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자연흡기엔진
자연흡기엔진(naturally aspirated engine)은 피스톤이 하강할 때 부압에 의하여 혼합 가스나 공기를 흡입하는 엔진을 말한다.
개요
자연흡기엔진은 피스톤이 하강할 때 부압에 의하여 혼합 가스나 공기를 흡입하는 엔진을 말하며, 줄여서 NA라고도 한다. 압축기로 엔진에 흡입되는 공기의 압력을 높이는 슈퍼차지드(supercharged) 엔진과 대조적으로 사용되는 용어이다.[1]
장단점
외부 공기를 흡입해 엔진을 움직이는 방식으로 가속 페달을 밟으면 반응 속도가 빠르며, 고속 주행 시 터보 엔진보다 안정적인 운행이 가능하다. 또한 다른 장치의 도움 없이 외부의 공기를 그대로 받아들여 엔진을 작동시킨다. 이 방법은 터보 엔진과 비교해 구조가 간단하며 가속 페달을 밟았을 때 반응이 빠르다는 장점이 있다. 자연흡기엔진은 공기 흡입 시 주변 부품의 도움을 받지 않으며, 이에 따라 장착되는 부품의 수가 적기 때문에 설계와 제작 모두 용이하고, 추후 차량 정비 시에도 편리하다. 단순한 구조는 엔진 생산을 위한 비용 차원에서 유용하다. 이 때문에 터보 엔진을 장착한 차량보다 좀 더 저렴하다. 마찬가지로 추후 유지 관리를 위한 비용도 상대적으로 저렴하다. 그 밖에 유지 보수에 들어가는 비용도 낮은 편이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 가속 페달을 밟았을 때 가속 반응이 빠른 점도 자연흡기엔진 특유의 간단한 구조가 뒷받침되었기 때문이다. 외부 공기가 과급기를 거치지 않고 즉각적으로 엔진에 투입되기 때문에 엔진이 힘을 발휘하기까지의 지연 현상이 적다. 그 밖에 흡기 온도가 지나칠 정도로 치솟는 일이 없기 때문에 고속 영역에서 엔진이 퍼지는 일이 드문 것도 장점 중 하나이다.[2][3] 자연흡기엔진의 구조적 장점은 곧 자연흡기엔진의 단점이 되기도 한다. 앞서 '다운 사이징'을 언급한 바 있는데, 쉽게 말해 엔진 크기를 줄인다는 의미이다. 친환경이 화두로 떠오르면서 엔진에서 나오는 오염물질을 줄이기 위해 엔진 자체를 줄이는 일이 흔해진 현재, 배기량을 낮추고 엔진 크기도 줄이면서 성능은 변경 전과 비슷한 수준으로 유지하기 위해 터보 장착이 강제된다.[2][3]
터보 엔진과 자연흡기엔진의 차이점
일반적으로 NA 라고 부르는 것은 '자연흡기'(Natural Aspiration)이다. 즉, 위에 설명한 엔진의 작동 방식이 NA, 자연 흡기이다. 자연 흡기라는 용어를 따로 쓰고 있다는 이야기는 그렇지 않은 흡기 방식이 있다는 이야기가 되는데, 바로 '과급' 이라고 불리는 흡기 방식이다. 과급은 엔진이 자연적으로 빨아들이는 이상의 공기를 어떤 장치로 억지로 구겨 넣는 걸 이야기하는데, 간단히 예를 들어보자면 여기 배기량 2000cc 엔진이 있다는 것은 이 엔진이 내부로 빨아들여 작동하는 공기의 양이 2000cc 라는 뜻이다. 그런데 이 2000cc 엔진에 4000cc의 공기를 강제로 밀어 넣어버린다면, 이 엔진이 뿜어내는 파워는 똑같은 2000cc가 아니라 밀어 넣은 공기가 4000cc이다보니 그에 해당하는 엄청난 힘을 끌어내게 될 것이다. 바로 이러한 방식으로 공기를 압축하여 밀어 넣는 흡기 방식이 터보, 슈퍼차저,NOS 등의 과급이다.[4]
