양을 나타낸다. 다시 말해 토크는 엔진의 힘을 나타내고, 마력은 엔진이 얼마나 많은 일을 할 수 있는가를 나타낸다. 최대토크는 폭발에너지를 받은 피스톤이 크랭크축을 돌리는 순간의 최대 힘을 말한다. 최대출력은 엔진이 할 수 있는 최대한의 일의 양을 말한다. 10. 기어비 트랜스미션은 기어를 통해 엔진 회전력을 감속시켜 바퀴에 전해주고, 그 감속 비율을 기어비라 한다. 다시 말해 변속기의 입력 축(엔진의 크랭크샤프트)과 출력 축(변속기의 프로펠러 샤프트)의 회전수 비율을 말한다. 보통 낮은 단수일수록 기어비가 커서 힘이 좋은 대신 속도는 떨어지고, 높은 단수는 기어비가 작아 힘이 약해지는 대신 속도를 내는 데 유리하다.
엔진의 배기과정(Ⅱ) 2004-07-14
지난호에는 배기가스가 엔진을 빠져 나오기까지 과정을 살펴보았다. 배기밸브를 통해 실린더를 벗어난 배기가스는 엔진의 배기포트를 통해 엔진 밖으로 빠져 나가고, 이들 배기가스는 배기 매니폴드에서 모여 컨버터(converter)로 보내진다. 컨버터의 구조 컨버터는 배기가스의 성분을 바꾸어주는 장치를 말한다. 정식용어는 캐털리틱 컨버터(catalytic converter)이고 우리말로는 촉매장치다. 불완전 연소가스인 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO)를 완전연소시키고, 질소산화물(NOX)을 없애는 역할을 한다. 실린더에서 완전연소되지 못한 배기가스가 저절로 완전연소되기를 기대하기는 힘들다. 그래서 컨버터 속에는 완전연소를 돕기 위한 촉매가 들어 있다. 그래서 촉매장치라는 말이 생겼다. 촉매로 주로 쓰이는 백금(platinum)과 팔라듐(palladium)은 탄화수소와 일산화탄소를 연소시키고, 로듐(rhodium)은 산화질소에서 산소와 질소를 분리시킨다. 한번에 탄화수소, 일산화탄소, 산화질소를 없앤다는 뜻으로 삼원(three-way)촉매장치라고 한다. 백금이라는 소재만 보아도 촉매장치가 꽤 비쌀 것이라는 짐작이 가능하다. 차값의 2∼3% 정도다. 자동차란 게 원래 비싼 제품이긴 하지만 배기가스를 줄이는데도 만만치 않은 비용이 드는 셈이다. 컨버터는 벌집 모양의 구조로 되어 있다. 모세관 같은 작은 통로를 다발로 묶어 놓은 모양이다. 컨버터에 도달한 연소가스는 이 수만 개의 작은 통로를 통해 컨버터를 통과한다. 연소가스가 지나는 통로는 육각형처럼 생겼고, 육각형 통로가 다발로 묶여 있어서 앞에서 보면 벌집 모양이다. 배기가스가 지나가는 통로가 이 벌집 모양 구조물 때문에 좁아지지 않도록, 컨버터의 전체 단면적은 배기파이프보다 크게 설계된다. 컨버터의 덩치가 커지는 이유다. 이밖에도 배기가 원활히 이루어지려면 통로의 벽이 얇아도 견고한 구조를 지니는 것이 필요하다. 현재로서는 벌집구조가 이런 상황에 가장 맞는 것으로 알려져 있다. 배기 시스템의 끝은 차체 뒤쪽에 둔다. 따라서 엔진이 앞에 있는 프론트 엔진(front engine)방식에서 배기 시스템은 앞의 엔진룸에서 차체 뒤로 길게 뻗게 된다. 엔진의 배기 매니폴드에 파이프로 이어진 컨버터는 운전자와 동승자의 무릎과 무릎 사이쯤에 놓이는 것이 보통이다. 컨버터의 온도 연소실의 폭발온도는 약 2천 도에 이르고 배기가스가 실린더를 빠져 나올 때의 온도는 1천 도를 넘는다. 엔진을 빠져 나온 배기가스는 컨버터에 도달하기 전에 차가운 대기온도에 잠시 식는다. 하지만 엔진이 충분히 예열된 후에도 컨버터에 도달하는 배기가스의 온도는 800도 정도를 유지한다. 컨버터에서 배기가스는 미처 타지 못한 가스를 태우고 오염 없는 신선한 상태가 되어 컨버터를 빠져나간다. 이것이 컨버터가 뜨거울 수밖에 없는 이유다. 활발하지는 않지만 컨버터 속에서는 연료와 산소의 결합이 이루어진다. 즉 불이 붙고 있다는 얘기다. 엔진 속에서의 혼합가스 폭발을 핵폭탄에 비유한다면 컨버터 속에서의 연소는 다이너마이트 정도다. 작은 양이지만 연소가 되기 위해서는 최소한의 온도가 유지되어야 한다. 이를 위해서 엔진에서 쏟아져 나오는 배기가스의 열기를 십분 활용하는 것이 좋다. 그래서 컨버터는 배기가스가 미처 식기 전에 작업할 수 있도록 최대한 엔진에 가깝게 달린다. 최근에는 배기 매니폴드와 직접 연결될 정도로 엔진에 바짝 붙인 형태도 많이 볼 수 있다. 엔진이 충분히 달궈지기 전에는 배기가스의 온도가 그리 높지 않다. 따라서 일부 차에는 엔진이 시동된 지 얼마 지나지 않은 때 의도적으로 컨버터를 가열하기 위한 장치가 있다. 