“아빠, 아빠 차는 시끄러운데
왜 쟤네 차는 조용해?”
만약 아이가 이렇게 물어봤다고 가정하자.
그 때 당신은 진땀을 흘리다
이렇게 대답할 수 있다.
“아빠 차는 크고 높은데-
쟤네 차는 낮잖아.”
물론 그 차가 이런 차라면 먹히겠지만
이런 차면 씨알도 안 먹힐 걸요.
“우리 차가 안 좋은 거구나......”
아이의 돌직구에 상처받을
당신을 위해 준비한 두 번째 스토리.
시작합니다.
『높은 차가 유난히 시끄럽네?』
거리를 걷다보면 간혹 보이는 각진 지프차.
이 차들은 대게 시끄럽습니다.
덜덜덜덜 거리죠.
이것보단 세련되게 생긴 높은 차들도
택시보다 시끄러운 건 모두가 아는 사실입니다.
왜?
왜 조용한 차 냅두고 사람들은
그런 차를 끌고 다니는 걸까요?
그 시끄러움을 참아낼 수 있는
무언가가 있는 걸까요?
『자동차 연료는 다섯 종류』
이야기 하기에 앞서
자동차 연료엔 뭐가 있을까요?
많은 분들이 가솔린, 디젤까진 알고 있을 겁니다.
이 외에도 택시들이 사랑하는 LPG와
친환경차로 주목받는 ‘전기’ 도 있죠.
또한 ‘수소’ 도 적지만 사용중입니다.
그 중 오늘 이야기 할 것은 가장 널리 알려진
가솔린, 디젤엔진에 대해서인데 그 이유는
1. 두 엔진이 현재 가장 범용적이고
2. 두드러지는 특징을 가지고 있기 때문입니다.
『이 차는 왜 시끄러워?』
어느 날 친구가 당신 차를 탔다고 가정해봅시다.
그 친구는 달달거리는 엔진 소리에
“야, 이 차 왜이렇게 시끄럽냐?”
라고 물었습니다.
그 때 당신은 “디젤차니까.” 라고 말할 겁니다.
친구가 또 묻습니다.
“디젤이 시끄러운 이유가 뭔데?”
이 때, 당신은 뭐라고 말할 건가요?
그러게. 라고 말할 수는 없잖아요?
『디젤엔진』
가솔린엔진과 디젤엔진은 작동방식이 다릅니다.
이는 휘발유, 경유의 차이 때문에
달라지게 된 것입니다.
기름에는 인화점과 발화점이 있습니다.
간단히 인화는 자극에 의해 불이 붙는 것,
발화는 스스로 불이 붙는 걸 말합니다.
인화점, 발화점에 대해 간단히 설명되어 있다.
자동차 엔진은 이 두 가지 특성을
이용해 만들어지게 되었습니다.
오늘은 디젤엔진이 주인공이니
디젤에 대해 얘기해보죠.
디젤, 경유라고 불리는 이 녀석의 특징은
인화점이 높고, 발화점이 낮다는 것입니다.
인화점이 약 45℃, 발화점은 280℃ 입니다.
가솔린에 비해 인화점이 높고, 발화점이 낮은
연료의 특성을 이용해 만든 디젤엔진은 가솔린
엔진과 작동방식에 큰 차이를 보이게 됩니다.
『자기착화방식』
디젤엔진은 자기착화방식으로 동력을 냅니다.
방법은 아주 간단합니다.
1. 아래쪽만 움직일 수 있는 밀폐된
원통을 준비합니다.
2. 뜨거운 경유를 원통 안에 칙칙 뿌립니다.
3. 아래쪽 부분을 원통 천장을 뚫을 기세로
밀어줍니다.
이런 과정을 거치면
1. 넓었던 공간이 좁아지며 경유와 함께 혼입된 공기가 엄청난 밀도로 모입니다.
