자동차 엔진 chapter29.(엔진 성능 측정)

엔진 성능 측정(Engine Performance Measurements)

※ 체적 효율(Volumetric Efficiency)
체적 효율(volumetric efficiency)은 흡입 행정 동안 실린더 내에 혼합기가 얼마나 완전하게 채워지는가를 나타냅니다. 혼합기가 천천히 흡입될 때 실린더는 완전히 채워집니다(100%). 운전 중인 엔진에서는 혼합기가 좁은 개구부를 통과하여야 하며, 또한 흡기 매니폴드에서는 곡률을 가지고 유입되어야 하며, 또한 흡기 매니폴드에서는 곡률을 가지고 유입되어야 합니다. 혼합기는 엔진 열로부터 가열되고 팽창되며, 흡기 밸브는 매우 짧은 시간 동안(높은 속도에서는 백분의 1초) 열리게 되므로 흡입할 수 있는 시간이 부족하게 되어 실린더 내는 완전히 채워지지 않습니다. 또한 연소열은 혼합기를 팽창시킵니다. 고속으로 작동하는 엔진의 양호한 체적 효율은 80% 정도입니다. 그러나 일부 엔진에서는 높은 회전 속도시 체적 효율이 50% 정도로 떨어지는 경우가 발생되며, 이것은 단지 실린더의 50%만이 채워지는 것을 의미합니다. 체적 효율의 감소는 엔진 속도와 출력이 계속적으로 증가되지 못하는 하나의 원인이 됩니다. 체적 효율에 영향을 미치는 또 다른 항목은 연소 가스가 실린더로부터 얼마나 빠르고 수월하게 배출되는가 하는 것입니다. 배기 행정 후에 실린더 내에 배기가스가 남아 있게 되면 혼합기의 흡입이 감소하게 됩니다. 체적 효율의 증진 방법에는 몇 가지가 있습니다. 그중 하나는 보다 큰 직경의 흡기 밸브를 사용하는 것이며, 또 다른 방법은 각 실린더당 2개 이상의 흡기 밸브를 사용하는 것입니다. 2개 이상의 배기 밸브 사용은 배기가스의 배출을 증진 시킵니다. 엔진 성능을 증진시키는 또 다른 방법은 과급법입니다. 수퍼차저 또는 터보차저는 흡입 공기 또는 혼합기에 압력을 가하고, 이 힘은 실린더에 보다 많은 공기나 혼합기를 유입시켜 결과적으로 엔진 출력을 향상 시킵니다. 또한 설계의 개선에 의하여 체적 효율이 증가될 수도 있습니다. 한 가지 방법은 밸브가 열릴 때 밸브의 거리를 의미하는 밸브 리프트를 증가시키는 것입니다. 이 리프트는 밸브와 피스톤의 충돌 위험성 때문에 그다지 크게 증가시키지는 못합니다. 흡기 매니폴드와 배기 매니폴드 조합의 최적화는 체적효율을 향상시킵니다. 공기 통로와 러너(runner)의 "튜닝" 은 원하는 성능에 맞도록 그 길이와 지름을 설계하는 것을 말합니다. 이렇게 되면, 흡기 매니폴드의 각 연결관은 같은 양의 공기나 혼합기를 각 실린더로 분배하게 됩니다. 같은 방법으로 배기 매니폴드를 "튜닝"하는 것은 배기 시스템에 부압을 만들어 배기가스의 배출과 배기 시스템으로의 흡입을 도와주는 역할을 합니다.

※ 엔진 토크(Engine Torque)
토크는 회전력입니다. 엔진 토크는 피스톤을 미는 연소 압력으로부터 생성되고, 폭발 행정 동안 피스톤이 하강할 때 이 힘은 커넥팅 로드에 전달되어 결국은 크랭크축의 회전력이 됩니다. 체적효율이 높아질수록, 그리고 연소 압력이 높아질수록 토크는 증가합니다. 일부 경주용 엔진에서는 배기 밸브가 하사점 후 92°(BDC 88°) 정도의 상당히 빠른 타이밍에 열리도록 되어 있습니다. 2 밸브 엔진의 토크는 시동 시 높다가 엔진 속도가 빨라지면서 떨어지는 경향을 보이고 있는 반면, 4밸브 엔진은 좀 더 편평하고, 보다 폭넓은 "토크 범위"를 가집니다. 이 4밸브 엔진은 약 5000rpm까지 높은 토크 출력을 유지하고 있는데, 이것은 4 밸브가 높은 속도에서도 자유롭게 흡배기를 할 수 있기 때문입니다. 
☆ 4밸브 엔진은 높은 체적 효율을 가지며, 고속에서도 높은 토크를 발생합니다.

※ 엔진 출력(Engine Power)
엔진 출력은 크랭크축으로부터 얻을 수 있는 일의 동력을 의미합니다. 동력 측정에 있어서 가장 일반적인 단위는 마력(hp)입니다. 마력은 한 필의 말이 할 수 있는 일의 시간 변화율을 의미합니다. 이것은 1분당 33,000ft-lb의 일을 나타냅니다. 만약 한 마리의 말이 200-pound의 물체를 끌어올리며 1분 동안 165 feet를 움직이는 모습을 한다면, 이때 수행된 일의 총량은 33000ft-lb(165feet x 200pounds)이며, 이때 걸린 시간은 1분입니다. 만약 말이 이만큼의 일을 2분에 했다면 시간당 절반의 일을 하는 것이며, 동력은 0.5마력이 됩니다. 마력의 계산 공식은 다음과 같습니다.

마력 계산 공식

여기서,    hp = 마력(horse power)
              L = W가 가해진 이동 거리(feet)
              W = 거리 L 동안 가해진 힘(pound)
              t = W의 힘으로 L만큼 움직일 동안의 시간

미터 단위에서는 엔진 출력을 KW로 표시합니다. 이것은 엔진이 구동될 때 발전기에서 생성되는 전기의 양 입니다. 1마력은 0.746kw이고, 1KW는 1.34hp입니다. 만약 엔진 토크와 속도(rpm)를 알고 있다면 다음과 같은 공식을 이용하여 마력을 구할 수 있습니다. 

 hp = torque x rpm ÷ 5252

이 공식은 엔진 성능을 섀시(chassis) 동력계나 엔진 동력계(dynamometer)를 이용하여 측정할 때 사용합니다.  
☆ 말 한 마리의 마력은 1분 동안 33,000ft-lb의 일을 할 수 있습니다.
다음 절에서 마력 측정에 대해 이어서 설명해 드리도록 하겠습니다.