뜨거워야 제대로 작동하는 컨버터의 열기는 여러 겹의 열차단막으로 보호된다. 컨버터의 열기가 엔진룸으로 빠져나가는 것을 막고, 컨버터가 식는 것을 막기 위해서이다. 컨버터는 휘발유속에 섞인 납에 치명적이다. 납이 섞인 배기가스는 컨버터의 모세관에 쌓여 배기 시스템의 숨통을 꽉 막아버린다. 점화장치의 실화(失和)로 휘발유 가스가 여과 없이 흘러 들어오는 것도 마찬가지이다. 꽉 막힌 컨버터는 매연을 일으킬 뿐 아니라 엔진의 출력과 연비를 떨어뜨린다. 배기압 엔진 힘의 일부분은 배기가스를 밀어내는 데 사용한다. 흡입, 압축, 폭발, 배기에서 힘을 얻는 것은 폭발할 때뿐이란 것을 생각하면 피스톤이 네 번 움직일 때 세 번은 다른 실린더의 힘을 빼앗는 셈이다. 그 정도는 압축할 때가 가장 크지만 흡입할 때와 배기가스를 밀어낼 때 드는 힘도 무시할 수 없다. 배기가스를 밀어내는 데 드는 힘은 배기 시스템에서 생기는 압력과 관련된다. 이 압력은 엔진이 배기가스를 쉽게 밀어내지 못하도록 하는 반작용의 힘으로 작용한다. 그래서 이 압력을 백프레셔(back pressure), 배기압이라 부른다. 배기 시스템에서 배기가스가 잘 빠져나가지 않으면 배기압이 커지고 엔진 힘이 낭비된다. 차의 바닥 아래, 배기 매니폴드로부터 맨 뒤의 머플러까지 길게 내뻗어 연결된 배기 시스템은 굴곡이 거의 없도록 설계된다. 급하게 구부러진 파이프를 연소가스가 통과하기는 쉽지 않기 때문이다. 컨버터나 머플러가 낡아 이물질이 많이 끼었을 때뿐 아니라 속도가 올라갈수록 이 배기압은 커진다. 고회전에 적합하도록 개발된 엔진일수록 배기 시스템에 신경을 쓰고, 고회전만을 사용하는 자동차경주에서 배기 시스템이 튜닝 목록 1호로 꼽히는 이유다. 엔진은 실험실에서 테스트를 받을 때와 실제 차에 달렸을 때 환경의 차이를 감지한다. 배기 시스템에서 생기는 배기압은 엔진의 실효출력에 약간의 손해를 끼친다. 그래서 실험실에서 밝힌 엔진의 출력과 실제로 느끼는 엔진 힘에는 약간의 차이가 생길 수 있다. 이때의 차이가 5∼10% 정도로 잘 튜닝된 배기 시스템이 극복할 수 있는 한계인 셈이다. 이 수치의 차이가 오해를 불러일으킬 수 있다. 오해를 막기 위해 실험실 수치를 그로스(gross)로, 모든 배기 시스템을 단 후 측정한 수치를 네트(net)로 구별한다. 총마력, 실마력 따위의 용어가 이래서 필요한 것이다. 머플러 컨버터를 통과한 배기가스는 배기 파이프를 통해 머플러로 가기 전에 레조네이터(resonator)를 지난다. 속칭 이 공명장치를 ‘중간 머플러’라고 한다. 레조네이터에서 엔진 폭발음의 거친 숨결을 죽인 배기가스는 배기 파이프를 통해 머플러로 곧장 보내진다. 컨버터-레조네이터-머플러의 순서가 반드시 절대적으로 지켜지는 것은 아니다. 여러 가지 설계변수를 고려해 변경될 수 있다. 머플러를 배기가스 정화장치로 이해하는 사람들이 많지만, 머플러는 사실 소음을 줄이는 장치다. 소음도 공해의 일종이기에 전혀 틀린 말은 아니지만 공기의 오염과는 큰 상관이 없다. 우리말로는 소음기(消音器)라 하고 영국에서는 사일런서(silencer)로 부른다. 머플러의 디자인은 메이커마다 각양각색이다. 머플러 속이 원통 하나로 직선으로 연결된 것은 카 매니아에게 낯익은 메커니즘이다. 보통 승용차에 달리는 머플러는 여러 개의 파이프로 구성되어 있다. 배기가스는 머플러 속까지 박힌 배기 파이프에 무수히 뚫린 작은 구멍들로 새어나간다. 유식한(?) 말로 디퓨전(diffusion)이라고 한다. 그래서 머플러 속에 배기가스가 넘치면 테일 파이프에 뚫린 구멍을 통해 공기 중으로 배출한다. 이 과정에서 대부분의 소음이 죽는다. 카 매니아라고 해도 머플러 속에 꼬불꼬불한 파이프가 들어있는 것으로 알고 있는 이가 많다. 그리고 내장처럼 뒤틀린 파이프를 유리섬유가 감싸 소음을 줄이고 뒤틀린 파이프가 배기 저항을 일으킨다고 생각한다. 그래서 차를 잘 나가게 하려면 무조건 머플러부터 원통형으로 바꾸어야 한다는 선입관에 사로잡혀 돈을 쏟아 붓기도 한다. 원통형 머플러는 배기압을 줄이는데 분명히 유리하지만 일반적인 구조의 머플러에 크게 앞설 정도는 아니다. 엔진을 지나는 공기가 겪는 평지풍파에 관해 몇 달간 살펴보았다. 쉽게 설명하려 했지만 이해가 어려운 것도 있었을지 모르겠다. 지면상 내용을 줄인 것도 많다. 다음달부터는 매연을 줄이는 갖가지 장치들에 관해 살펴보자.
