토크와 마력 그리고 엔진 다이나모 그래프

마력은 토크에다가 회전수 (RPM)를 곱한 것이다.

마력(HP) = 토크 x RPM x 0.001396 

 

자동차 구입시 제원표에 항상 엔진을 설명하면서 표시되는 말이 마력과 토크입니다. 그런데 우리가 토크란 말을 자주 사용은 하지만 피부로 쉽게 와 닿지는 않는 말이 분명합니다. 특히 과학적인 접근과 분석이 생활화가 안 된 우리나라 사람들에게는 더더욱 그러한 것 같습니다. 

 

토크란 회전력이라고 하는데 이 회전력이란 것이 언뜻 이해가 가야 말이지요. [회전력은 물체를 회전시키려는 힘을 말하며 그 회전력은 힘과 힘이 작용하는 반지름의 길이로 표시한다.]라는 것이 교과서의 설명입니다. 

 

자 그럼 봅시다.

자동차는 엔진의 폭발로 크랭크축이 회전하는 힘으로 굴러가는 것은 분명합니다. 그러면 여기에는 당연히 회전력이 강한 것이 있을 수 있고 약한 것이 있을 수 있을 것입니다. 얼마나 강한 힘으로 회전하느냐를 말하며 얼마나 빨리 회전하는 것과는 다른 차원입니다.

 

만약에 회전력이 아주 약하다면 가파른 언덕을 올라가지 못할 경우도 생겨나겠지요. 차량의 무게를 못 이겨서 뒤로 밀릴 수도 있지 않겠습니까?

 

언덕길에는 고단 기어로 주행하는 것보다는 저단 기어로 저속 주행하는 것이 힘이 좋고 휘발유 차량보다는 경유차량이 힘의 좋은 것은 우리들이 경험으로 알고 있습니다. 바로 이 것이 토크의 차이입니다. 속도와 연관이 많은 마력과는 분명이 다른 것입니다. 

 

일반적으로 토크는 엔진의 연소 상태와 흡입 효율 그리고 연료의 종류 등에 따라서 변하게 됩니다. 따라서 고속이나 저속회전에서는 약하고 중속회전일 때가 가장 강하다고 합니다. K5나 YF 2,000cc의 경우는 4,600 RPM 에서 20.2로 가장 강하며 최고 마력은 6,200 RPM 에서 165로 가장 높게 나온답니다. 이건 무슨 법이나 규칙이 아니고 현대 엔진이 그렇게 만들어 졌다는 이야기입니다.

 

다이나모 측정 광경, 국내에도 들어와 있는 이 회사 제품은 장비의 이동이 가능하여 편리하다. 

 

좀더 이론적으로 접근해 보면 토크는 kg과 반지름의 단위인 미터(m)로 나타냅니다. 즉 kg.m로 K5의 경우 최대 토크는 20.2 kg*m/ 4,600 RPM으로 표시가 됩니다. 4,600 RPM에서 1 미터 반지름의 원(?)에서 20.2 KG 의 크기로 회전시킬 수 있는 힘을 가지고 있다는 이야기입니다.  

 

여기에 반하여 HP 또는 PS로 표기하는 마력은 실제로 행하여진 일을 말합니다. 즉 단위 시간당 몇 키로의 무게를 얼마나 들어 올리는가로 측정을 합니다. 즉 회전력에다가 시간과 거리의 개념이 추가된 것입니다. 1PS(마력) = 75kgm/s 입니다. 1초의 시간에 75키로그램의 물건을 1미터 들어 올리는 힘을 말합니다. 이렇게 설명하면 잘 이해가 안되어야 정상입니다. 회전 어쩌구 저쩌구 하더니 갑자기 무슨 들어 올리는 일이라니 당최 와닿지가 않습니다.

 

그럼 쉽게 권투에 비하여 말씀드리면 토크는 주먹의 세기입니다. 강펀치는 토크가 크고 약펀치는 토크가 작고 마력은 펀치의 세기와 펀치가 나간 횟수(RPM)를 곱한 것 즉 상대방이 받는 충격입니다. 그러니까 강한 펀치로 여러번 가격하면 상대방이 굴복하겠지요. 그렇다고 너무 빠른 속도로 자주 때리면 펀치의 강도가 약할 거고 그게 바로 고회전에서는 토크가 약하다는 것입니다. 적당한 속도로 강하게 가격하는 것이 최선 즉 최대 마력이 나오는 구간입니다. 

 

K5의 경우 6,200RPM 이상으로 악셀을 밟아도 그 이상에서는 토크가 떨어지므로 더 이상 출력이 올라가지는 않는다는 것입니다. 그렇다고 6,200RPM 이하로 내리면 4,600 까지는 토크는 올라가겠지만 회전수 자체가 줄어들므로 출력이 떨어지고 결국 6,200이 가장 적당한 힘으로 적당한 속도로 회전한다는 이야기입니다. 

 

그럼 여기에서 토크와 마력의 환산법을 알아보겠습니다. 앞에서 언급한 K5의 경우 최고 토크가 나오는 4,600 알피엠에서의 마력은 얼마인지를 계산하려면 20.2 kg의 힘으로 반지름 1미터의 원주를 1분에 4,600 회전한 일을 한 것이므로

20.2(토크) x 2(지름) x 3.14(원주률) x 4,600(RPM) = 583,537.6kg

이 숫자를 1마력이 75kg 이므로 75 나눈 다음 분을 초로 환산하기 위하여 다시 60으로 나누면 마력이 산출됩니다.