- 차량 가격 측면: 같은 배기량이라면 터보 엔진이 더 비싸다. 아반떼(Avante) 스마트 스트림 가솔린 1.6(Smart Stream Gasoline) 모델과 가솔린 1.6 터보 스포츠(Gasoline 1.6 Turbo Sports) 모델을 비교했을 때, 최고 사양 기준으로 터보 엔진 모델이 200만원 이상 비싸다. 터보 엔진이 비싼 이유는 터보 엔진은 배기가스를 그대로 배출하지 않고 터빈을 돌리는 데 쓰기 때문이다. 대신 터보차저가 이 역할을 수행한다. 더불어 압축 공기 온도가 높아 효율이 떨어지는 것을 예방하는 인터쿨러도 필요하다. 또한, 터보 엔진은 엄청난 고열을 버티기 위해 비싼 소재가 필요하고, 제조 공정 중 가공 정밀도 수준이 훨씬 높다. 이 추가 부품과 기술력이 비싼 가격의 이유인 것이다.[5]
- 유지비 측면: 터보 엔진은 자연흡기엔진보다 유지비가 더 나올 수도, 덜 나올 수도 있다. 쉽게 말하자면 연비, 세금, 정비 등 다양한 상황에 따라 터보 엔진이 유리하기도, 불리하기도 한다는 뜻이다. 연비는 터보 엔진이 상대적으로 유리하다. 터보 엔진은 같은 배기량의 자연흡기엔진보다 연소 과정이 많아 연비가 안 좋지만, 비슷한 출력의 자연흡기엔진과 비교하면 연비가 더 좋다. 성능이 같다면, 터보 엔진이 연비에 더 유리하다는 것이다. 낮은 RPM에서부터 높은 토크가 발생하는 터보 엔진 특성 때문에 자연흡기엔진보다 상대적으로 적은 연료를 사용하기 때문이다. 세금 역시 터보 엔진이 유리하다. 1.6L 터보 엔진이 2.0L 자연흡기엔진보다 출력이 더 좋지만, 세금은 덜 낼 수 있는 것이다. 실제로 쏘나타(Sonata) 2.0 가솔린 모델과 1.6 터보 모델의 자동차세를 비교하면, 터보 모델이 약 44% 저렴하다. 국내 자동차세 책정 기준은 배기량에 따라 정해진다. 1.601L부터 비영업용을 기준으로 교육세 30%를 포함해서 cc당 260원을 부과한다. 반면 1001cc 이상 1600cc 이하는 비영업용 기준으로 교육세 30% 포함 cc당 182원을 부과한다. 정비는 터보 엔진이 불리하다. 터보 엔진은 추가적으로 여러 부품을 장착해 엔진 구조가 복잡하다. 이 때문에 정비할 때도 자연흡기엔진보다 기술이 더 많이 요구된다. 엔진 오일을 비롯한 부품 교체 주기도 짧다. 특히 높은 열효율이 필요한 터보 엔진 특성 상 내구성 문제는 숙명과도 같다. 높은 열이 부품에 부하를 줄 수 있고, 열을 처리하는 과정에서도 여러 문제가 발생할 수 있다. 자연흡기엔진은 흡기 온도가 지나치게 치솟는 일이 없기 때문에 고속 영역에서 엔진이 퍼지는 일이 드물다.[5]
- 출력 측면: 터보를 장착한 엔진은 같은 배기량의 자연흡기엔진보다 더 높은 출력을 낼 수 있다. 또한, 낮은 RPM에서부터 높은 토크 역시 터보 엔진의 장점이다. 배갸량을 낮춰도 같은 배기량의 자연흡기엔진보다 더욱 높은 출력과 토크를 얻을 수 있어 다운사이징 추세를 이끌었다. 적은 배기량으로도 높은 출력과 토크를 원한다면 터보 엔진을 선택하는 것이 맞다. 하지만 단점도 있다. 반응성이 떨어진다는 문제이다. 이는 부스트 역치(boost threshold) 때문이다. 터보차저가 힘을 얻으려면 엔진이 어느 정도 회전수까지 도달해야 한다. 배출 가스 양이 충분하지 않으면 멈춰있는 터빈을 돌리기 어렵기 때문이다. 운전자가 가속 페달을 밟은 후. 터보차저가 작동할 때까지 생기는 이 딜레이를 터보 래그(turbo-lag)라고 한다. 게임할 때 갑자기 멈추면 흔히 "렉 걸렸다."라고 표현하는데, 지연되는 현상을 이렇게 표현한다. 반면 자연흡기엔진은 다른 장치 도움 없이 외부 공기를 그대로 흡입해 엔진을 움직인다. 덕분에 가속 페달을 밟았을 때 반응이 빠르다는 장점이 있다. 또한 흡기 온도가 지나치게 높아지지 않아 고속으로 달릴 때 터보 엔진보다 더 안정적이다. 즉, 안정적인 주행을 우선시 한다면, 자연흡기엔진을 선택하는 것이 맞다.[5]