공랭식 엔진의 특징과 역사 ①개요- 간단한 구조로 .. 2004-07-13
엔진은 연료와 공기를 섞은 혼합기를 폭발시키면서 얻은 힘을 회전력으로 바꾸는 기계다. 이 폭발에서 생기는 2천500도 이상의 열을 적당한 수준으로 식히지 않으면 엔진의 소재인 금속이 늘어나거나 녹아 망가지게 된다. 그래서 모든 엔진은 열을 식히기 위한 냉각장치를 갖고 있는데, 냉각방식은 공랭식과 액랭식(유랭식 또는 수랭식)으로 나뉜다. 지금은 거의 모든 자동차용 엔진이 수랭식이지만, 100여 년의 자동차역사에서 공랭식 엔진이 차지하는 비중은 결코 가볍지 않다. 수랭식 엔진은 실린더 주변을 물이 순환하면서 열을 식히고, 뜨거워진 물은 라디에이터를 지나면서 온도가 내려가 다시 실린더를 식히는데 쓰인다. 이를 위해 물을 순환시키는 펌프와 라디에이터, 실린더 주변의 물이 지날 수 있는 통로가 반드시 필요하다. 그러나 공랭식 엔진은 이런 장치와 구조없이 실린더의 열을 식히기 위해 공기를 이용한다. 일반적으로 냉각효율을 높이기 위해 실린더에 공기와 접촉하는 면적을 넓혀주는 얇은 판(방열 핀)을 촘촘히 배열한다. 1920년대 이후 자동차에 본격적으로 쓰여 간단한 구조로 고장이 적고 추위에도 강해 공랭식 엔진은 이런 특성 때문에 작고 가벼울 뿐 아니라 구조가 간단하다. 또한 고장이 적고 다루기가 편리하다. 특히 냉각수가 얼 염려가 없어 추운 지역이나 겨울철에 사용하기 좋다. 그러나 실린더 블록이 노출되어있기 때문에 엔진회전수가 빠를수록 시끄럽고 진동이 크다. 또한 실린더의 온도를 일정하게 유지하기 힘들고 더운 지역이나 냉각이 충분히 이루어질 만큼 공기가 닿지 않을 때에는 과열되기가 쉽다는 단점도 가지고 있다. 여러 장점들을 가지고 있지만 엔진이 크고 성능이 높을수록 효율이 떨어지기 때문에 공랭식 엔진은 주로 작은 배기량의 소형차나 모터사이클에 쓰였다. 크고 성능이 높은 엔진의 냉각효율을 높이기 위해 실린더 주변을 막고 강제로 공기를 불어넣는 강제공랭식 엔진도 개발되었지만, 구조가 복잡해지면서 정비성이 떨어지고 무거워져 공랭식 엔진만의 장점이 많이 사라졌다. 공랭식 엔진이 자동차에 본격적으로 쓰여지기 시작한 것은 서양에서 자동차가 대중화되기 시작한 1920년대 이후의 일이다. 여러 메이커들이 싼값의 소형차를 내놓으면서, 설계와 제작비가 적게 드는 공랭식 엔진을 많이 사용했다. 특히 소형차 문화가 일찍부터 꽃피기 시작한 유럽에서 더 폭넓게 쓰였다. 공랭식 엔진으로 유명한 메이커는 폭스바겐과 포르쉐지만, 이들보다 한 발 앞서나간 메이커는 체코의 타트라였다. 원래 수랭식 엔진을 얹은 차를 만들었던 타트라는 1923년 선보인 T11 모델부터 공랭식 엔진을 쓰기 시작했다. 수평대향 2기통 엔진을 뒷바퀴 뒤쪽에 얹은 형태는 이후 포르쉐가 영향을 받아 비틀의 설계에 참고한 것으로 알려져 있다. 1933년에 선보인 T77에는 공랭식 V8 엔진을 얹었고, 이 엔진의 기본설계는 이후 1996년에 타트라의 마지막 모델인 T700이 선보일 때까지 오랜 세월 영향을 미쳤다. 폭스바겐 비틀, 가장 유명한 공랭식 엔진 차 2차대전 후 유럽·일본 소형차에 많이 쓰여 페르디난트 포르쉐가 설계했고 가장 유명한 공랭식 엔진 승용차로 꼽히는 폭스바겐 비틀은 1938년에야 모습을 드러냈다. 비틀은 이듬해 2차대전이 벌어지면서 잠시 역사의 뒤편으로 물러났지만, 비틀의 설계를 바탕으로 만들어진 퀴벨바겐과 슈빔바겐 등 군용차로 유럽의 전장을 누볐다. 이들은 냉각계통이 망가질 염려가 없어 총탄을 맞고도 달릴 가능성이 수랭식 엔진 차보다 높다는 평가를 받았다. 포르쉐는 전쟁 중 전차용으로 쓸 대형 디젤 엔진도 공랭식으로 설계하는 등 공랭식 엔진에 욕심을 부렸다. 전쟁이 끝난 뒤 비틀은 전세계적으로 큰 인기를 끌면서 독일의 경제부흥을 주도했다. 1961년 1500을 시작으로 411과 412 등 새로운 대체 모델들이 선보이는 동안, 수평대향 4기통 공랭식 엔진으로 뒷바퀴를 굴리는 설계는 꾸준히 이어졌다. 1969년 K70, 1973년 파사트, 1974년 골프가 등장하면서 수랭식 엔진이 자리를 잡기 시작했지만 상용차인 트랜스포터/바나곤은 1990년 4세대 모델이 등장할 때까지 공랭식 엔진을 썼다. 폭스바겐뿐 아니라 유럽의 다른 메이커들도 소형차에는 대부분 공랭식 엔진을 얹었다. 2차대전 이후 큰 인기를 얻은 르노 4CV, 시트로엥 2CV, 피아트 누오바 500 등이 모두 공랭식 엔진 차들이다. 특히 피아트 누오바 500은 비틀 못지 않은 성공작이고, 뒤를 이어 등장한 600과 126도 오랫동안 피아트 공랭식 엔진 소형차의 맥을 이었다. 공랭식 엔진에 욕심을 부린 것은 포르쉐뿐만이 아니다. 혼다의 창업자 혼다 소이치로는 공랭식 엔진의 포뮬러 1 경주차로 좋은 성적을 거두며 공랭식 엔진에 자신감을 갖게 된다. 경차 N360의 성공과 함께 그 자신감은 더욱 굳어졌다. 그러나 승용차용 엔진으로는 한계가 있다고 주장한 엔진개발 책임자와 불화를 일으킨 뒤(본지 6월호 강명한 칼럼 참조) 혼다는 공랭식 엔진의 한계를 인정했고, 결국 1969년 내놓은 P1300을 마지막으로 혼다 승용차에서 공랭식 엔진 자취를 감추었다. 혼다뿐 아니라 1950년대 중반 통산성의 국민차 계획에 따라 만들어진 일본의 경차들도 공랭식 엔진을 썼다. 국민차 계획의 첫 결실이었던 스바루 360은 공랭식 2행정수평대향 2기통 16마력 356cc 엔진을 얹고 1958년 선보였다. 이후 등장한 스즈키 스즈라이트, 미쓰비시 미니카 등은 물론, 도요타 퍼블리카와 같은 소형차들도 공랭식 엔진을 썼다. 이들은 1960년대 후반에서 1970년대 초반 사이에 대부분 수랭식 엔진으로 바뀌었다. 일찌감치 수랭식 엔진이 자리를 잡은 미국에도 공랭식 엔진 차는 있었다. 1898년 존 윌킨슨이 개발한 공랭식 4기통 엔진을 바탕으로 1902년부터 고급차를 만든 프랭클린이 대표적인 브랜드다. 생산대수는 많지 않았지만, 대공황의 여파로 1934년 생산을 중단하기까지 코치빌더가 차체를 만드는 전형적인 고급차의 생산방식으로 명성을 얻었다. 공랭식 엔진은 오랜 세월 자동차의 경제적인 동력원으로 인기를 끌었지만, 시대흐름에 따른 소비자의 요구와 수랭식 엔진의 발전으로 인해 점점 자취를 감추게 되었다. 최근에는 모터사이클도 고회전을 많이 쓰는 고속형 엔진을 얹으면서 유랭식이나 수랭식으로 바뀌고 있는 추세다.
