김 용묵의 절대공간 - 블로그

1. 20세기 중후반 기름차의 기술 트렌드

(1) 연비
1970년대 말엔 오일쇼크 때문에 고배기량 차량 만드는 게 좀 터부시됐었다. 그래서 그라나다 같은 고급차도 고작 2000cc였던 것이다.
현대 자동차는 그라나다 이후로 10여 년이 지난 1989년에야 그랜저의 최상위 3000cc 모델을 내놓으면서 V6 엔진을 다시 만들게 됐다. 4단이 아닌 5단 수동 변속기는 그랜저 기본 모델이 처음으로 실현했고 말이다.

(2) 환경
그러다가 1980년대에 들어서서는 자동차계의 기술 트렌드가 환경을 중시하여 삼원 촉매와 무연휘발유로 갔던 듯하다. 그리고 이거 환경 기준을 맞추기 위해서 기계식 카뷰레터가 퇴출되고 전자 제어 연료 분사, MPI 같은 게 등장한다.. 이때는 엔진에 컴퓨터 전자회로가 얹혔다는 것만으로도 CF에다 대놓고 자랑을 하던 시절이었다.

물론, 자동차 말고 비행기나 선박 같은 타 교통수단들은 사람이 없는 곳을 주로 다니는 관계로 환경 규제가 자동차보다는 덜 빡세게 적용된다.
어선용 엔진에 무슨 유로6 규제 따위는 없다. 거기는 검은 매연 쩌는 저질 중유가 쓰이기도 한다.
자동차에서는 진작 퇴출된 유연 휘발유가 항공 연료로는 2020년대까지 현역이었다고 들었다.

(3) 성능
그 뒤 1990년대 초쯤에 DOHC와 터보차저 국내 양산차에 소개되고 도입됐다. 이를 계기로 동 배기량에서 자동차의 성능이 크게 향상됐다. 2000cc가 채 안 되는 승용차의 최대 출력이 100마력을 넘어가고, 끽해야 100~200마력 남짓하던 중· 소형 디젤차의 출력이 200~300마력을 찍게 됐다.

이렇듯, 요즘 자동차는 30년, 40년 전 자동차보다 동 배기량 대비 출력이 더 좋고 연비도 더 좋고, 그러면서 해로운 배기가스는 덜 뿜는다. 성능이 정말 좋아졌다.
그 대신 내부 구조가 훨씬 더 복잡해지고 컴퓨터 전자 제어의 비중이 더 커지고 또.. 연료의 품질에 훨씬 더 민감해졌다. 침수에 더 취약해진 것도 덤..

옛날 엔진 같았으면 정제가 덜 된 저질 연료를 넣어서 돌리면 꿀럭꿀럭 매연 나오고 엔진음과 출력이 좀 안 좋은 걸로 끝나겠지만, 지금 엔진은 그렇지 않다. 그랬다간 진짜 탈 나고 비가역적으로 망가진다. 특히 배기가스 정화 계통이 망가지면 당장 굴러가고 운행이 가능하더라도 언젠가 결국은 자동차 검사에서 걸린다.

2. 성능 향상

요즘 차들이 성능이 정말 좋아졌다고 느끼는 게..
디젤이 아닌 휘발유 차가 고속도로에서 시속 120~130을 밟고 있는데 엔진 회전수가 그냥 2000rpm 초반에서 그럭저럭이다.
시내버스가 출발 가속하는데 무슨 승용차를 탄 것처럼 뒤로 쏠리는 걸 경험한다.

이렇게 엔진 출력이 올라가니, 그 출력을 더 정교하게 제어하라고 변속기도 단수가 올라갔다.
자고로 승용차의 변속기는 수동 5단 아니면 자동 4단이 정석이 아닌가 싶었으나.. 요즘은 경차가 아닌 이상 기본 6단에서 시작하고 8단 이상도 흔하다. 물론 그 다양한 단수는 수동이 아니라 자동 변속기로 구현한 거다.

극단적인 사례이지만, 1900년대 초 구한말에 돌아다녔던 순종 어차는 캐딜락 리무진이었다. 무려 5000cc가 넘는 배기량의 8기통짜리 엔진 기반이었는데 최대 출력이 꼴랑 32마력 남짓이었다는 걸 생각해 보자.;; 320마력이 아니다.

