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엔진의 효율성을 높여주는 압축비 튜닝이란?

다나와자동차
2014.08.25. 14:25:35
조회 수
29,129

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오늘 다룰 순서는 튜닝에 있어서 엔진의 압축비에 대한 내용입니다. 이번 포스팅은 가급적 쉽고 간단하게 다루려고 합니다. 아무래도 전문적인 지식이 없는 분들이 보시기에 너무 어려운 내용이 될 수 있기 때문에 깊은 내용보다는 개략적이고 간단한 내용위주로 포스팅을 하는 것이 더 많은 도움이 될거 같습니다.

 

튜닝을 하시려는 분들이 본인 차량의 튜닝을 하는데 있어서 이 포스팅의 내용을 토대로 압축비에 대한 개념을 알고 튜닝을 하게 되는 것만으로도 많은 도움이 되리라 믿습니다. 우선 압축비가 무엇인지 알고 시작해야겠죠?

 

엔진의 압축비란 엔진헤드의 연소실 용적과 피스톤이 상사점부터 하사점까지 행정하는 공간의 행정용적을 더한 값을 연소실 용적으로 나눈것을 말합니다. 이때 연소실 용적을 더하는 것은 어차피 연소실 용적에 의해 나누어지기 때문에, 결국 압축비는 행적용적을 연소실용적으로 나눈 값에 1을 더한 것이 됩니다.


보통 가솔린 엔진의 경우 양산엔진 압축비는 9:1 부터 11:1 사이에 있는 것이 보통인데, 튜닝을 하는데 있어서 압축비는 N/A엔진에서는 압축비를 올리는 것이 관건이고, 과급엔진에서는 압축비를 가능한한 내리지 않도록 하는 것이 관건입니다. 압축비가 높아지면 열효율이 증가하게 되기 때문에 결국 같은양의 연료를 소비해서 더 높은 출력을 낼 수 있게 된다는 것을 의미합니다.

 

 

 

계산상으로 N/A튜닝을 할때 압축비를 11:1 에서 12:1로 증가시키게 되면 열효율은 2.8%정도 향상되며, 과급엔진에서 압축비를 내릴때 9:1로 내려도 될것을 8:1까지 내려버리면 열효율은 4.4%정도 저하되게 됩니다. 즉, 가급적이면 압축비는 높게 하면 좋은것이죠. 물론 압축비를 올리지 못하는 여러가지 이유가 있습니다. 그 이유에 대해서는 뒤에 다시 간단히 거론하겠습니다. 다음 표는 압축비에 따른 성능 변화 기준표입니다.

그렇다면 모든 엔진의 압축비를 높게하면 되는 것인데...왜 압축비를 마음대로 올리지 못하는 것일까요? 그 이유는 간단합니다. 여러가지 이유가 있지만, 그중에서도 가장 결정적인 이유는 역시 노킹입니다. 압축비가 높아지게 되면 내연기관의 압축행정에서 압축의 말기에 이르러서 혼합기의 온도가 과도하게 상승하게 되고, 행정후의 잔류가스의 양이나 압축초기의 스퀴시 상태도 바뀌기 때문에 점화후 폭발행정에서 연소되는 형태나 특성도 바뀌게 됩니다.

 

이때 가장 큰 문제는 노킹인데 이때 노킹으로 인해 피스톤면에 손상을 일으키거나 커넥팅로드를 부러뜨릴 수도 있고, 메탈베어링에 걸리는 하중이 비정상적으로 증가하여 베어링이 손상될 수 도 있습니다. 특히, 높아진 압축비로 인해 노킹이 발생하게 되면 점화시기를 MBT까지 진각시킬 수 없는 상황이 되기 때문에 점화시기의 지각으로 인한 출력손실도 있기 때문에 적절한 압축비를 결정하는 것은 매우 중요합니다. 

 

특히, 과급을 하는 터보엔진이나 수퍼챠저 엔진에서는 압축비를 높게 하는 것에 대한 위험성이 N/A 엔진보다 훨씬 심해서 보통의 경우 과급튜닝을 할때에는 압축비를 양산상태보다 내리는 경우가 많습니다. 특히, 과급압력을 크게 할 수록 압축비도 많이 내리게 되는 것이 보통인데 바로 노킹때문입니다.