앞뒤 서스펜션 만들기 부품의 강도, 무게의 타협점을.. 2004-06-25
제8장 앞 서스펜션 만들기 앞 서스펜션의 설계에 대해서는 지난 호에 다루었다. 하지만 공학적인 평가와 분석이 완전히 끝난 것은 아니다. 앞 서스펜션 부품을 조립할 때 하나 하나의 부품을 살펴 강도가 충분하면서 최소한의 무게를 지니는지를 체크해야 한다. 실험을 통해 확인하기 전에는 강도가 충분한지 확신할 수 없으므로 타협점을 찾아야 한다. 바로 이런 특성 때문에 경험이 중요하다. 부품이 내구레이스를 충분히 견뎌낸다면 안심하고 차에 응용할 수 있을 것이다. 타이어&휠 타이어는 앞 서스펜션과 관련된 어떤 부품보다도 차의 조종성능에 많은 영향을 미친다. 이 때문에 섀시 엔지니어링의 기초 제1장(2003년 11월호 참고)에서 타이어를 별도로 다루었다. 휠은 앞 타이어의 스크럽 반경을 줄이기 위해서 오프셋이 0이거나 양(+)인 제품을 사용한다. 0의 오프셋은 휠의 고정면이 타이어의 중심선과 일치하는 것을 의미한다. 10인치 휠은 플랜지 주변에서는 실제로 11인치가 되므로 오프셋이 0인 경우 뒤 공간(backspacing)이 5.5인치가 된다. 뒤 공간은 휠 고정 면에서 플랜지 가장자리 안쪽까지의 거리를 말한다. 휠의 오프셋이 +1.0인치면(즉 고정면이 휠 중심선보다 바깥쪽이면) 백스페이싱은 6.5인치가 된다. 에 백스페이스와 오프셋을 표시했다. 너클, 허브 차 앞쪽의 무게를 줄이기 위해 주조 스테인리스 스틸로 된 너클과 허브를 사용할 수 있다. 강도가 뛰어나고, 단면을 얇게 주조해 견고하면서 가볍게 만들 수 있다. 베어링과 실을 포함한 너클 및 허브 구조물의 무게가 9kg이 안된다. 이런 너클 설계는 허브를 휠 안쪽으로 깊숙이 집어넣을 수 있어서 스크럽 반경을 줄이고 조향성을 개선할 수 있다. 고정 브래킷은 주조 너클에 일체로 만들어 브레이크 캘리퍼와 냉각용 호스를 고정하는데 쓰기도 한다. 2중 조향 암도 일체식으로 만들어 앞 조향/ 뒤 조향의 앞 서스펜션에 사용할 수 있다. 휠과 브레이크 파일럿 앞 허브는 너클 안쪽에서 회전을 하므로 휠 파일럿, 휠 스페이서(spacer), 브레이크 로터(rotor) 고정 햇(hat)이 하나로 된 것을 사용할 수 있다. 이 부품은 설계를 단순화하고 중량도 어느 정도 줄일 수 있다. 휠 오프셋과 트랙 길이를 다양하게 할 수 있으며 깊숙한 허브 공간의 활용범위도 넓다. 기본 모형을 이용해 임의의 직경을 가진 로터 파일럿을 얼마든지 제작할 수 있다. 컨트롤 암 위, 아래 컨트롤 암은 최대한 단단하게 만들어야 한다. 볼 조인트는 품질이 검증된 것이어야 하고 컨트롤 암에 정확하게 연결되어야 한다. 부싱의 변형과 그것이 조종성에 미치는 영향은 제4장(2004년 2월호 참고)에서 설명했다. 컨트롤 암을 섀시에 고정시킬 때는 견고한 브래킷을 써야 한다. 컨트롤 암 브래킷이 유연하면 급격히 선회할 때 컨트롤 암에 하중이 많이 걸려 변형 또는 진동이 생긴다. 또 프레임 앞쪽은 하중을 받아도 변형이 생기지 않아야 한다. 구조물이 삼각형이 되도록 주의를 기울여야 한다. 다음 기회에 견고한 프레임 구조물을 만드는 방법을 설명하겠다. 스프링, 쇼크 업소버, 자운스 범퍼 지난 호에 소개한 샘플 배치도에서처럼 휠 이동거리가 20cm가 되려면 쇼크 업소버는 12.5cm 움직여야 한다. 이로 인해 늘어난 쇼크 업소버는 40cm가 된다. 스프링, 쇼크 업소버, 자운스 범퍼는 감쇄수준이 다양하고 양끝에 로드앤드(rod-end) 장치가 달린 제품도 있다. 쇼크 업소버는 레이싱 때 성능이 떨어지는 것을 막기 위해 가스실(gas-cell)이 필요하다. 코일 스프링이 씌어져 있는 쇼크 업소버도 다양하게 나와 최적의 셋업을 찾는 과정에서 시험을 해볼 수 있다. 좋은 쇼크 업소버는 자운스 범퍼를 포함하는데, 가변계수가 뛰어난 부드러운 스프링 사용이 가능하다. 자운스 범퍼를 사용하면 심한 범프에도 서스펜션이 바닥을 치지 않는다. 서스펜션이 압축되어도 가변 계수 스프링이 움직이기 때문이다. 자운스 범퍼는 서스펜션이 심한 범프를 매끄럽게 통과할 수 있게 해주고, 정상 상태에서는 부드러운 스프링 계수를 유지시켜 준다. 자운스 범퍼가 없을 경우 서스펜션과 섀시가 부딪치지 않도록 스프링 계수가 매우 높아야 한다. 자운스 범퍼는 서스펜션이 압축될 때 작동한다는 점을 알고 있어야 한다. 조향 시스템 조향 시스템은 극한 상황에서 운전자가 느끼는 안락함과 연관이 있으므로 매우 정밀해야 한다. 훌륭한 조향 시스템을 고르기 위해서는 다음과 같은 사항을 고려해야 한다. 앞뒤 조향: 앞 조향은 조향 암이 차축 중심선의 앞에 있다는 뜻이며 뒤 조향은 반대의 의미다. 프레임 고정점을 포함해 조향 시스템의 모든 부품이 견고하고 유격 없이 만들어진다면 조향 방향에 상관없이 운전자의 입력 및 반응은 늘 같을 것이다. 그러나 실제 상황은 다르다. 부품에 유격이 있고, 하중을 받으면 휘거나 변형된다. 이는 차의 특성에 지대한 영향을 미친다. 이런 변형이 차의 조향에 어떤 영향을 주는지를 알면 코너를 안락하게 선회하는 차를 만들 수 있다. 대체로 앞 조향 차는 운전이 더 편한 느낌을 갖는다. 컨트롤 암(조향 기어보다 하중을 더 받는다)의 변형이 약한 언더스티어를 나타내기 때문이다. 