터보 엔진
터보 엔진은 버리는 에너지를 재활용해 성능과 효율을 높인 엔진이다. 처음에는 비행기 엔진에 사용했지만, 지금은 주로 자동차 엔진에 쓴다. 모든 내연 기관 기관은 배출 가스를 내보낸다. 터보 엔진은 이 배출 가스를 그냥 버리지 않고, 터빈을 돌리는 데 사용한다. 이 때 생기는 압축 공기를 다시 연소실로 보내 출력을 높이는 것이다. 같은 배기량이라면 터보 엔진 성능이 일반 엔진보다 높다.[5]
장단점
터보 엔진의 장점으로는 먼저, 같은 배기량의 자연흡기엔진보다 출력이 높고, 낮은 RPM에서 높은 토크를 낼 수 있다. 또한 배기량이 낮아도 높은 출력을 낼 수 있는 것은 터보 엔진이다.[3] 최근 출시하는 자동차 모델은 대부분 엔진 라인업에 터보 모델 하나 정도는 꼭 넣는다. 이유는 크게 두 가지로, 첫 번째는 운전자 입장에서는 일반 모델보다 스포티한 주행감을 느낄 수 있어 드라이브 만족도를 높일 수 있다. 더불어 뛰어난 연비와 저렴한 자동차세 덕분에 차량 유지비도 아낄 수 있다. 두 번째로는 제조사 입장에서는 나날이 엄격해지는 환경 규제에 대응할 수 있는 좋은 방법이다. 요새는 기름을 덜 먹으면서도 강한 힘을 발휘하는 자동차에 대한 요구가 늘면서 터보 엔진을 이용해 배기량을 낮추는 추세인데, 이를 다운사이징이라고 한다.[5] 터보 엔진의 단점으로는 터보 엔진의 힘을 얻으려면 배출 가스 양이 충분해야 터빈을 돌릴 수 있기 때문에, 터보 엔진이 작동할 때까지 터보래그가 생길 수 있다는 점이 있다. 쉽게 말하자면 오류가 걸릴 수 있다. 또한 터보 엔진 고장 시 타보 엔진 날개가 깨져서 엔진 속으로 들어가면 엔진 헤드를 내리거나 엔진을 보링해야 하고, 심하면 엔진을 통째로 교체하는 일이 생길 수 있으며 터보 엔진 차 관리를 못하면 자동차 수명이 단축될 수 있다. 자연흡기엔진에 비해 고장 확률이 높기 때문에 수리 비용이 많이 든다.[3]
엔진
엔진에서 발생하는 진동은 몇 가지가 있는데 연소실에서 혼합기가 폭발적으로 연소할 때 엔진의 본체에 발생하는 진동과 피스톤-커넥팅 로드-크랭크 샤프트의 왕복과 회전 운동 할 때 관성력에 의해서 발생하는 진동, 밸브 장치의 작동에 의한 진동 등 3가지가 주된 것이다. 혼합기의 연소에 따라 발생하는 진동은 연소 압력이 높을수록 크기 때문에 압축 비가 높고 공기를 많이 흡입하는 고성능 엔진일수록 진동 면에서는 불리하다. 엔진에 공기를 강제적으로 밀어 넣는 터보 엔진은 자연 흡기인 NA엔진(Naturally Aspirated Engine)에 비해 20~50% 정도의 큰 진동을 발생시킨다. 이러한 엔진은 진동의 발생이 어려운 형상으로 제작함으로써 진동이 큰 장소에 보조기구의 설치가 필요 없도록 하는 등의 조치로 진동을 억제하고 있다. 또한, 만약 진동이 크다 해도 엔진 마운팅의 설치 위치를 연구하여 액체를 봉입한 복합 마운팅을 적용하는 등 바디에 진동이 전달되는 것을 억제하고 있다. 관성력도 진동의 큰 원인이다. 피스톤은 상사점의 정지 상태부터 가속하고, 감속하여 하사점에 도달하는 가·감속에 의해, 크랭크 샤프트는 크랭크 핀과 웹의 회전으로 인한 원심력에 의해, 커넥팅 로드는 왕복 운동과 회전 운동이 조합된 복잡한 가·감속에 의해 관성력이 생긴다. 