 

그러나 노킹이라는 것은 단순히 압축비에 의해서만 일어나는 것은 아니기 때문에 노킹이 일어날 수 있는 요인들을 제거하는 것으로 압축비를 높게 셋팅하는 것이 가능하기도 합니다. 가령, 옥탄가가 높은 연료를 사용한다거나, 실린더 헤드의 냉각효율의 증대라던가, 점화시기와 공연비의 밸런스, 연소실의 가공 및 기계 소재의 경량화및 강성증대로 노킹을 예방하고 압축비는 높게 셋팅할 수 도 있는 것이죠.

 

이때문에 튜닝기술이 발달해 오면서 N/A 엔진은 보다 높은 압축비를 사용하는 것이 가능해지고, 과급엔진은 압축비는 덜 내리는 것이 가능해진 것입니다. 일반적으로 N/A엔진을 튜닝할? 압축비를 높이기 위해 가장 흔하게 취하는 방법은 헤드가스킷을 더 얇은것으로 사용하는 방법이 주로 취해졌었는데, 문제는 이렇게 할 경우 연소실의 스퀴시 에리어에 카본이 쌓여 장기적으로 노킹을 유발할 수 있고, 더구나 최근에는 양산엔진의 헤드가스킷이 점차 얇아지면서 더 얇은 헤드가스킷을 장착하기가 어려워지기도 했습니다.

 

또 다른 방법으로는 엔진헤드의 면을 깍아내서 연소실 용적을 줄여 압축비를 올리기도 하는데, 위의 경우에도 마찬가지이지만 이런방법으로 압축비를 올리게 되면 캠축과 크랭크축의 거리가 가까워져서 밸브 타이밍에도 미세한 변화를 줄 수 있게 되어 부작용을 초래할 수 있습니다. 가장 흔한 부작용으로는 밸브타이밍의 부조화로 인한 기밀성의 저하가 일어날 수 있습니다.

 

 

 

가장 좋은 방법은 역시 피스톤과 컨로드, 크랭크축을 바꾸어서 압축비를 조정하는 것이 가장 확실하게 안정적인 방법이긴 한데, 고압축비의 튜닝용 피스톤이나 컨로드, 크랭크축은 상당히 고가이기 때문에 일부차종에서는 호환되는 부품의 조합으로 압축비를 높이거나 내리기도 합니다.

 

가령 예를 들면 알파엔진의 경우 스쿠프 터보의 부품을 이용해서 엑센트나, 베르나에 적용하여 터보튜닝을 할때 압축비를 내리는 용도로 사용하기도 하고, 베타엔진의 경우에는 1.8엔진과 2.0 엔진의 크랭크, 커넥팅로드, 피스톤의 조합으로 압축비를 조정하는 것이 가능합니다. 압축비를 바꿀때 주의할 점은 피스톤의 높이에 변화가 있거나 연소실이 낮아질 경우 밸브와 피스톤이 접촉할 가능성이 있다는 점입니다.

 

만약 엔진이 작동하는 중에 밸브와 피스톤이 접촉하게 되면 즉시 엔진은 블로우가 되기 때문에 이부분은 절대적으로 점검을 할 필요가 있습니다. 특히, 고회전엔진을 만들면서 밸브와 피스톤의 거리가 너무 가까워지게 되면 고회전중에 작은 밸브서징이 일어나거나 타이밍이 조금만 어긋나도 밸브와 피스톤이 접촉할 수 있다는 점도 고려하여 거리를 설정해야 합니다.

 

 

 

 

고압축 피스톤의 경우에는 밸브가 이동할 자리에 피스톤이 닿지 않도록 홈을 만들어두고 피스톤면은 더 높이까지 올라가는 것도 가능하도록 만들어지기도 합니다. 또 압축비를 높일 수록 마찰이 크게 증대하게 되고, 노킹을 방지하기 위해 냉각을 증대시키면 냉각 손실도 따라서 증가하기 때문에 현실적으로 가솔린 엔진에 있어서 압축비를 올려서 튜닝할 수 있는 한계는 N/A 튜닝의 경우 통상 13:1을 한계로 보고 있습니다.

 

물론 노킹에 대한 데미지를 우려할 필요가 훨씬 적은 디젤엔진의 경우에는 가솔린 엔진과는 비교도 할 수 없을 정도로 높은 압축비를 실현할 수 있기 때문에 디젤엔진의 열효율은 가솔린 엔진보다 월등히 높아지게 되죠.