583,537.6 ÷ 75 ÷ 60 = 129.67 ps

 

이를  미리 계산하여 간편한 환산 공식을 만들면 다음과 같습니다.

마력 = 토크 x RPM x 0.0014

토크 = 마력 / RPM / 0.0014 

 

K5의 경우 6,200 알피엠에서 165 마력이 최대 출력이지만 최대 토크가 나오는 4,600 알피엠에서는 130 마력에 불과하다는 것을 알수 있습니다. 반대로 6,200 알피엠에서의 토크를 계산해 보면 19.1kg.m 가 산출됩니다. 그 역시 최대 토크가 나온다는 4,600 rpm의 20.2에는 못미치는 수치입니다. 

 

참고로 경유차량을 보면 산타페 더스타일의 경우 최대 토크는 1,800 ~2,500 알피엠에서 40kg.m 이며 최대 출력은 4,000 알피엠에서 184ps입니다. 경유차량이 토크가 월등히 좋기 때문에 언덕길이나 무거운 짐을 싣고서도 제힘을 발휘하는 것입니다.

 

그럼 여기서 실제 엔진 다이나모 그래프를 한번 보겠습니다.

 

오래전에 투스카니 엘리사에 고성능 흡기시스템인 CDA를 장착하고 나서 엔진 다이나모 측정한 그래프입니다. 청색이 순정필터 적색이 흡기 시스템 CDA를 장착하고 난 후입니다.

 

헷갈리니까 청색은 무시하고 우선 붉은 색만 봅시다. 처음부터 높게 시작하는 것이 토크곡선입니다. 최대 23.6까지 나옵니다. 토크곡선은 처음부터 높게 거의 수평을 유지하다가 3,500 넘어서 거의 4,000에서 최대를 찍은 후 내려 오다가 5,000이 넘어서면서 갑자기 뚝 떨어지게 됩니다.

 

그 반면 마력곡선은 회전수가 낮으니까 처음에는 밑에서 시작합니다. 그리고 서서히 계속 올라가 토크곡선이 내려오는 4,000선을 지나서도 한참을 더 올라가 5,000을 넘어서 최대 160.1ps을 찍은 다음에 거의 수평유지를 하다가 6,000대에 가서야 떨어지는 것을 알 수있습니다. 비록 토크는 진작부터 하향곡선을 보이고 있었지만 회전수는 계속 높아지므로 출력은 한참을 더 올라가는 것입니다.

 

이번에는 흡기 튜닝을 하기전인 청색을 봅시다. 처음부터 수평유지하다가 크게 오르지도 못하고 3,500 넘어서자마자 최대인 21.7의 파워를 분출한 후 4,500과 5,000의 중간쯤에서 파워가 뚝떨어지기 시작합니다. 마력은 아까와는 다르게 꾸준히 오르다가 6,000에서 최대치인 147.1을 시현합니다. 즉 이미 훨씬전인 3,700 쯤에서부터 힘이 떨어지기 시작한 엔진을 가지고 무리하게 회전수를 6,000까지 높여서 억지로 최대 출력을 나오게 하는 것 같아서 안스럽습니다.

 

여기서 흡기 튜닝의 효과는 두 가지입니다.

하나는 누구나 알 수 있듯이 그 크기가 21.7에서 23.6으로 커졌다는 것입니다.

또 하나는 그 최대 토크가 3,700에서 나오던 것을 4,000으로 옮긴 것 그리고 하향 시작점이 4,000 후반대에서 5,000 초반으로 미루었다는 점입니다. 이 점은 토크 크기 자체를 키우는 것 이상으로 효과가 큰 것입니다. 일반 사람들이 지나치기 쉬운 점은 즉 별 염두에 두지 않는 점이 바로 토크가 어느 RPM에서 최대가 되며 어느 선에서 뚝 떨어지는가 입니다.

 

그럼 여기서 최근의 인기 차량인 YF나 K5의 엔진과 비교해 봅시다. 그래프 없이 우선 알고 있는 제원표의 데이타만 가지고서 말입니다. 아 그러고 위와 같이 메이커에서 발표하는 제원표의 데이타와 실제 차량으로 측정하는 다이나모 측정치와는 항상 오차가 발생합니다. 그 것은 엔진을 실제 차량에 장착하고나면 토크 손실이 있기 때문입니다.

 

하여튼 현대에서 공표한 두 차량의 데이타는 아래와 같습니다. 

엘리사 2,700cc : 25/4,000   167/6,000 

YF, K5 2,000cc : 20.2/4,600  165/6,200 (YF나 K5는 동일함)

토크는25와 20.2로 배기량의 차이만큼이나 차이가 분명하게 크게 나는데 왜 최고 출력은 167와 165로 비슷할까요?  이게 바로 토크곡선의 특성 차이입니다. 토크는 크기만 중요한 것이 아니라 어느 회전속도 구간에서 크냐가 중요하기 때문입니다. 비록 그래프는 없지만 토크 곡선이 고 RPM 영역대까지 쭉 벋어가고 있다는 것이 미루어 짐작이 됩니다. 

 

결론적으로 최근의 현대차 엔진들은 과거에 비하여 힘(토크)이 갑자기 커졌다기보다는 최대 토크 구현 영역대가 예전보다 훨씬 더 고회전으로 이동하게 개선 발전하여 최근에 출시되는 신차들의 출력이 크게 높아졌다는 것을 알 수 있겠습니다.  

 

 

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