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토크
토크(torque)란 물체에 작용하여 물체를 회전시키는 힘으로 자동차에서는 차축(동력축)을 회전시키는 힘을 말한다. 회전력(回轉力)이라고 할 수 있다.
목차
개요
토크는 기계 제조산업과 자동차 산업에서 매우 중요한 역학 측정이지만 다른 부문에서도 중요하다. 자동차에서 토크는 엔진이 순간적으로 낼 수 있는 힘의 크기를 말한다. 자동차 엔진에서 연료를 폭발시켜 생긴 힘을 바퀴로 전달해주는 크랭크축을 얼마나 세게 비틀 수 있는지를 보여준다. 이는 자동차가 가속 초반에 얼마나 빨리 앞으로 나갈 수 있는지를 좌우한다. 자동차의 힘을 나타내는 또 다른 지표인 마력은 엔진이 낼 수 있는 절대적인 힘 토크에서 빠르기를 더한 개념이다. 무거운 짐을 실은 차량을 얼마나 잘 끌고 갈 수 있는지, 가속 중·후반 차가 얼마나 더 앞으로 치고 나갈 수 있는지 등을 결정한다. 1마력은 말 1마리가 끄는 힘과 같다. 토크가 자동차에 중요한 요소로 부상한 이유는 도심에서 주로 쓰는 경우, 마력보다 토크가 체감상 더 크게 성능을 좌우한다는 점이 부각되었기 때문이다. 도심에서는 운전할 때 멈췄다가 서기를 반복하는 경우가 많기 때문에, 정지 상태에서 출발할 때 가속감을 느끼기 위해서는 토크가 커야 한다.[1]
개념
토크는 일반적으로 물체를 한 점의 주위로 회전시키는 짝힘의 양을 말한다. 보통 기호를 T로 표시한다. 단위는 kgf·m 또는 N·m(뉴턴미터:1kgf·m = 9.80665N·m)로 나타낸다. 국내에서는 Kgf.m를 사용하며 하나의 축에 1m 길이의 막대를 직각으로 달고 끝에 1kg짜리 추를 달았을 때의 축에 전달되는 회전력이 바로 1kgf.m이다. 물체에 작용하여 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량으로서 비틀림 모멘트라고도 한다. 또한 턴의 작용과 반작용의 법칙에 따라 회전체에 달려있는 물체는 회전방향의 반대로 돌아가려는 힘을 말한다. 엔진의 최대 토크값이 1kgf·m/5,000rpm이라면, 이것은 엔진이 분당 5,000회 회전할 때 크랭크축에서 1m 길이의 막대 끝에 1kg의 힘이 가해진다는 뜻이다. 토크에 시간개념인 분당회전수를 적용한것을 마력이라 부르며 고속회전에 높은 토크값을 발생시키는 엔진일수록 마력은 높아진다.[2]
엔진의 마력
엔진의 마력은 토크×엔진회전수로 나타낸다. 토크는 실린더에서 폭발하는 폭발력과 직접 관련되고, 높은 엔진회전수에서도 폭발력이 잘 유지되면 마력도 커진다. `마력=토크×엔진회전수` 라는 공식에서 몇가지 사실들을 알 수 있다. 먼저 마력을 높이려면 엔진의 회전력인 토크 자체를 키우거나 높은 회전수에서도 토크가 떨어지지 않게 하면 된다. 엔진이 개발된 초창기에는 엔진 회전력만을 높이기 위해 많은 노력을 기울였다. 이후 같은 회전력으로도 엔진회전수를 높이면 마력이 커진다는 사실을 알고 엔진회전수를 높이기 위해서만 노력을 해왔다. 승용차보다 스포츠카의 엔진회전수가 높고, 고성능 경주차일수록 엔진회전수가 더 높은 것은 이런 이유에서다. 토크와 마력 모두 엔진의 성능을 나타내는 기준이 되지만 좀더 부각되는 것은 마력이다. 힘 좋은 일꾼이 무거운 짐을 옮길 수 있지만 재빨리 움직이지 못하면 결과적으로 하는 일은 가벼운 짐을 재빨리 나르는 일꾼에 비해 떨어질 수밖에 없다. 