2. 공기가 압축되면서 분자 움직임이 극도로 활발해지며 열을 발생시킵니다.
3. 이 열이 경유에 복사되면서 발화점(착화점)에 도달해 폭발하게 됩니다.
“압축된다고 발열이 발생하나요?”
분명 이런 의문을 가지실 분이 계실 겁니다.
저도 여러분께 이 내용을 전달하려고 하다
같은 의문을 가졌었기 때문입니다.
그래서 저는 아카이브에게 이 내용을 질문했고
거기서 얻은 해답이 단열압축현상입니다.
자세한 내용은 해당 블로그를 참조하시면 될 것이고 저는 정말 이해하기 쉬운 예시를 들어드리도록 하겠습니다.
엔트맨을 개미만한 직육면체에 가둬둘 겁니다.
진격의 거인같은 당신은 한 손가락으로
직육면체를 누릅니다.
직육면체는 힘에 의해 찌그러지면서
천장부터 내려앉을 겁니다.
엔트맨은 살기 위해 자신의 두 손을
내려앉는 직육면체 천장을 받칩니다.
죽기 살기로 온 힘을 주어 자신이 있을
공간을 넓히려고 발버둥을 치겠죠.
이 때 엔트맨의 체온은 급격히
상승하게 될 것입니다.
자신이 죽지 않으려면 전력을 다해
당신의 손가락을 밀어내야 하기 때문이지요.
여기서 엔트맨=공기,
당신의 손가락이 압축을 하는 ‘피스톤’
으로 볼 수 있습니다.
어때요? 참 쉽지 않나요?
참고로 엔트맨 2023년에 속편 나온데요 ㅎ
『좋아, 이해했어요. 근데 그거랑 시끄러운 거랑 뭔 상관?』
이 질문에 답하기 전에 우리는
가솔린 엔진의 원리도 이해해야 합니다.
다행스럽게도 가솔린 엔진의 원리는
디젤보단 쉽습니다.
먼저 가솔린, 휘발유는 경유와는 반대로
인화점이 낮고 발화점이 높습니다.
인화점은 약 –40℃ 수준 된다고 보시면 됩니다.
그에 비해 발화점은 약 300℃ 수준으로
경유보다 다소 높습니다.
“디젤 약 50℃, 가솔린 약 –40℃”
이 인화점이 제일 핵심포인트입니다.
가솔린은 인화점이 매~우 낮아서 재수없으면
불 꺼진 담뱃재에도 불 붙는 녀석입니다.
주유소에서 담배피지 말란 건
바로 이런 이유 때문이죠.
약간의 열에도 불이 붙고 폭발하는
가솔린은 굳이 디젤엔진처럼
단열압축 원리를 사용할 이유가 없었습니다.
(사실 디젤엔진은 그 탓에 무겁고, 비싸거든요.)
그래서 가솔린 엔진엔 특별한 녀석이 있습니다.
바로 불꽃을 알맞은 타이밍에 내어주는
『스파크플러그(점화플러그)』
이 녀석이 그 주인공입니다.
전기계통 누전이나 합선등으로
일어나는 그 스파크입니다.
스파크플러그는 고전류로 높은 온도의 스파크를 순간적으로 일으키는 역할을 하는데요.
1. 가솔린과 공기가 들어와 압축을 시키면
2. 스파크플러그가 지직! 스파크를 일으켜 인화!
3. 압축열+스파크로 인한 불에 의해 발화점 도달
4. 폭발!
이런 수순으로 동력을 생산해냅니다.
가솔린은 이 스파크플러그 덕분에
자기착화방식을 사용하지 않아도 되는데요.
이 점에서 두 엔진의 소음차이가 발생합니다.
『압축비』
Compression Ratio
플러그가 불꽃을 일으켜 연료를 인화시켜
불을 붙인 뒤 압축해 폭파시키는 가솔린엔진.