운전자가 쉽게 적응할 수 있어 편안한 느낌을 받게 된다. 랙&피니언, 웜/섹터: 두 조향 시스템이 하중을 충분히 이겨낼 만큼 견고하면 운전자는 랙/피니언과 웜/섹터 조향장치 사이에서 차이점을 느끼지 못한다. 둘은 기어박스에 지나지 않아 적절한 상태일 경우 어느 쪽이 더 낫다고 할 수 없다. 랙/피니언 조향장치가 웜/섹터보다 20kg 이상 무게를 줄일 수 있어 유리하다. 조향기어 고정: 앞 조향이나 뒤 조향, 수동 혹은 동력 조향, 랙/피니언과 웜/섹터에 관계없이 조향기어 고정장치는 ‘견고함’이 매우 중요한 요소다. 랙/피니언 조향장치에 고무 고정장치 차단제를 사용한다면 단단한 것을 쓰도록 한다. 기어가 고정된 부분의 섀시 프레임이 휜다면 그곳을 보강해야 한다. 조향기어가 하중을 받아 움직이면 예측한 것과는 다른 방식으로 차가 움직이게 되어 운전자는 안락감을 가질 수 없다. 차를 평탄한 곳에 주차해 놓고 조향 휠을 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝까지 돌리면서 조향기어의 고정장치가 충분히 견고한지 시험해 보면 된다. 프레임이 휘고 조향기어가 하중을 받아 움직이면 고정장치를 더욱 견고하게 만들어야 한다. 스테빌라이저 바, 링크 부드러운 스프링 계수, 낮은 롤 중심의 이점을 살리려면 앞 서스펜션은 롤 각 제한을 위해 효과적인 스테빌라이저가 필요하다. 롤 각을 제한하면 캠버 게인을 키우지 않아도 되어 긴 스윙 암을 사용할 수 있다. 스윙 암이 길어지면 부드러우면서 일관성 있는 운동전환이 가능하다. 앞 스테빌라이저 바를 만들 때는 다음의 요소를 고려해야 한다. 바 직경: 스테빌라이저 바의 비틀림 강성은 지름의 4제곱에 비례해 증가한다. 즉 바의 직경이 3cm이면 직경 1.5cm의 바보다 비틀림 강성이 16배 높다. 직경은 크게 하면서 속이 비어 있는 튜브 형태를 사용하면 가벼우면서도 고강성을 얻을 수 있다. 만들기가 쉬운 것도 장점이다. 레버 암 길이: 레버 암의 길이가 짧아지면 스테빌라이저 바의 비틀림 강성이 높아진다. 즉 레버 암이 15cm면 30cm에 비해 강성이 2배 높다. 레버 암의 길이는 현실적으로 너무 짧게 만들 수 없다. 너무 짧아 모가 나면 서스펜션이 완전한 운동을 할 수 없다. 링크, 고정장치: 스테빌라이저가 아무리 견고해도 링크와 고정장치가 완전하지 않으면 아무런 효과가 없다. 서스펜션에 바로 전달되지 않는 스테빌라이저 바의 움직임은 소용이 없어 효력을 발휘하지 못한다. 타이로드 엔드를 링크로 사용하고, 스테빌라이저 바를 프레임에 고정시키는데 알루미늄 블록과 나일론 슬리브를 쓰는 것도 괜찮다. 고정위치: 스프링이 컨트롤 암에 작용하는 위치에 따라 휠 계수 대 스프링 계수 비율이 결정되는 것처럼 스테빌라이저 바의 효율성도 링크가 컨트롤 암의 어느 부위에 고정되는 지와 관계가 깊다. 링크 고정점이 아래 컨트롤 암의 볼 조인트에 가까울수록 스테빌라이저 바의 효율성은 증가한다. 가능하면 바짝 붙여야 전체 시스템을 최대한 효과적으로 만들 수 있다. 제9장 일체식 차축 뒤 서스펜션 설계 일체식 차축 뒤 서스펜션은 두 개의 휠이 견고한 차축에 고정되어 있는 것을 말한다. 전체 축이 하나인 것처럼 움직이고 한 쪽 휠이라도 둔덕을 넘어가면 전체 축이 움직여 일체식이라고 부른다. 일체식 뒤 차축은 굴림방식에 상관없이 사용할 수 있다. 단 뒷바퀴굴림 차에는 디퍼렌셜이 필요하다. 일체식 차축의 장점은 단순성과 견고성이다. 비용이 저렴하고 설치하기 쉽다는 뜻이다. 오랜 역사 덕에 올바른 작동법에 대한 정보가 많다는 것도 장점이다. 바르게 설계되고 개발된 일체식 차축은 어설픈 독립식 서스펜션보다 더 뛰어난 성능을 낸다. 비포장 도로에서도 매끄럽게 움직인다. 포장도로에서는 독립식 서스펜션의 장점을 찾기가 쉽지 않다. 1980년대 미국에서는 경주차에 일체식 차축이나 독립식 뒤 서스펜션 중에 아무 것이나 사용할 수 있게 했다. 경주차들은 비교적 매끄러운 트랙을 달렸으며 그로 인해 독립식 뒤 서스펜션을 가진 차도 눈에 보이는 성능차이가 나지 않았다. 단점으로는 각각의 뒷바퀴가 울퉁불퉁한 노면을 따라가지 못한다는 점이다. 이런 결점의 큰 요인은 ‘차동장치’라는 스프링 하중량 때문이다. 일부 차는 ‘드디옹’ 서스펜션을 사용한다. 이것은 ‘U조인트’로 된 구동축을 가진 일체식 뒤 차축으로, 차동장치를 섀시에 설치해 스프링 하중량의 문제를 해결했다. 이 시스템은 일반적인 독립식 뒤 서스펜션보다 더 복잡해 최근에는 거의 사용되지 않는다. 일체식 차축 뒤 서스펜션이 최선의 선택은 아니지만 평탄한 길에서 원활하게 작동할 수 있도록 만들 수는 있다. 또한 지금까지 꾸준히 개발되어 설치하기도 쉽다. 설계 요구사항 다양한 모양의 일체식 차축 서스펜션과 장단점을 짚기에 앞서 설계 기준을 평가하는 것이 좋다. 선별작업을 쉽게 마치기 위해서다. 일체식 차축을 이용한 뒤 서스펜션 설계에는 다양한 방법이 있다. 횡방향 제어와 롤 중심 높이 횡방향 제어는 뒤 서스펜션이 상하로 움직이는 동안 뒤 차축이 섀시와 횡방향으로 어떻게 정렬 상태를 유지하는 지 가리킨다. 제어법은 여러 가지가 있으며 아래 방법이 비교적 많이 사용되고 있다. 