어차 정도까지는 아니어도.. 1970년대 말부터 1980년대 초까지 현대에서 면허 생산했던 포드 그라나다를 생각해 보자. 얘는 나름 그랜저의 전신으로 여겨지는 엄청난 고성능 호화 고급차였다. 그야말로 부의 상징 그 자체였고 오늘날 제네시스나 EQ900 이상의 위상이었다.

하지만 얘는 변속기는 4단 수동이었고, 엔진은 2000cc 배기량에 최대 출력 102마력 남짓에 지나지 않았다. 그런데 실린더가 V형 6기통이었다.
요즘 같으면 겨우 2000cc 덩치에다가 쓸데없이 복잡하게 6기통을 넣지는 않을 텐데 그때는 그랬다.

실린더 수를 늘려서 자잘한 폭발을 여러 실린더에다가 분담시키면.. 당장 엔진 동작이 부드러워지고 진동이 줄어들기는 한다. 즉, 고급차의 덕목인 '좋은 승차감'에 기여할 수 있다.
하지만 이러면 차량 성능에 비해서 엔진이 너무 복잡해지고 비싸지고, 한 실린더 당 토크가 너무 약해지는 부작용도 있었다. 수동 운전 실수로 시동 꺼뜨리기도 더 쉬웠을 듯..

3. 에어컨

자동차의 에어컨은 승용차용이 약 4~5마력 정도 엔진 출력을 잡아먹고, 대형 버스용은 그 10배인 40~50마력의 출력을 쓴다고 한다. 그럼 1인 공간당 1마력이라고 생각하면 얼추 맞는 것 같다.
옛날에 가정용 세탁기의 모터가 3/4 ~ 1마력짜리라고 얘기를 들었는데.. 공기를 압축해서 냉매를 액화시키는 게 말처럼 쉬운 일이 아닌 것 같다.

그러니 쌍팔년도 이전에 무려 6~7000cc짜리 디젤 엔진으로 꼴랑 160마력 남짓한 출력밖에 안 나오던 시절에는 버스에 에어컨을 장착하는 게 쉬운 일이 아니었다. 기계 가격도 가격이거니와 차량 성능에 끼치는 부담이 너무 크니까.. 에어컨 컴프레셔 전용 엔진이나 발전기가 필요할 정도였다.
그 반면, 트럭은 운전자· 탑승자의 공간이 아주 작으니 에어컨은 승용차와 비슷한 사이즈만 있으면 되겠다. 물론 냉동 탑차라면 얘기가 완전히 달라지겠지만. ㄲㄲㄲㄲ

4. 비행기와의 접점

하긴 옛날에는 자동차뿐만 아니라 비행기도 말이다.
골동품 여객기인 보잉 707은 좌석 수가 겨우 100여 개 중반. 콩코드보다 약간 더 큰 수준의 협동체에 불과했다. 그러나 얘는 엔진이 무려 4개나 달린 4발기였다. 마치 2000cc V6 자동차 엔진 같은 느낌이다.

747은 1970년대 기술로 사람을 400명씩이나 태우는 초대형이니 4발기였고, 콩코드는 마하 2로 날기라도 하니까 덩치 작은 4발기였던 반면.. 707은.. 영화 벤허가 만들어졌던 시절의 기술의 한계였다. ㅎㅎ
그래도 그때는 707만으로도 정말 획기적이었고 보잉을 여객기 명가로 등극시켜 준 명품이었다. 뭔가 보잉 사의 Windows 3.0 같은 작품이었다.

요즘은 3발기도 유행이 지났고, 엔진 하나가 성능이 워낙 좋아졌기 때문에 어지간한 비행기들은 다 깔끔하게 2발기가 국룰이다. 경비행기 정도나 단발..
그러고 보니 경비행기는 엔진이 2개가 아니라 날개가 두 겹으로 깔린 복엽기가 있구낭..

5. 전기차와의 접점

요즘은 기름차보다도 전기차의 성능이 참 경이롭기 그지없다. 뭐 뻑하면 300~400마력이고 토크는 40~50kgf를 찍는다. 제로백은 그냥 5초대다.
슈퍼카나 기함급 고급차가 아니라 어지간한 서민 양산형 차량이 저런 성능을 내는 건 기름차로는 오늘날의 기술로도 가능하지 않을 것이다.
전기차는 배터리 때문에 비슷한 체급의 기름차보다 수백 kg 이상 더 무겁다고는 하지만 그래도 저런 성능이면 그 무게를 상쇄할 수 있다.

