엔진 출력을 중심으로 한 엔진 튜닝
엔진 성능을 위하여 튜닝을 계획 할 때는 먼저 내구성과 함께 성능을 중시하는 것이 기본이며
엔진의 기본적인 형태와 함께 튜닝을 하기 위하여 총체적으로 점검하고 성능으로서 다음의 요소로 나누어 생각할 수 있다
1).성능
출력, 연비, 음진, 배기, 등 일반적으로 성능이라고 지층 되는 것과 자동차의 중량, 치수, 도 함께 한다.
2).기능
냉각, 윤활, 온도, 브로바이 가스등 엔진이 정상으로 기능하기 위한 부품 정리
3).내구 신뢰성
튜닝을 목적으로 한 차량의 엔진이 정해진 기간동안 정상으로 기능하고 그 성능을 유지하는 것이며
위와 갗이 크게 3 가지로 압축하여 말할 수 있으나 작업을 하고자 할 때는 세부적으로 충분한 데이터와 기술이 함께 수반 되어야 한다.
좀더 세부적으로 성능과 시스템에 대하여 알아보자
1)출력
엔진의 기본 체계, 연소실의 형상 크기 면적, 흡기 밸브 형상 흡기통로 계, 배기밸브 형상 배기 파이프 면적 형상 계, 냉각계통 , 연료계통 , 과급기의 크기 모양 배치 관계,
2)연비
엔진의 제어 시스템 본체계, 연소실의 압축비 형상, 흡기 효율, 냉각 성능, 연료 계통, 구동 부분의 마찰 계수,
3)레스 폰스
주운동계의 운동 성능 , 흡기계통의 빠른 흡기 효율 , 연료계통의 압력, 제어계통의 정리, 과급기의 효율성능,
4)음진
CC별 엔진체계, 주운동계, 구동계통, 흡기형상, 배기파이프의 크기와 형상 소음기 계통,
5)배기
연소실과 배기 매뉴홀드 길이 형상 , 배기파이프 길이 크기 형상, 배기 중 소음기 크기 형상, 과급기계,
6)치수
엔진의 크기, 주 운동계, 동력전달 매체, 구동계통, 과급기계,
7)중량
차량 전체의 형상, 전체 무게, 구동 방식,
8)신뢰성
엔진의 성능과 마모율, 주 운동계, 동력전달계, 구동계통, 냉각효율, 윤활계통, 연료계통, 점화계통, 제어계통, 성능 업그레이드를 위한 튜닝을 하기 위하여 성능 설계를 생각할 때 먼저 위와 같은 항목을 중시하고 이것을 구현하기 위한 시스템이 갖추어 져야하며 충분한 연구가 있어야 한다.
고출력화의 수단
엔진의 고 출력을 위해서는 먼저 공기를 많이 흡입할 것 양호한 불꽃으로 연소가 잘될 것 에너지를 유효하게 출력할 것 이 3 가지 요소로 압축 된다
흡입 공기량을 증대시키는 데는 기본적으로 크게 4가지로 압축 할 수 있다
1)대 배기량으로 한다.
여기서 배기량(CC)을 크게 하는 것은 엔진 내부 피스톤이 동일 기통수가 전재이다
엔진의 배기량(CC)을 크게 함으로써 출력을 높이는 방법은 미국 차에 많이 있었던 수법으로 구체적으로는 보어 업(엔진블록 과 피스톤)이나 스트록(피스톤 행정) 업 또는 압축비를 낮추어 하는 두 가지 방법에 의해 비교적 간단히 실현할 수 있다.
그러나 동일 계열의 엔진에서 배기량 증대를 실현하기 위해서는 엔진의 크기(구체적으로는 보어 피치나 데크하이트)에 여유가 없으며 크게 배기량을 높이는 것은 어렵다 또한 압축비도 온도나 노크성향 때문에 한계가 있다.
국산 엔진은 생산시 이미 최대배기량을 상정하여 나오는 것이 많으며 기존에서 보어 업이나 스토록업을 하기에는 충분치 못하다.