팬하드 바(Panhard Bar): 팬하드 바는 단순한 링크로서 축과 프레임을 연결해 뒤 차축의 횡방향 위치를 제어하는 것이다. 구조가 단순하며, 효과적이고 가벼운 것이 장점. 단점은 길이가 최대한 길어야 선회운동궤적이 만드는 원호에 의해 발생할 수 있는 횡방향 변동을 최소화시킬 수 있다. 어느 정도의 횡방향 변동은 차의 선회능력에 역효과를 보이지 않지만, 운전자에게는 효과가 있는 것처럼 느껴져 드라이빙 능력에 영향을 준다. 길이가 긴 팬하드 바를 사용할 경우 차동장치를 피해야하므로 브라켓의 길이도 길어져야 한다. 긴 브라켓을 튼튼하고 가볍게 만드는 것은 공학도의 과제다. 팬하드 바를 사용하는 뒤 서스펜션의 롤 중심은 바가 축에 고정되는 높이와 같은 곳에 있다. 뒤쪽에서 롤 중심이 낮게 되면 차의 조종성이 일관성을 가질 수 있게 되므로 팬하드 바를 낮게 고정하는 것이 좋다. 와트의 링크(Watt's Linkage): 와트의 링크는 팬하드 바 형식에서 나타나는 횡방향의 아주 작은 변형을 없앨 수 있다. 차축의 제어를 일직선 위에서 하기 때문에 설계 관점에서 바람직한 시스템이다. 그러나 더 복잡하고, 롤 중심 높이가 주 피봇점에 위치해 메커니즘을 최적의 높이에 배치하기 어렵다. 또 롤 중심의 높이를 바꾸려면 전체 메커니즘을 움직여야 하므로 여러 어려움이 따른다. 와트의 링크를 축의 뒤쪽에 고정하면 브라켓류가 튼튼하면서도 견고해야 휘지 않고 하중을 견딘다. 뒤차축의 횡방향 제어에서 고려할 하중은 1천kg 이상이고, 간혹 4천kg보다 많기도 한다. 아래 A암: 뒤차축의 횡방향 제어에 사용되는 또 다른 방법은 아래 암을 정상적인 것보다 큰 A암으로 교환하는 것이다. 이 방법은 차축이 일직선을 유지할 수 있게 해주는 반면 차축의 앞뒤 방향 위치를 유지하기 위해 또 다른 링크가 필요하다. 롤 중심을 낮게 할 수 있으나 높이를 바꾸는 것은 쉽지 않다. 차축에 매우 큰 로드 엔드(rod end) 조인트가 필요한데 하중을 혼자서 견뎌야 하기 때문이다. 특히 굽힘 상태에서는 더욱 그렇다. 모든 부품의 강도를 매우 높게 하는 것은 설계 관점에서 좋은 방법이다. 아래 앵글 암: 아래 A암과 같은 기하학적 특성과 제어 특성을 얻을 수 있는 방법이다. 두 개의 아래 암을 차축 중심선에서 각을 이루어 만나게 하는 방법이 있다. 이 시스템의 장점은 로드 엔드의 굽힘 대신에 전단하중이 걸린다는 것이다. 게다가 뒤 롤 중심 높이를 조정할 수 있는 여유가 있다는 것도 장점이다. 범프 조향과 롤 조향 범프 조향과 롤 조향은 실제로 같은 것이다. 이들이 의미하는 것은 뒤 차축이 상하로 움직이는 동안 차에 나타나는 조향 특성의 크기와 방향이다. 뒤 차축의 정렬에 약간의 변화가 생기면 차의 진행 방향에는 큰 변화가 나타난다. 바람직한 설계 특성은 롤 조향은 거의 없고, 간혹 있다하더라도 언더스티어 쪽으로 나타나야 한다. 이를 위해 차체가 오른쪽으로 롤링하면 뒤 차축은 왼쪽을 향하도록 뒤 서스펜션 링크를 배치해야 한다. 좌회전할 때 차체는 오른쪽으로 롤링을 한다. 제대로 된 뒤 서스펜션 지오메트리라면, 뒤 차축은 왼쪽을 가리켜야 한다. 이렇게 되면 차는 오른쪽으로 돌게 된다. 이것을 롤 언더스티어라고 하는데, 차체가 롤링할수록 차가 덜 회전하기 때문이다. 롤 오버스티어가 되면 차체가 롤링할수록 차는 더 회전을 하게 되어 두 개의 요인이 서로 상승작용을 일으킨다. 따라서 운전자는 원하는 경로를 유지하려면 선회 방향과 반대쪽으로 핸들을 돌려야할 수도 있다. 일반적으로 롤 축이 앞쪽으로 기울어져 있으면 뒤 서스펜션은 롤 언더스티어 특성을 나타낸다. 뒤 차축 조향 및 정렬: 뒤 차축 조향 및 정렬 특성은 조종성과 구동력에 엄청난 영향을 준다. 지게차를 운전해보거나 일반차를 후진해보면 뒷바퀴(실제로는 앞바퀴)의 조향각과 정렬의 변화에 얼마나 민감하게 반응하는지 알게 된다. 육중하고 단단한 차축을 가졌다고 해서 뒷바퀴가 조향에 전혀 영향을 주지 않는다고 생각하면 안된다. 일반적으로 뒷바퀴는 토인 상태를 유지하며 주행을 하면 캠버각은 1∼2° 정도 변한다. 단단한 차축이라고 해도 실제로는 견고하지 않다. 뒤 차축 하우징은 다른 멤버들처럼 변형을 일으킬 수 있다. 이 점을 이해하면 차를 설계하고 세팅할 때 이 효과를 고려할 만하다. 모든 부품이 견고할 때 최고의 뒤 서스펜션을 만들 수 있다. 변형이 생기거나 부품이 느슨해지면 설계 지오메트리를 잘못 잡았을 때보다 조종성에 더 큰 영향을 끼친다. 안티 스쿼트 가속할 때 나타나는 하중이동은 차의 앞에서 뒤쪽으로 움직인다. 하중이동량은 차의 무게, 무게 중심의 높이, 휠베이스에 비례한다. 스프링의 영향 때문에 급가속 시에 차의 뒤쪽이 주저앉는 듯한 모습으로 하중이동 현상을 볼 수 있다. 뒤 서스펜션 링크를 배치해 뒤 차축의 구동력이 이러한 스쿼트 힘을 극복하게 만들 수 있다. 이런 특성을 ‘안티-스쿼트’라고 부른다. 안티-스쿼트는 스쿼트 힘에 대응하여 차의 뒷부분이 수평을 유지하게 만드는 것이다. 이를 강하게 만들면 가속 시에도 뒷부분이 들리지 않는다. 드래그레이스 경주차에서 안티-스쿼트 특성을 볼 수 있다. 차의 뒷부분을 들어올리려면 같은 크기의 반대 방향의 힘을 지면에 작용시켜야 한다. 