그래서 토크에 엔진의 회전수를 곱한 마력이 엔진의 가속능력 등 성능을 좌우하게 된다. 일반적으로 휘발유 엔진은 회전수를 높이기 쉬워 마력이 크고, 경유를 쓰는 디젤엔진은 압축비가 높아 회전력은 커지지만 마력이 떨어진다. 디젤엔진은 마력에 비해 토크가 크고, 휘발유 엔진은 토크에 비해 마력이 큰 셈이다. 엔진의 이 같은 특성으로 인해 화물차, 승합차 등 빠른 속도보다는 큰 힘을 발휘해야 하는 차는 디젤 엔진이 적합하고, 큰 힘보다 운동성능이 중시되는 승용차에는 휘발유 엔진이 주로 사용된다.[3]
토크와 마력의 차이
자동차를 이야기 할 때 자주 사용하는 말이 토크와 마력이다. 마력은 말의 힘이라는 의미로 이는 말과 증기기관을 비교하기 위해 만들어진 것으로 우리나라에서는 ps(미터마력)을 다윈로 사용한다. 1ps는 75kg 물체를 1초동안 1미터 옮길 수 잇는 힘을 뜻한다. 토크는 자동차의 크랭크 축이 회전하는 힘을 말한다. 토크 단위는 ㎏.m로 1㎏.m은 1m 짜리의 막대기를 1㎏의 힘으로 회전시키는 것을 의미한다. 마력과 토크의 차이점은 토크는 바퀴를 돌리는 힘이고 마력은 달릴 수 있는 힘이다. 토크는 순간적인 가속의 힘이라면 마력은 토크에 지속성에 더해진 지속적인 힘인 것이다. 동일한 마력을 기준으로 토크가 높은 차량은 순간적인 가속이 좋고, 언덕주행에 유리하다. 반대로 동일한 토크를 기준으로 마력이 높은 차량은 최고속다가 빠르고 평지주행이 유리하다. 차를 평가할 떄 흔히 힘이좋다는 토크가 높다는 것이고 최고속도가 빠르다는 것은 마력이 높다는 의미이다. 하지만 객관적인 자동차 마력과 자동차 토크 수치만으로 그 차를 함부로 평가할 수는 없다. 중요한 요소지만 차량의 무게나 부품 성능 등 각종 다양한 특성이 작용한다.[4][5][6]
가솔린.디젤 엔진 차이
가솔린 엔진은 마력이 높은 반면에 토크가 낮고, 디젤 엔진은 토크가 높은 대신 마력이 높다고 흔히들 말한다. 두 엔진이 서로 다른 성능을 보여주는 것은 엔진의 작동원리와 더불어 연료 자체의 차이 때문이기도 하다. 디젤 엔진의 경우에 압축을 통해 폭팔을 유도해 엔진을 회전시키기 때문에 엔진의 회전수가 가솔린 엔진에 비해 낮은 편이다. 하지만 폭팔하는 힘이 더 커서 토크는 더 강하다고 이야기한다. 디젤 연료 자체가 가솔린에 비해 큰 폭팔력을 갖기 때문에 토크가 상대적으로 크다고 이야기한다. 그래서 같은 배기량, 같은 트랜스 미션 같은 타이어를 장착한 두 개의 다른 엔친을 출발시키면, 처음에는 디젤 엔진이 더 빨리 출발하지만, 시간이 지나면 가솔린 엔진이 더 빠른속도로 도달한다. [7]
엔진회전수
최고출력, 최대토크
최고출력과 최대토크를 나타낼 때 엔진회전수를 같이 표기하는 이유는 엔진이 발휘할 수 있는 토크가 엔진회전수에 따라 달라지기 때문이다. 보통 4행정 엔진의 실린더 하나는 크랭크축이 2바퀴 돌 때 한번 폭발력을 얻는다. 4기통이면 2바퀴 회전할 때 4개의 실린더에서 폭발이 일어난다. 6기통 엔진은 2바퀴 회전할 때 6번의 폭발이 생긴다. 엔진의 토크는 `실린더 하나의 폭발력×회전수`에 비례하게 된다. 폭발이 생기는 횟수가 회전수에 비례하므로 엔진 회전이 빠를수록 많은 폭발력을 얻을 수 있기 때문에 엔진에서 발휘되는 힘은 회전수가 높을수록 커진다. 그렇기 때문에 낮은 회전수에서는 충분한 엔진힘을 얻을 수 없다. 하지만 엔진회전수가 빠르다고 항상 토크가 커지는 것은 아니다. 실린더에서 생기는 폭발력은 모든 회전수에서 같은 것이 아니기 때문이다.