다기통 엔진은 피스톤이 크랭크 샤프트에 연결되어 있어 각 기통의 관성력이 상쇄되는 경우도 많지만 기통 수 및 배치와 팽창 행정의 타이밍에 따라서는 덧셈으로 끝나지 않는 경우도 있기 때문에 카운터 웨이트(Counter Weight)에 의해 전체 중량과 관성력의 균형을 유지하는 것인데 완전하게 균형을 유지시키는 것은 어렵다. 관성력은 피스톤 및 커넥팅 로드 등 운동 부품의 중량이 가벼울수록 작으며, 같은 배기량이라면 기통수가 많은 엔진이 부품도 작고 가볍기 때문에 관성력이 작은 것이다. 관성력이 작으면 진동의 발생이 적을 뿐만 아니라 강도가 동일할 때 엔진의 회전수를 더 높일 수 있다. 다기통 엔진이 고속 회전용으로 사용되지만 진동이 크지 않은 것은 이 때문이다. 또한, 운동 부품의 중량을 가볍게 하면 각각의 부품에 가해지는 관성력이 그만큼 작아지기 때문에 같은 회전수로 엔진을 사용하는 것이라면 그 강도를 낮출 수 있다. 일반적으로 강도를 낮추어도 상관이 없다면 그만큼 경량화할 수 있기 때문에 부품을 더욱 가볍게 할 수 있는 것이다. 경량화는 진동을 억제할 뿐만 아니라 엔진의 성능향상 면에서도 중요하다.[6]
NA 튜닝
NA 튜닝이란, 이러한 흡기 방식을 바꾸지 않은 채, 자연 흡기를 유지한 채로 파워를 끌어내기 위한 방식의 튜닝을 이야기하고, 일반적으로 입문 단계에서 먼저 시작하는 '흡배기' 튜닝으로부터 시작하여, 하이캠, 포팅, 압축비 작업, 밸런싱, 경량 크랭크 등등의 순수하게 엔진 자체를 다듬어가는 작업이며, 파워를 가볍게 올리는 방법으로 아예 고배기량의 엔진으로 엔진을 바꿔버리는 스왑작업까지 자연 흡기 방식을 유지하는 채로 끌어 낼 수 있는 한도의 파워를 쥐어 짜내는 튜닝을 이야기하고, 과급 튜닝이란, 강제로 공기를 밀어 넣는 흡기 방식을 만들어내어, 원래 엔진의 배기량을 훨씬 상회하는 고출력을 끌어내는 방식으로, 터보, 슈퍼자쳐, NOS 등의 다양한 방법을 통해 극단적으로 차의 출력을 끌어올리게 된다. 위의 NA 튜닝에서 이야기한 하이캠, [[포팅, [[밸런싱, 크랭크 등의 하드코어한 엔진 작업 역시 NA에만 국한되지 않고 극단적인 과급 엔진 역시 똑같이 적용할 수 있다. 일반적으로 NA 튜닝은 과급 튜닝에 비해 토크는 그리 큰 향상이 없으나, 엔진을 보다 고회전형 특성으로 변형시켜, 보다 높은 RPM 대역대에 파워를 끌어내게 만듦으로써, 토크의 향상이 아닌 회전수의 향상으로 고마력을 뽑아내는 방식의 특성을 가지게 된다. 일반적인 과급 튜닝은 큰 폭으로 토크의 향상이 일어나며, 엔진의 회전수를 바꾸지 않더라도 토크의 극단적인 향상 자체로 파워를 끌어올릴 수 있다. 물론 여기에 다시 고회전 영역대로 엔진 특성을 바꾸어 그 이상의 고마력을 끌어올리기도 한다. 보통 과급 튜닝이 된 차량은 '부스트' 라는 개념이 있는데, 현재 부스트 1bar라면, 대기압 1bar(대기압의 단위)에 추가로 부스트 1bar를 더해서 총 2bar, 즉 정상 대기압의 2배의 압력으로 엔진에 공기를 밀어 넣는다는 의미이다. 즉, 부스트 1.0바가 뜬 상태라면 현재 엔진에 2배의 공기를 밀어 넣고 있다는 이야기다. 이러한 부스트는 주행 중 유동적으로 변하며 보통 고 RPM으로 올리고 악셀을 전개해야 점점 차올라서, 부스트의 상승에 따라 출력이 급격하게 상승하는 소위 펀치가 나오게 된다. 악셀을 오프하거나 저RPM 상태에선 다시 압축된 공기가 빠져나가서 파워가 떨어지게 되고, 다시 악셀을 전개한 후에 이러한 실질적인 파워가 강하게 나올 때까지는 약간의 시간 차가 존재한다.[4]
현황