어떠한 장치 없이 단열압축 과정을 통해
연료의 발화, 폭발을 유도하는 디젤엔진.
그런데 뭔가 이상하지 않으신가요?
눈치 채셨나요?
“고작 점화플러그인가 하는 놈 하나 빼곤
차이가 없잖아, 멍청아!”
그렇습니다. 제 말대로라면 가솔린엔진에
부품하나 더 들어가는 것 빼곤 똑같습니다.
당연히 두 엔진은 비슷한 소음을
가져야만 하겠죠. 그런데 왜?
ㅎㅎ 사실 일부러 누락시킨 부분이 있어요.
지금부터 설명드릴 ‘압축비’ 가 그 주인공입니다.
압축비란 엔진의 피스톤이 실린더 내부의
혼합기를 압축시키는 정도를 나타냅니다.
기본적으로 가솔린은 10:1에서 12:1 수준이죠.*
반면 디젤은 기본적으로 15:1을 넘어갑니다.*
*가솔린엔진의 압축비가 12:1 이상이 넘어가면
'조기점화' 라는 현상이 일어납니다.
이 현상은 연료가 예정보다 빠르게 폭발하는
현상으로 압축비가 높아진 바람에 연료가
먼저 발화점에 도달해버리는 것입니다.
* 디젤엔진의 압축비는 이론적으로
15:1-22:1 로 보고 있습니다.
Why?
앞에서 설명드린 ‘자기착화방식’ 때문입니다.
어떠한 외부요인도 없이 압축과정만으로 연료에 불을 붙여야 하기 때문에 디젤엔진은 유난히 압축비가 높습니다.
일반적인 엔진 구조로는 그 압축비 자체를 만들어낼 수고 없기에 디젤엔진은 피스톤 모양도 다릅니다.
이렇게 디젤엔진 피스톤엔 홈이 파져있는데
이 홈이 내부의 연료와 공기 혼합기가
한데 모이는 공간이 됩니다.
즉, 디젤엔진은 가솔린엔진보다
더욱 혼합기를 압축시켜 폭발을 일으킵니다.
이러한 차이로 인해 두 엔진의
소음에도 차이가 발생하게 됩니다.
『소음 =
큰 압력에 따른 폭발력 차이』
디젤엔진의 특성상 연료 압축을
가솔린에 비해 적게는 1.5배,
많게는 2배까지 시킵니다.
그렇다보니 자연스럽게 연료폭발시
열량이 가솔린에 비해 더 많아지게 됩니다.
그 차이를 잘 모르시겠다면
당장 친구에게 전화를 걸어
“야. 두 대만 때려줘.”
라고 해보세요.
한 번은 적당히, 한 번은 전력으로
때리라고 한 뒤 그 감상을 일기에
적으시면 됩니다.
※ 장기파열 등의 부상에 대한 책임은
일체 지지 않습니다.
어쨌던 이러한 차이 탓에
디젤엔진의 폭발력이 월등히 크고
이것이 곧 ‘달달달’ 거리는 소음이 된 것입니다.
『그래서요?』
소음의 원인이 압축비 때문이란 걸 알았습니다.
그럼 소음을 얻은 디젤에게도
보상이 있어야겠죠?
자가착화방식 엔진의 가장 큰 장점은
‘힘’에 있습니다.
가솔린 엔진에 비해 폭발이 큰 디젤엔진은
그만큼 엔진의 힘, 특히 토크가 매우 쌥니다.
“엔진의 힘은 마력 아니에요?”
네. 맞아요.
보통 자동차의 힘은 마력으로 따집니다.
하지만 자동차의 출력을 따지는 단위는
마력과 함께 ‘토크’ 라는 단위도 존재합니다.
그럼 여기서 마력과 토크에 관해서도
간단히 짚고 넘어가야겠네요.
마력은 한 마디로 말의 힘으로
과거 마차를 끌던 시대에서
산업화시대로 오면서 기계의 힘을
측정할 단위가 필요해졌죠.