그러나 대 배기량 화에 의한 출력향상은 모든 부분에서 가장 확실한 방법이다
여기에 하이 기어드의 변속으로 하면 연비의 저하도 맞을 수 있다
그러나 기어 비를 변경하지 않고 사용하면 이를 테면 같은 회전수, 토크로 사용하면 대 배기량 화 한 것만큼 프랙션(friction) 이 증가하여 펌프 손실도 증가하므로 당연 연비는 나빠진다.
또한 보어를 크게 하면 피스톤이 무거워져서 관성력이 커지게 되며 스트록을 크게 하면 역시 가속도가 커져서 관성력이 커진다.
즉 기진력이 증가하여 진동이 커지게 된다.
또한 관성력이 증가하면 그만큼 운동 부분에 걸리는 힘이 커지므로 베이스 엔진 정도의 고회전 영역을 사용할 수 없게 된다.
연소 면에서도 보어 업 하면 연소실이 커진 것만큼 연소 시간이 길어져서 연비 소질이 나빠진다.
이러한 여러 가지 면에서 대 배기량 화 한다고 100% 성능을 낼 수 없다.
N/A 승용차량의 1기통당 배기량은 500cc - 600cc 가 상환이라고 할 수 있다 .
즉 4기통에서는 2-2.4ℓ, 6기통에서는 3-3.6ℓ, 8기통에서는 4-4.8ℓ 가되며
5ℓ 이상에서는 V12 라는 것이 일반적인 것이다.
그러나 포르쉐 같은 스포츠카인데도 불구하고 4기통의 3ℓ 엔진을 사용하고 있다.
이것은 보어 지름을 100mm 이상으로 하여 스트록을 작게 함으로써 피스톤 스피드를 억제하여 최고회전을 떨어뜨리지 않도록 하고 있다.
보어 지름이 커지므로 2차적으로 회전 관성을 증가 시켜야 하므로 크랭크 휠의 크기와 무게의 중심을 주어 관성을 도모해야 하며 냉각손실의 악화 와 연소 소질의 악화를 억제하기 위하여 압축비를 증대시켜야 하며 , 실린더 블록의 워터 재킷의 최적화 등으로 대처해야 한다.
2)흡배기 출입구를 대형화 한다
흡배기 출입구의 대형화의 수단으로 숏 스트록 화 ,멀티밸브 화, 다기통화가 되어야 한다. 또한 흡배기 밸브의 형상을 공기 흐름이 좋도록 해야 한다.
숏 스트록화 나 보어의 면적을 크게 함으로서 흡배기 밸브 면적을 크게 할 수 있으나 고회전 영역에서는 저항이 커지므로 메릿 현상이 나타난다.
또한 저속에서는 흡기의 유속이 늦어지는 것만큼 연소실내의 가스 유동이나 연료와 공기의 혼합이 나빠져서 연소가 악화하여 토크가 떨어지는 때가 있다.
그러나 DOHC 엔진의 멀티플화 한 엔진에서는 흡배기 밸브를 4밸브로 고회 전에 유리 한 기술로 자리 매김 한 상태다.
또한 장점으로서는 플러그의 위치이나 플러그 위치가 중앙에 있으므로 점화 효과를 높일 수 있게 되었다
공기 흡입 관성력을 위하여 공기 통로의 지름이나 구부림 정도를 맞추어 주므로 인하여 동일 엔진에서도 충분한 파워를 얻을 수 있다.
배기관에도 기통별로 배기 흐름을 원활하게 함으로서 흡입 효율을 얻을 수 있으며
대폭적인 고속화를 실현 할 수 있다.
배기 는 기통별로 파이와 길이에 의하여 유속의 차이를 두고 있으며 배기온도의 손실에도 유속의 차이가 많이 난다
3)단위 시간당 흡입 공기량의 증가를 유도 한다
단위 시간당 흡입 공기량을 증가시키는 방법으로는 고회전이 가장 유리 하다
또한 2 사이클 엔진도 현재 연구 중으로 있다.