포르쉐(Porsche)가 간판 제품인 911에 자연흡기엔진을 얹지 않는다. 21일 외신에 따르면 포르쉐 GT 제품 책임자 프랭크 슈테판 발리서(Frank-Steffen Walliser) 박사는 최근 인터뷰를 통해 "새 911의 엔진룸은 대배기량 자연흡기엔진에 필요한 기계적 장치를 추가할 공간이 부족하다"며 "911에 맞는 자연흡기엔진 개발에도 막대한 비용이 요구돼 사실상 자연흡기엔진을 추가하는 건 불가능"하다고 전했다. 자연흡기엔진은 말 그대로 자연적으로 유입한 공기와 연료를 엔진 실린더에 공급하는 흡기 방식의 엔진이다. 빠른 응답성과 부드러운 가속이 가능해 전통적인 고성능차 소비자들이 선호한다. 자연 흡기는 최근 수 년동안 이산화탄소 배출 저감을 위해 터보차저로 대체하고 있다. 터보차저는 배기가스의 압력을 활용해 흡기 성능을 극대화한다. 엔진 배기량과 탄소 배출을 줄이면서 성능을 높일 수 있어 다운사이징 흐름의 핵심 구조로 꼽힌다. 과열, 과급 지연 현상의 단점이 있지만 기술 개발을 통해 없애가는 추세다. 한편, 포르쉐는 수동 변속기를 당분간 유지할 전망이다. 운전자가 직접 변속하는 수동 특유의 운전재미를 놓치기 않겠다는 것. 최근 포르쉐 소비자들은 소셜 미디어를 통해 "수동변속기를 살리자"란 뜻의 '#Savethemanuals'라는 해시태그 캠페인을 벌인 바가 있다. 포르쉐는 이전 세대 911의 부분 변경부터 기본형인 카레라(Carrera)에도 3.0ℓ바이터보 엔진을 탑재하기 시작했다. 최근 국내에도 출시한 신형 911(992)에도 같은 형식의 엔진을 장착했다. 현재 남은 포르쉐의 자연흡기엔진은 718 GTS 4.0 및 GT4, 911 GT3 등이 있다.[7]
각주
- ↑ 〈내추럴리 애스퍼레이티드 엔진〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 VIEW H, 〈영원한 논쟁, 터보 엔진 VS 자연흡기 엔진. "뭐가 더 좋나요?"〉, 《네이버 포스트》, 2019-12-02
- ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 〈엔진의 장단점을 알아보자 자연흡기엔진 터보엔진〉, 《네이버 블로그》, 2020-08-22
- ↑ 4.0 4.1 아수라 드라이브, 〈파워튠의 세계#2 : NA(자연흡기) 튜닝의 입문 Posted By 아수라-드라이브〉, 《티스토리》, 2010-01-27
- ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 영현대, 〈터보 엔진 vs 자연흡기 엔진〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-11
- ↑ 구기성 기자,〈포르쉐, "자연흡기 911은 더 이상 없다"〉, 《오토타임스》, 2020-05-21
- ↑ 〈엔진의 진동〉, 《네이버 지식백과》
참고자료
- 〈내추럴리 애스퍼레이티드 엔진〉, 《네이버 지식백과》
- 영현대, 〈터보 엔진 vs 자연흡기 엔진〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-11
- 〈엔진의 장단점을 알아보자 자연흡기엔진 터보엔진〉, 《네이버 블로그》, 2020-08-22
- 구기성 기자,〈포르쉐, "자연흡기 911은 더 이상 없다"〉, 《오토타임스》, 2020-05-21
- 〈엔진의 진동〉, 《네이버 지식백과》
- VIEW H, 〈영원한 논쟁, 터보 엔진 VS 자연흡기 엔진. "뭐가 더 좋나요?"〉, 《네이버 포스트》, 2019-12-02
- 아수라 드라이브, 〈파워튠의 세계#2 : NA(자연흡기) 튜닝의 입문 Posted By 아수라-드라이브〉, 《티스토리》, 2010-01-27
같이 보기