연료
공기와 연료를 섞어 태우는 내연기관은 어떤 연료를 어떤 상황에서 태우는가에 따라 연소되는 속도가 다르다. 적절한 타이밍에 순식간에 연소되면 폭발력이 커지고, 연소되는 시간이 길어져 엔진힘을 얻는 시간도 많이 걸리면 순간적인 힘이 약해진다. 엔진에서 연료와 공기가 연소되기 위해서는 짧지만 일정한 시간이 걸린다. 이 시간 때문에 지나친 고회전에서는 폭발력을 이용할 수 있는 시간이 짧아져 연료가 연소할 때 충분한 힘을 뽑아낼 수 없다. 입자가 작은 휘발유는 연소하는데 시간이 적게 걸리고, 입자가 큰 경유는 입자가 커 연소시간이 길다. 이런 이유로 휘발유 엔진은 높은 회전수에서 큰 폭발력을 얻을 수 있고, 디젤 엔진은 최대토크가 낮은 회전수에서 나온다. 어떤 연료를 쓰는가에 따라 연소효율이 가장 좋은 회전수가 달라진다. 공기와 연료를 받아들이는 엔진구조가 어떻게 되어있는가에 따라 많이 달라진다. 가능하면 넓은 회전수 영역에서 연소효율을 높이는 방안이 많이 강구되어왔다. 대표적인 것이 가변흡기 시스템과 가변밸브 타이밍이다. 가변흡기 시스템은 공기가 흡입되는 매니폴드의 길이를 고회전일 때는 짧아지도록 만들어 흡입효율을 높이는 VICS(Variable Inertia Charging System)가 대표적인 예다. 가변밸브 타이밍(Variable Valve Timing)은 고속에서 흡기쪽 캠샤프트가 회전하는 각도를 변화시켜 흡입효율을 높여주는 장치다.
마찰
토크가 유지된다면 고회전을 사용하기만 하면 파워가 커질텐데 하는 아쉬움 때문에 엔진회전수의 붉게 표시된 영역(레드존)까지 엔진회전수를 쓸 수 있도록 ECU를 튜닝하기도 한다. 엔진회전수에 제한을 두는 것은 마찰 때문이다. 엔진이 6천rpm으로 회전한다면 1초에 100바퀴 도는 것이고, 피스턴은 100번 왕복하게 된다. 피스턴의 스트로크(stroke, 작동거리)가 10cm라고 할 때 `10cm×2왕복×100회`하면 1초에 20m를 움직인다는 계산이 나온다. 피스턴이 빨리 움직이면 그만큼 마찰이 커지고, 피스턴 링, 피스턴과 같은 부품이 열로 손상을 입는다. 이런 이유로 내구성 보강 없이 엔진회전수를 높이는 튜닝은 무모한 것이다.[8]
단위
연비를 측정하는 단위가 다른 것처럼 특정 국가별로 사용하는 단위가 조금씩 다르다. 연비를 측정하는 단위가 다른 것처럼 말이죠.한국은 마력을 hp(Horse Power)라고 하고 토크를 표기할 때도 kg.m로 표기하는 반면, 프랑스나 일본은 ps라는 단위를 사용한다. 둘 다 같은 마력을 뜻하지만, 수치가 약간 다를 수 있는데, 이는 당시 영국과 프랑스가 사용하던 도량형의 차이 때문이다.[7]
각주
- ↑ 강도원 기자, 〈자동차 성능의 기준? 지금은'토크' 시대〉, 《조선비즈》, 2014-11-18
- ↑ 〈토크〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈엔진의 종류와 분류 엔진 성능의 잣대, 마력과 토크〉, 《자동차 생활》, 2000-05-29
- ↑ 이석희 기자, 〈(카드뉴스) ‘마력 vs 토크’ 어떤 차이가 있을까?〉, 《뉴스웨이》, 2017-05-02
- ↑ 이다일 기자, 〈(자동차 대백과)마력과 토크는 무슨뜻일까〉, 《경향신문》, 2011-02-18
- ↑ 김종화 기자 기자, 〈(과학을읽다)수수께끼 자동차 용어-②토크와 회전수〉, 《아시아경제》, 2020-02-14
- ↑ 7.0 7.1 〈내 차의 엔진 성능 제대로 알고 사자! 마력과 토크〉, 《kixx엔진오일》, 2018-04-10
- ↑ 〈엔진의 종류와 분류 엔진 성능의 잣대, 마력과 토크〉, 《자동차생활》, 2000-05-29
참고자료
- 강도원 기자, 〈자동차 성능의 기준? 지금은'토크' 시대〉, 《조선비즈》, 2014-11-18
- 〈토크〉, 《네이버 지식백과》
- 〈엔진의 종류와 분류 엔진 성능의 잣대, 마력과 토크〉, 《자동차 생활》, 2000-05-29
- 이석희 기자, 〈(카드뉴스) ‘마력 vs 토크’ 어떤 차이가 있을까?〉, 《뉴스웨이》, 2017-05-02
- 이다일 기자, 〈(자동차 대백과)마력과 토크는 무슨뜻일까〉, 《경향신문》, 2011-02-18
- 김종화 기자 기자, 〈(과학을읽다)수수께끼 자동차 용어-②토크와 회전수〉, 《아시아경제》, 2020-02-14
- 〈내 차의 엔진 성능 제대로 알고 사자! 마력과 토크〉, 《kixx엔진오일》, 2018-04-10
- 〈토크와 마력 엔진의 특성을 나타내는 기본 단위〉, 《자동차생활》, 2001-06-30
같이 보기