출력은 토크 x 회전수 에 비례하므로 같은 토크를 높은 회전으로 발생시키면 그만큼 고 출력화 할 수 있다.
그러나 고 회전에서는 주운동계의 걸리는 관성력은 회전수의 그 곱에 비례하므로 고 회전화 하면 가속도 적으로 관성력이 증가 한다
이 때문에 각 운동부분에 강도 높은 재질을 사용해야 하는 불편도 있다.
예를 들면 6000rpm을 8500rpm 으로 올리면 관성력은 2배가 된다
같은 기통에서는 보어 지름에 의한 흡입구의 크기와 흡배기 밸브의 각도 흡입구의 형상 등으로 흡입 효율을 높일 수 있으며 무리 없이 토크 상승효과를 기대 할 수 있다.
또한 흡입구나 배기파이프의 크기와 길이 형상에 의하여 흡입이나 배기 효율을 높일 수 있다.
4) 자연흡기 엔진(Natural Aspiration, NA)의 한계
자동차용 내연기관(Internal Combustion Engine)의 일반적인 엔진 형식인 4사이클 엔진이나 로터리 엔진은 공기와 연료를 엔진이 요구하는 혼합비(14.7:1공연비)로 연소시킴으로써 엔진의 출력을 얻는다.
엔진의 출력을 증가시키기 위해서는 위에서 서술 한 것처럼 다량의 공기와 연료를 실린더 안에 공급함으로서 출력의 상승과 파워를 얻을 수 있다 .
이 공급된 양이 결국 실린더 내에 흡입되는 공기량의 많고 적음에 따라 충진 효율이라 불리며 이 효율의 양이 엔진의 출력을 말한다.
그러나 이를 위해서는 배기량의 증가나 흡입 밸브, 배기 밸브의 수를 증가시켜도 대기압 이상으로 실린더 내의 흡입 압력을 높이기는 불가능하다.
이것이 NA 엔진의 한계이다.
이와 같은 자연(대기압)에 맡기는 흡입방법으로의 출력 증가에는 한계가 있다.
현재 시판되는 자동차는 N/A 4기통 에서 약 125마력이라는 것이 하나의 벽이다.
여기서 충진 효율이라는 것을 확인하고 넘어가자. 회전 부분에서 이론상 흡입 가능한 공기량은 [배기량× 엔진 회전수× 0.5(4 사이클)], 실제로 흡입가능한 양은 이에 못 미치고 만다.
4밸브나 5밸브라는 것은 이 때 흡입 면적을 증가시켜 저항을 가능한 한 적게 하기 위한 방법인 것이다.
이 이론 상의 숫자에 대해 실제 흡입가능 한 공기량을 충진 효율이라고 하는데,
충진 효율 = 실제 흡입된 공기량 × 100%
이론 상 흡입가능 한 공기량으로 나타낼 수 있다.
아무리 애써도 대기압 (760m/kg) 이상은 들어가지 못하기 때문에
통상, NA 엔진으로는 충진 효율이 85~95%에 불과하다.
이 정도 밖에는 흡입이 불가능하다. 단지 여기에 폭발을 돕기 위하여 공기의 흐름을 난류로 바꾸는 방법이 있으나 이것도 한계가 있다.
그러나 터보에 의해 과급하면 이 벽은 깨진다.
결론부터 말하자면, 비싸고 무거우며 큰 멀티 밸브를 사용하지 않고도 단순한 2밸브 SOHC형 엔진에서도 최신 N/A 엔진에 의해 아주 많은 공기를 흡입할 수 있다.
이것이 과급장치인 터보차저인 것이다.
부압에 의해 엔진의 실린더 내에 공기나 혼합기를 자연적으로 흡입시키는 것이 아닌 강제적으로 보내 출력을 증가시키는 과급기라는 방법이 등장해 엔진 출력은 비약적으로 향상되었다.
5)과급기를 사용한다.
출력을 높이기 위해서는 고회전화는 회전수를 높이는 것에 비해서 과급에는 토크를 높임으로써 출력 향상을 얻을 수 있다.