 

가솔린엔진에 터보튜닝과 같은 과급튜닝의 경우에는 N/A 때보다 압축비로 인한 마찰증가, 노킹에 대한 우려등이 더욱 커지기 때문에 더욱 세밀한 압축비 셋팅이 요구됩니다.

 

 

 

 

위의 표는 부스트압과 압축비에 따라 적절한 옥탄가를 표시한 그래프입니다. 결국 부스트압을 높이고 압축비를 높일 수록 요구되는 옥탄가는 높아진다는 것이죠. 바꿔말하면 하이옥탄 휘발유를 사용하는 것을 전제로 셋팅할 경우 압축비와 부스트압을 더 높일 수 있다는 것을 의미합니다.

 

물론, N/A엔진에서도 마찬가지이지만 터보챠저튜닝과 같은 과급튜닝시에는 개인적으로 고급유 셋팅은 필수라고 봅니다. 처음부터 터보엔진이였던 차량을 더 높은 과급압으로 튜닝하거나 터보챠저의 용량을 더 올렸을 경우에도 마찬가지로 압축비에 대한 부분은 충분히 고려를 하고 튜닝을 해야 합니다.

 

 

 

 

일반적인 경우 노킹만 나지 않는다면 압축비는 최대한 높게 하는 것이 성능에서는 유리하지만, 위에도 언급했듯이 압축비 상승으로 인한 마찰증가와 하중의 증가로 인해 메탈베어링등에 지속적으로 가해지는 부담은 결국 메인터넌스와 내구성에 악영향을 주게 되며, 엔진의 블로우나 성능저하를 예방하기 위해 메인터넌스에 더 많은 신경을 쓰며 관리를 해주어야 합니다.

 

메탈베어링의 안정성을 높이기 위해 저널에 오일통로를 추가해 주거나 하는 방법도 있지만 이렇게 할 경우 정기적으로 메탈베어링의 수명이 짧아져서 일정한 주기로 메탈베어링을 교환해주는 오버홀 작업을 해주어야 하는 리스크도 있습니다. 따라서 내구성과 성능을 양립하는 튜닝을 할때 압축비를 레이스 엔진처럼 마진없이 올리기 보다는 마진폭을 어느정도 두고 설정하는 것이 좋다는 것이 개인적인 생각입니다.

  

여기서 또 짚고 넘어가야 할것은 N/A 엔진을 튜닝할? 하이캠적용시의 압축비, 터보튜닝시의 압축비의 관계를 따져봐야 하겠는데요. 하이캠튠을 하게 되면 일반적으로 압축비를 높이지 않으면 토크가 저하되는 경우가 많습니다. 이때문에 하이캠을 올리면서 압축비도 동반상승시키는 경우가 많은데 이때 중요한 것은 하이캠을 올리는 목적을 잊어서는 안된다는 것입니다. 하이캠을 올리는 이유는 고출력을 내기 위함인데, 압축비를 무리하게 올리게 되면 고회전에서의 마찰저항이 증가하기 때문에 회전력이 저하되게 됩니다.

 

따라서 하이캠과 압축비 셋팅의 밸런스를 찾는 것도 매우 중요합니다. 통상적으로 하이캠의 셋팅에 따라 다르지만 압축비는 11:1~12:1 사이에서 회전력이 가장 저하되지 않는 수준을 찾는 것이 필요합니다. 가령 회전력이 7000rpm에서 극대화되는 12:1 압축비의 엔진과 회전력이 8000rpm에서 극대회되는 11:1 압축비의 엔진이 있다면 어느쪽이 더 유리한가 ...라는 질문을 스스로에게 던지고 그 해답은 본인이 찾으셔야 할겁니다.

 

터보엔진에서도 마찬가지겠죠. 압축비 9:1 의 1.2바 터보셋팅과 압축비 10:1의 1바 터보셋팅중 어느쪽이 본인이 원하는 튜닝의 컨셉과 맞아 떨어지는가라는 해답은 본인만 알 수 있습니다. 간단한 힌트를 드리면 고출력을 위해서라면 압축비를 희생하더라도 회전력을 높이거나, 과급압을 높이는 쪽이 유리하며 반면에 적당한 출력상승과 함께 운전하기 편하고 연비를 좋게 하고자 한다면 회전력이나 과급압을 좀 낮추더라도 압축비를 높이는 쪽이 유리합니다.

 

 

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