그러므로 가속 시에 안티-스쿼트 특성을 이용하면 타이어 하중이 증가한다. 차 무게의 증가 없이 타이어 하중을 증가시키면 코너 선회 시에 차의 뒤쪽에 나타나는 선회 파워가 더 커진다. 뒤쪽의 선회 파워가 커지면 코너에서 가속 페달을 좀 더 빨리 밟을 수 있으며 오버스티어가 생기지 않는다. 결국에는 코너를 더 빨리 선회할 수 있게 된다. 그러므로 안티-스쿼트 특성이 크게 나타나도록 하는 것이 바람직하다. 안티-스쿼트 계산: 서스펜션의 안티-스쿼트 크기를 결정하는 방법은 과 같이 비례도를 그리면 된다. 차 무게 중심의 앞/뒤 방향 위치는 앞, 뒤 바퀴에 걸리는 무게를 측정해 계산한다. 양산차는 대부분 그 높이가 지면에서 50cm 정도라고 보면 된다. 짧은 거리의 전형적인 타원형 트랙을 달리는 경주차의 무게 중심은 지면에서 45∼50cm 높이에 있다. 휠베이스 크기와 모든 뒤 서스펜션 피봇 점의 위치는 차를 직접 측정해보면 된다. 정확하게 측정 및 축소하여 그림에 표시하여 비율이 틀리지 않도록 한다. 모든 점을 표시한 후 컨트롤 암 피봇 점을 연결하고 선을 연장한다. 위, 아래 암의 연장선이 교차되는 점을 뒤 서스펜션의 측면 순간 중심이라고 한다. ‘순간 중심’은 각종 링크가 작용하는 점이다. 서스펜션이 오르내리면 이 점은 변하게 되는데 주어진 임의의 순간에 이 점은 유효 중심이 된다. 만약 이 점이 뒤 타이어 접지점과 무게 중심 높이가 앞 차축의 중심선과 만나는 점을 연결하는 선상에 있으면 안티-스쿼트의 크기는 100%가 된다. 교차점이 이 선 아래에 있으면 안티-스쿼트는 100% 미만이다. 교차점이 이 선 위에 위치할 경우 그 크기는 100% 이상이다. *단위:Kg 안티-스쿼트특성없음 안티-스쿼트특성있음 왼쪽뒤 오른쪽뒤 왼쪽뒤 오른쪽뒤 차 무게 1500kg 50% 뒤 하중 50% 좌측 하중 375   375 375   375 선회 시 하중이동에 따른 무게 최저지상고 : 50cm 트랙 폭 : 150cm 선회가속도 : 1g 125   625 125   625 가속 시 하중이동에 따른 무게 최저지상고 : 50cm 휠베이스 : 250cm 가속도 : 0.5g 200   700 200   700 안티-스쿼트 효과에 의한 무게 효과 : 100% 200   700 250   750 타이어 마찰력 타이어 곡선 참조 300   600 350   625 뒷바퀴 합계   900     975   1g 가속도로 코너 선회 시 필요한 타이어 마찰력   750     750   가속에 사용할 수 있는 여유 타이어 마찰력   150     225  
엔진의 배기과정(Ⅰ) 2004-06-07
지난호까지는 엔진 속으로 들어온 공기가 연료와 섞여 연소되는 과정을 살펴보았다. 에어클리너를 통해 깨끗해진 공기는 흡기매니폴드를 지나면서 연료와 섞인다. 연료와 섞인 공기는 흡기포트를 통해 실린더로 들어가 압축행정에서 압축된다. 압축된 혼합가스는 플러그의 불꽃에 의해 혹은 압축압력에 의해 점화된다. 점화된 작은 불씨는 곧 실린더 전체로 퍼져 혼합가스의 폭발을 일으키고, 뜨거워져 팽창하는 혼합가스는 피스톤을 아래로 밀어낸다. 타고남은 배기가스는 다른 실린더의 폭발력에 의해 피스톤이 위로 올라오면서 배기밸브를 통해 빠져나간다. 앞으로 몇 회에 걸쳐 공기가 엔진을 빠져 나와 배기 시스템을 지나면서 겪는 과정을 살펴보기로 한다. 배기가스, 배기포트 통해 엔진 밖으로 배출 불완전 연소가스, 배기 매니폴드에서 연소 배기가스는 통로인 배기포트(exhaust port)를 통해 엔진 밖으로 빠져나간다. 흡기포트에서의 공기 움직임은 엔진 성능과 직접 관련된 것이라 튜닝 매니아들에게 관심거리다. 이에 비하면 배기포트는 그리 큰 관심을 끌지는 못한다. 배기포트는 배기가스가 빠져나가기 쉽도록 완만하게 굽은 형태다. 연료와 공기의 혼합가스가 폭발행정에서 충분히 연소되어야 엔진 힘이 살아난다. 모든 엔진은 연소과정이 가장 효율적일 수 있도록 설계되지만, 플러그의 불꽃이 튄 순간부터 배기밸브가 열리기까지 짧은 시간 동안 모든 연료가 완전히 연소되기를 기대하는 것은 힘들다. 따라서 어느 엔진이건, 배기가스가 실린더 밖으로 나올 때에는 불완전연소가스를 포함하고 있다. 공기를 이루는 기체는 주로 질소(80%)와 산소(20%)이고 연료인 휘발유의 성분은 대개가 탄소와 수소로 이루어져 있다. 따라서 연소가스의 성분은 이들이 결합하는 다양한 형태로 나타난다. 즉, 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX) 등이다. 이들 중 이산화탄소와 수증기는 인체에 해를 끼치지 않는다. 문제가 되는 것은 탄화수소, 일산화탄소, 그리고 질소산화물이다. 탄화수소와 일산화탄소는 연료의 분자들이 산소와 미처 결합하지 못한 불완전 연소가스이고, 질소산화물은 연료와 결합해야 할 산소분자가 공기중의 질소와 결합한 결과이다. 이들 유해가스는 연료가 연소되는데 충분한 시간이 있었다면, 그리고 연료가 적절한 온도에서 연소되었다면 생기지 않았을 것이다. 다 타지 못하고 빠져나가는 불완전 연소가스는 배기 매니폴드를 지나면서 추가적으로 연소한다. 그래도 연소되지 않은 가스는 배기 매니폴드에 연이어 달린 촉매장치(컨버터)에서 처리된다. 배기포트를 통해 엔진을 빠져나온 각 실린더의 배기가스는 한군데로 모아진다. 