하긴, 자동차뿐만 아니라 철도 차량도 전철화 덕분에 알음알음 성능이 좋아지고 있다.
앞으로는 전후대칭 동력분산식 전동차가 여객열차의 주류가 될 것이고, 일반열차도 무슨 지하철처럼 급격하게 가감속을 하게 될 것이다. 사실, 디젤 대신 전기 기관차가 도입된 것만으로도 같은 구간의 열차 소요 시간이 더 단축됐고, 지연 만회도 더 잘 하게 됐다.

허나, 자동차는 전기차가 성능이 그렇게 좋으면 뭘 하나. 정작 서울-부산 고속버스나 40톤짜리 트레일러, 각종 건설기계나 군용차, VIP 의전차가 전기차로 만들어졌다는 얘기를 난 들어 보지 못했다.
배터리 전기차가 대형화되지 못하는 건 과거에 크고 무겁던 브라운관 TV가 30인치대 이상으로 도저히 대형화를 못 했던 것과 비슷하게 개인적으로 느껴진다.

철도 차량은 위의 전차선 덕분에 배터리 걱정을 할 필요 없어서 좋다. 비접촉 무선 집전이 가능하다면 더 좋겠지만 말이다.

Posted by 사무엘

1. 로켓

비행기에서 쓰이는 제트 엔진 내지 터빈은 자동차에서 쓰이는 4행정 왕복 엔진보다 연료 소모가 더 많다. 하지만 로켓 엔진은 이 비행기용 제트 엔진보다도 연료 소모가 훨씬 더 극심하다. 오죽했으면 엔진 가동 시간을 그냥 '분' 단위로만 매긴다. 그 짧은 시간 동안 그 많은 연료를 몽땅 다 태워 없애기 때문이다.

로켓이란 게 다른 건 몽땅 단점밖에 없다. 하지만 지구의 어마어마한 중력을 이기고 payload를(연료 자체의 무게까지 포함) 지상 100km 이상의 고도까지 띄우고, 거기서 궤도 공전이 가능한 시속 수만 km 이상의 속도로 가속시키는 현실적인 방법은 이것밖에 없다.
그러니 어쩔 수 없이 쓰인다. 대포를 쏴서 우주로 가겠는가, 아니면 우주까지 무슨 엘리베이터를 만들겠는가? 다른 대안이 없다.

현재 인류의 과학 기술을 아득히 초월하는 광속 이동이나 순간이동 워프 같은 게 개발되지 않는 한, 인간이 그렇게 쉽게 우주로 나가는 건 SF에서나 가능한 요원한 일일 것이다.;; 여기서 병목이 걸리는 바람에 197~80년대에 유행했던 우주 관련 SF물들이 아직까지도 실현되지 못하고 SF에만 머물러 있는 거다.

이와 비슷하게, 교류 전기라는 것도 다른 건 다 단점밖에 없다. 구조가 너무 복잡하고 까다롭고 지저분하고, 저장도 안 되고, 흐르는 동안 주변에 끼치는 부작용도 크고.. 하지만 변압이 유리하고 장거리 송전에 유리하다는 압도적인 장점 하나 때문에 다른 대안이 없이 쓰인다. 따지고 보면 교류 없이는 오늘날 같은 찬란한 전기 문명이 이룩될 수 없었다.;;

2. 엔진의 크기, 종류와 연료 민감성

(1) 외연기관인 증기기관은 물을 어떻게든 끓이고 뜨거운 증기를 잘 밀폐시켜서 피스톤을 밀게만 만들면 된다. 고철을 뚝딱 해서 오늘날의 기계들에 ‘비해서는’ 덜 정교하게라도 어떻게든 돌아가게 만들 수 있다. 그리고 물을 끓일 수만 있다면 난방유 폐유 식용유 송근유, 심지어 석탄까지.. 무엇이든 집어넣을 수 있다.
즉, 외연기관은 기술적인 난이도가 낮고 연료도 덜 가리는 편이다. 그 대신 태생적인 성능과 효율이 메롱일 뿐..

그에 비해 내연기관은 엔진 내부에서 연료의 폭발을 다룬다. 그렇기 때문에 외연기관보다는 기계 구조가 훨씬 더 정밀해야 하며, 연료도 외연기관처럼 아무거나 집어넣어서는 절대 안 된다.
즉, 내연은 만들고 운용하기가 더 어렵다. 왕복운동 엔진이 아니라 터빈에서는 외연과 내연의 기술적 격차가 더 벌어진다. 하지만 내연이 외연보다 효율이 훨씬 더 좋고 소형화에 더 유리하고 화력 조절과 운전이 더 쉽다.