정확히는 1마리의 말이 75kg 의 물체를
1m 끌고 가는 힘을 1마력으로 정의하죠.
100마력이라면 100마리의 말이 75kg 물체를
1m 끌고가는 힘이라 보시면 됩니다.
그렇다면 토크는 무엇일까요?
굳이 말로 비유해보자면
말의 다리힘을 토크라 합니다.
말 그 자체가 물체를 끌고가는 힘을 ‘마력’
말의 다리가 땅을 딛어 발돋움질할 때 힘을 ‘토크’
사실 같아보이지만 이 두 가지는
엄연히 다릅니다.
말을 타고 달리는 것과
말의 다리에 걷어차이는 것이
엄연하게 다른 것처럼 말이죠.
『토크』
그렇다면 토크가 쌔면 뭐가 좋을까요?
우려먹기 좋은 말을 다시 한 번 꺼내봅시다.
두 마리의 말이 있습니다.
한 마리는 일반 말입니다.
한 마리는 50m 단거리 레이스에 특화된 경주마.
말이 안 되지만 이 두 말에게
500m 레이스를 시킬 겁니다.
출발과 함께 경주마가 2초도 안되서
50m를 주파합니다.
그런데 50m를 지난 이후 경주마는
급속도로 지칩니다.
어느센가 벌어진 간격을
조금씩 좁히기 시작하는 일반 말.
이윽고 250m 지점에서 둘은
대등한 위치에 섭니다.
300m 가 지나자 일반 말이
경주마를 추월하였고
500m 지점에 먼저 들어온 건
일반 말이었습니다.
여기서 알 수 있는 사실은 뭔가요?
1. 50m 단거리 경주마는 50m를 뛴 이후
급속도로 지쳐가기 시작했다.
2. 50m 단거리 경주마는 250m 이전까지는
일반 말보다 빨랐다.
3. 일반 말은 250m를 지난 이후가 돼서야
경주마를 따라잡았다.
4. 일반 말이 경주마보다 빠른
최고속도를 기록했다.
아까 위에서 토크는 말의 다리힘과
비슷한 의미를 지닌다고 말씀드렸죠?
다리힘이 쌔면 말의 힘이 쌘 건 당연하겠지만
극단적으로 이런 경우가 된다면 반드시 그렇다고
말할 수도 없는 상황이 펼쳐진다는 것입니다.
토크는 초반 발진력과 가속력에 강합니다.
단판 승부로 유효점을 따내는 씨름과 같아요.
마력은 지속적인 힘으로 최고속도를
높이 내는데 유리합니다.
종횡무진 필드를 뛰어다니며
골 찬스를 노리는 축구선수와 같죠.
이러한 이유로 버스, 트럭 등
대형상용차에 주로 쓰입니다.
왜냐, 몇 톤에 이르는 사람과
화물을 싣고서 출발하려면
초반발진력이 굉장히 중요하기 때문입니다.
이것은 관성과 관련이 있습니다.
버스가 브레이크를 밟으면 차가 앞으로
쏠리면서 사람도 앞으로 쏠리게 되고
버스가 가속을 하면 차가 뒤로 쏠리면서
사람도 뒤로 쏠리게 되는 현상을
관성에 의한 것이라 배우셨을 겁니다.
자전거를 한 번쯤 타보신 경험이 있을 겁니다.
자전거는 페달을 밟으면 움직이죠.
하지만 그냥 밟는다고 움직이나요?
다리에 힘을 주어 페달을 밟아야 움직이죠.
정지된 물체는 계속 정지되어 있으려 하고
진행하는 물체는 계속 진행하려 한다는 성질.
자동차 역시도 똑같습니다.
다만 페달을 밟아주는 건 엔진이 해주는 것일 뿐.