각 실린더에서 나오는 배기가스를 모으려니, 흡기 매니폴드를 거꾸로 뒤집은 모양의 것이 필요하다. 배기 매니폴드(exhaust manifold)는 한군데로 들어온 공기가 각 실린더로 나누어 들어가기 위해 필요한 흡기 매니폴드와 반대로 생각하면 된다. 배기가스를 하나로 모으는 배기 매니폴드에는 반드시 고려해야할 것이 있다. 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정으로 돌아가는 엔진은 4기통일 때 1-3-4-2의 순서로 폭발이 생긴다. 1번 후에는 3번이, 4번 후에는 2번 실린더가 배기가스를 내보낸다. 그런데 배기행정은 폭발이 완전히 끝나고 피스톤이 완전히 아래로 내려오기 전에 미리 열린다. 그리고 신선한 공기를 흡입하기 위해 흡기밸브가 열린 후에도 잠깐 동안 더 열려 실린더 속에서 배기가스를 완전히 뽑아낸다. 그러고 보면 1번 실린더의 배기행정이 미처 끝나기 전에 3번 실린더의 배기행정은 시작된다. 이때 1번과 3번 실린더에서 나오는 배기 매니폴드를 곧바로 이어놓으면 1번 실린더의 흡입행정 때 잠깐 배기밸브가 열려있는 동안 3번 실린더에서 쏟아져 나온 배기가스가 다시 1번 실린더로 역류하는 현상이 생길 수 있다. 역류할 정도는 아니라도, 연결된 2개의 실린더에서 한꺼번에 배기가스가 쏟아져 나오는 것은 배기 파이프가 상대적으로 좁아지는 것과 마찬가지 결과를 보인다. 이런 현상을 배기 간섭(exhaust gas interference)이라고 한다. 배기 간섭이 생기는 배기 시스템은 배기가스를 내보내는데 엔진의 힘을 소모하게 되고, 결과적으로 엔진의 출력을 떨어뜨린다. 따라서 각 실린더에서 나오는 배기가스를 질서 있게 배기 파이프로 보내야 한다. 그래서 배기 매니폴드는 1번과 4번, 3번과 2번이 먼저 모이고 이렇게 모인 두 통로는 다시 하나로 합쳐진다. 배출가스를 간섭 없이 밖으로 내보내려면 배기포트마다 배기 파이프를 만들어 놓는 것이 이상적이다. 특수 제작된 고성능 차들이 머플러를 양쪽으로 몇 개씩 뽑아 내놓고 있는 것도 이런 원리다. 그러나 실린더마다 독립된 배기 파이프를 사용하면 비용이 많이 들고 생산효율이 나빠진다. 이런 이유로 대량생산 엔진에서는 집합 타입을 쓴다. 배기 매니폴드가 하나로 모이는 순서를 바르게 정하더라도, 엔진에서 나온 배기가스가 배기 매니폴드의 모이는 곳까지 도달하는 시간에 차이가 있다면, 순서의 의미가 반감된다. 배기 매니폴드의 길이가 긴 실린더에 먼저 나온 배기가스가, 매니폴드의 길이가 짧은 실린더에서 나온 배기가스와 만나기 때문이다. 따라서 배기 매니폴드의 길이를 비슷하게 하는 것은 배기 간섭을 줄이기 위해 중요하다. 배기가스가 나오는 힘을 이용하는 터보차저 V형 엔진에서는 배기 매니폴드 두 개 필요 배기 매니폴드의 길이가 비슷한 것이 바람직한 것은 분명하지만, 터보차저(turbo-charger)를 단 경우에는 이것이 무시된다. 실린더를 막 빠져나올 때의 배기가스 온도는 약 1천 도에 이르지만 배기시스템을 지나면서 배기가스는 식는다. 냉각수와 엔진 오일이 식혀놓은 배기포트를 지나면서 배기가스의 온도는 내려가고, 배기 매니폴드를 나올 때는 외부공기에 의해 식혀진 매니폴드에 열기를 빼앗기면서 다시 낮아진다. 기체의 온도가 낮아지면 부피가 줄어든다. 바꾸어 말하면 같은 부피라도 온도가 낮아지면 무게가 무거워진다. 무거워진 배기가스는 동작이 둔해지기 마련이다. 터보차저는 가능하면 배기가스가 식기 전에, 그리고 여러 단계를 거쳐 속도가 줄어들기 전에 배기가스의 힘을 이용해야 효율적이다. 따라서 되도록 실린더블록에 가까이 터보차저를 달게 된다. 그러다 보니 터보차저를 얹은 엔진의 배기 매니폴드는 각 실린더의 배기포트에서 곧바로 터보차저로 이어지는 형태를 지니게 된다. 배기 간섭은 피하기 힘들지만, 그보다는 터보차저의 효율을 높여 얻는 이득이 크기 때문이다. 주변에서 흔히 보는 중·소형차의 엔진은 실린더가 일렬로 늘어선 I형이다. 이 경우 배기포트도 실린더의 배치에 따라 일렬로 늘어서게 되어 배기 매니폴드를 하나만 달면 충분하다. 하지만 실린더가 V자 형태로 배치된 V형 엔진에서는 실린더가 두 줄로 서게 되어 배기 매니폴드도 두 개가 필요하다. 배기가스는 배기 매니폴드에서 하나로 모아져, 배기 파이프를 통해 컨버터로 보내진다. 이 파이프 외에도 배기시스템에는 여러 개의 파이프들이 있다. 엔진에서부터 차체 뒤쪽의 머플러 끝까지 파이프가 이어져 있는 것이다. 이 파이프들을 앞에서부터 순서대로 1, 2번 배기 파이프로 부른다. 배기 매니폴드, 컨버터, 배기 파이프들, 그리고 머플러를 통해 배기가스가 공기 중으로 완전히 나가기까지는 꽤 많은 시간이 걸린다. 그리고, 이들 배기시스템을 통해 배기가스를 내보내는 데는 꽤 많은 압력이 필요하다. 배기가스를 엔진으로부터 공기 중으로 내보내는 데 필요한 압력, 즉, 배기과정으로 인해 엔진의 출력이 손해보는 폭발력을 배기압(back pressure)이라 한다. 다음달에는 배기 매니폴드를 지난 배기가스들이 공기 중으로 완전히 배출되기까지의 과정을 살펴보기로 한다.
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