(2) 같은 내연기관이라 하더라도 오늘날의 최첨단 초정밀 엔진이 100년 전 자동차의 엔진보다 연료의 상태와 품질에 훨씬 더 민감하다. 오늘날의 엔진은 깔끔한 연료가 불순물 없이 싹 연소하는 것을 가정하고 출력을 극한까지 짜내도록 최적화됐을 뿐만 아니라, 배기가스를 정화하는 것에도 딱 거기에만 맞춰져 있기 때문이다.
이물질이 들어가면 효율이 떨어지는 정도가 아니라 엔진이 망가지고 고장 난다. 배탈이 예전의 단순한 엔진보다 더 심하게 난다는 뜻이다.

완전히 같은 맥락은 아니겠지만 이런 엔진의 발달사는 총의 발달사와도 비슷해 보인다.
옛날 구닥다리 화승총 시절에는 화약과 탄환을 따로 넣었고, 탄환으로는 그야말로 현지 조달한 쇠구슬을 넣어도 될 정도였다.
하지만 총열에 강선까지 정교하게 새겨진 오늘날의 총에서는 그렇게 해서는 어림도 없다. 정말 정교하게 양산된 전용 탄환이 아니면 절대 안 된다. 규격에 안 맞는 총알은 총에 안 들어가면 다행이고, 격발 불량이나 오발, 총기 고장 같은 갖가지 불행한 사태를 야기할 수 있다.

(3) 자동차 엔진은 이런 첨단을 달리고 있는 반면, 농기계인 경운기 엔진은 필요 이상의 고출력이 필요하지 않다는 점, 환경 규제가 딱히 없다는 점, 크기와 무게와 가격을 줄여야 한다는 점으로 인해 과거의 원시적인 소형 디젤 엔진 형태를 지금까지 유지하고 있는 것 같다.

4행정이긴 하지만 단기통이고(그래서 털털털 진동이..), 시동도 배터리의 도움 없이 플라이휠을 손으로 돌려서 건다. 요즘 디젤 엔진에다 넣었다간 큰일 날 저질 경유를 넣어도 그럭저럭 잘 돌아간다.
경운기나 트랙터 같은 농기계 덕분에 소는 농사에서 퇴출되고 식용이나 젖 용도만 남았다. 활이 스포츠용으로만 남은 것과 비슷한 이치 같다.

(4) 경운기가 소형 디젤 엔진의 예시라면, 소형 휘발유 엔진의 예시는 전기톱, 예초기, 오토바이 따위인 것 같다.
그러고 보니 내연기관 발전기에는 휘발유보다는 4행정 디젤 엔진이 훨씬 더 많이 쓰이는 듯하다. 그 이유는 잘 모르겠다.
요즘은 작은 오토바이도 다 4행정 휘발유 엔진으로 만드는 반면, 디젤 기관차에는 2행정 디젤 엔진이 쓰인다고 한다. 휘발유에서의 2행정/4행정의 차이보다 디젤의 2행정/4행정의 차이가 더 크다고 한다.

(5) 사실 내연기관은 외연기관에 비해 소형화에 유리할 뿐만 아니라 반대로 대형화가 어려운 구석이 있다. 앞서 얘기했듯이, 뜨거운 증기만 다루는 기계와 아예 폭발을 다루는 기계가 난이도가 같을 수 없으니 말이다. 그나마 왕복 엔진에서는 디젤이 휘발유보다 대형화에 유리해서 한계가 좀 극복될 수 있었다.

지난 2022년쯤엔가 잠깐 동안은 국내에서 경유가 휘발유보다 더 비싸지는 사상 초유의 사태가 벌어지기도 했다. 더 전에는 요소수 품귀 현상도 잠깐 벌어졌었고.
디젤차는 그렇잖아도 더 첨단 장비가 들어가고 동급 배기량의 휘발유 차보다 더 비싼데, 이 때문에 소비자들이 선호하지 않게 되면 중고차 시장에서도 완전히 찬밥 신세로 전락할 것이다.;;

(6) 천연가스 엔진은 디젤처럼 압축착화 방식일 것 같지는 않은데.. 그럼 버스도 휘발유 엔진 택시처럼 점화 플러그가 있는 건지?? 난 아직도 잘 모르겠다.