일반 승용차들은 상대적으로 가볍기 때문에
가솔린엔진의 약한 발진력에도 움직일 수 있지만
버스, 트럭 등 우습게 몇 톤 단위의 사람과
화물을 실어나르는 차량의 경우에는
발진력이 약한 가솔린 엔진으론 감당이
안되기 때문에 디젤엔진을 사용하는 것입니다.
『근데요~ 그럼 왜 우리 아빠 차는 디젤이에요?』
승용차보다 높은 지프차, SUV 같은 차들은
사실 승용차와 큰 차이가 없어 보이죠.
근데 왜 얘네들은 디젤엔진을 쓸까요?
.
.
.
이유는 간단합니다.
지프차, SUV는 승용차보다 무겁기 때문입니다.
“네? 고작 그런 이유 때문에요?”
라고 되물으실 분들. 좀 더 읽어보세요 ㅎㅎ
가솔린 엔진, 디젤 엔진 차이 설명하려다 차량 섀시파트까지
들어가게 될 줄 몰랐지만 간단히 설명드립니다.
자동차의 섀시에는 두 종류가 존재하는데
1. 프레임바디
2. 모노코크바디
간략하게 이 두 종류이며 현재는 두 바디의
장점만 추출한 바디도 쓴다고 합니다.
왼쪽 빨간색이 프레임바디 입니다.
오른쪽 하얀색이 모노코크바디이구요.
(차량바디에 관해 다룬 네이버 블로그.
사진과 함께 바디에 대한 자세한 설명이 서술되어 있습니다.)
SUV는 본래 험지를 다닐 목적으로 만들던 차량이었습니다.
그렇기 때문에 무조건 차체(바디)가 튼튼해야만 했죠.
프레임바디는 차대 안에 자동차의 구성요소를
모두 집어넣고 위에 디자인 된 외장차체를
씌우는 방식으로 만듭니다.
다른 건 몰라도 바디가 모든 부품을 감싸고 있고
차체까지 올라가야 하니 매우매우 튼튼할 수밖에 없었죠.
오지탐험도 즐기며 다닐 수 있는 장점이 있지만
튼튼한 만큼 무겁다는 단점이 따라다녔죠.
모노코크바디는 말이 바디지
바디 자체를 없에버렸다고 보시면 됩니다.
정확히는 틀은 남겨두되 디자인 된 외장차체가
바디의 역할을 대신하게 되었다, 란 느낌입니다.
오지탐험 갔다간 폐차 시켜야 할
연약함을 지녔지만 그 만큼 가벼워진
무게가 엔진의 부담을 줄여주었습니다.
자동차들을 작은 엔진으로도 경제적으로
끌고 다닐 수 있는 여건을 만들어주게 돼죠.
이 장점은 석유가 점점 고갈되어 간다는 걸
인지하게 된 70-80년대부터 두드러졌죠.
석유의 고갈이 불러온 석유값의 상승이
모노코크 바디의 인기를 끌어올리게 된 것이죠.
* 사실 모노코크 바디의 인기에는
다른 복합적인 이유가 있습니다.
가장 큰 이유는 일반 도로에서
프레임바디에 비해 승차감이
훨씬 좋다는 것입니다.
점점 발전되어 도시화되가는 세상에서
프레임바디의 SUV는 설 자리를 잃어간 것이죠.
석유의 고갈에 의한 것은 부가적인 이유이고
단순히 가솔린과 디젤엔진의 차이를 쓰기 위해
파고든 부분이니 참고로만 봐주시기 바랍니다.
『그래서 디젤엔진이 들어갔다.』
상황이 이렇게 되자 모노코크보다 무거운
프레임바디 차들은 더 이상 가솔린엔진을
쓰는 게 부담스러워졌습니다.
사실 SUV에도 가솔린엔진이 쓰이고 있었는데
그 이유는 석유 고갈의 위기가 없었기 때문에
무작정 큰 엔진을 때려박으면 토크 문제를
해결할 수 있었기 때문입니다.
그러나 더 이상은 그럴 수만도 없는
상황이 되어 버스, 트럭에만 쓰던
디젤엔진을 SUV에 얹게 됩니다.
더 작은 배기량으로, 더 큰 가솔린엔진의
토크를 낼 수 있게 되니 기름을 덜 먹고
승용차보다 넓고 오지탐험도 가능한
경제적인 SUV가 탄생하게 됩니다.
SUV는 시대를 거듭해 세기 말에 접어듭니다.
이제 SUV는 오지탐험이란 목적 외에도
실용성 때문에 타는 사람들이 늘기 시작하면서
도심 운행 비율이 늘어나게 됩니다.
이러니 자동차 회사는 또 고민하게 됩니다.
“더 이상 프레임바디를 쓸 필요가 있을까?”
도시의 도로는 포장이 되어 매끄러워졌고
프레임바디의 차량들의 단점이 부각됩니다.
승용차에 비해 높고, 뒤뚱거리는 승차감이
많은 사람들로 하여금 '불편하다'는 인식을
심어주게 되지요.
그래서 제조사들은 SUV를 모노코크 바디로 만들어
도심형 SUV 라는 이름으로 판매하기 시작합니다.
그런데 여전히 엔진은 디젤이었죠.
왜냐, 이미 그렇게 굳어졌기 때문입니다.
SUV는 디젤이 아니면 판매량이 저조했죠.
특히 우리나라가 그랬습니다. *
* 미국 같은 경우는 현재까지도
프레임바디 차량의 선호도가 높습니다.
이 부분은 우리나라의 상황만을
따져 쓴 아주 일부분에 불과합니다.
전세계적인 추세가 모노코크바디 SUV로
가고는 있었지만 그것이 절대적인
현상이었다고 생각하시면 안 됩니다.
* 2000년대 초반에 등장한 싼타페는 우리나라
최초의 모노코크 SUV 라는 평가를 받습니다.
이 때부터 우리나라에선 모노코크 SUV 차량이
기하급수적으로 늘었으며 저는 이 상황만을
일부분 발췌하여 컨텐츠에 녹였습니다.
하지만 그 당시에도 쌍용 렉스턴, 코란도(단종),
무쏘. 현대 테라칸, 겔로퍼,
기아 레토나(수동 군토나) 쏘렌토(1세대),
스포티지(2002년 단종) 등
프레임바디 SUV는 상당히 많았습니다.
그랬기 때문에 자동차 제조사들은
“이 도심형 SUV는 기존 SUV보다
힘도 훨씬 좋고 잘 나갑니다!”
라고 마케팅을 펼치기 시작합니다.
실제로도 튼튼한 프레임을 버린 SUV에게 얹힌
디젤엔진은 충분하고도 남을 힘을 만들어주었고
이 마케팅이 먹히면서 현재까지도 여전히
SUV에는 디젤엔진이 쓰이게 된 것입니다.
『마무리』
이것으로 당신은 친구나 아이에게 답변할 준비가 되었습니다.
이제는 이렇게 답하십시요.
“아빠, 아빠 차는 시끄러운데
왜 쟤네 차는 조용해?”
“응. 그건 이 차가 경유를 넣는
자기착화방식 엔진이라
압축비가 높아 힘이 쌔거든.
힘이 쌘 만큼 시끄러운 거야.”
혹은
“야, 이 차 왜이렇게 시끄럽냐?”
“디젤차니까.”
“디젤이 시끄러운 이유가 뭔데?”
“자기착화방식 엔진의 특성상
니 X차 가솔린에 있는
점화플러그 따윈 없는 대신
압력으로만 폭발시키기 때문에
압축비가 X나 높고 그것 땜에
네 차보다 힘이 훨씬 쌔서
그 폭발소리가 시끄러운 거야.”
언제나 최악의 상황에 대비하십시오.
감사합니다.
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