3. 기름 내연기관의 대안

한편, 통상적인 기름 내연기관 말고 다른 동력원이나 연료를 사용하는 '친환경' 자동차들이 대부분 갖고 있는 문제는..;;
동급의 출력과 항속거리를 내기 위해 필요한 엔진/연료통 공간이 내연기관보다 더 크다.. 즉, 공간과 무게 면에서 불리하다는 것이다.

전기차야 모터는 아주 아주 작고 효율적이지만, 배터리 때문에 그 장점이 몽땅 무효가 돼 버린다.
수소 연료전지나 천연가스는 연료가 액체가 아닌 기체라는 특성상, 연료의 공간 밀도와 효율이 기름 대비 메롱이 될 수밖에 없다.

로켓이 액체 연료 버전과 고체 연료 버전만 있지, 기체 버전이 없는 건 이 때문이다. 천연가스만 해도 석유보다 훨씬 더 싸고 흔한 연료인데도, 활용하는 기술은 20세기 중후반이 돼서야 저온 고압 액화 기술이 개발되면서 간신히 실용화되지 않았는가?
하물며 더 가볍고 끓는점이 더 낮은 수소는 취급하는 난이도가 그보다 더 높다. 하지만 우주 로켓을 날리려면 천연가스만으로는 감당이 안 되고, 차라리 등유 아니면 수소를 직통으로 연소시킬 수 있어야 하는가 보다.

아무튼.. 전국의 시내버스들은 상당수가 친환경 동력원으로 바뀌었고 그게 대도시의 공기에 매우 긍정적인 기여를 하고 있음이 사실이다. 그러나 장거리 시외· 고속버스는 여전히 디젤을 벗어나기 곤란한 지경이다. 엔진 출력이나 항속거리 한계는 기술의 발달로 많이 극복된 듯하지만, 지방엔 충전소 인프라가 여전히 열악하다.
그리고 가스 탱크나 배터리가 공간을 많이 차지해서 객실 밑에다 짐칸을 넉넉하게 마련하지 못하는 것도 큰 단점이라고 한다.

수소 연료전지 기반인 현대 일렉시티 시내버스의 경우, 맨 뒤에 좌석이 통상적인 4~5개가 아니라 3개밖에 없는 게 이 때문이다. 과거 197, 80년대에 디젤 엔진도 기술이 부족하던 시절에 '맥스 픽업트럭'의 엔진룸 뚜껑이 위로 봉긋 솟아 있었던 것과 비슷한 모습 같다.

비슷한 이유로 2층 버스도 내가 알기로 전기나 천연가스나 수소가 파고들기 몹시 난감하고 디젤밖에 선택의 여지가 없었다. 기름 내연기관 외의 다른 동력원으로 2층이나 되는 공간을 뽑아서 2층 버스에 걸맞은 엔진 출력과 항속거리를 내는 건 도저히 타산이 안 맞기 때문이다.
그러다가 요 근래, 2021년에야 우리나라 현대차에서 배터리 기반의 '일렉시티 2층'버스를 내놓기는 했다. 이건 정말 엄청난 공밀레의 산물이지 싶다. 이 배터리로 광역버스 정도는 만들지만 장거리 서울-부산 시외· 고속버스는 무리이다.

4. 환경 규제

지난 20세기 중후반엔 자동차가 세계 곳곳에 폭발적으로 보급되면서 배기가스로 인한 대기 오염 문제가 세계적으로 공론화됐다. 그래서 197~80년대부터는 자동차 배기가스와 관련된 강력한 환경 규제가 생겼고, 자동차 제조사들은 차를 계속 팔거나 수출하려면 이 트렌드를 따르지 않을 수 없게 됐다.

가장 먼저 탄화수소와 일산화탄소를 물과 이산화탄소로 변환하는 가장 기본적인 수준의 배기가스 정화 장치가 등장했다. 휘발유 엔진의 경우, 이게 질소산화물까지 질소로 환원시켜 주는 백금 기반 삼원 촉매로 발전했다. (물론 거기 붙어 있던 산소는 이산화탄소와 물로 뿅~)

이 촉매 변환 장치는 원활하게 동작하기 위해 두 가지 중요한 변화를 이끌었다. (1) 무식한 카뷰레터가 아니라 전자 제어 연료 분사, 그리고 (2) 납이 들어있지 않으면서 다른 대체제로 노킹 현상을 막아 주는 무연 휘발유.

1980년대와 그 이전 옛날 자동차는 카뷰레터에 들어가는 공기의 양을 수동으로 제어하는 초크 밸브라는 게 있었고, 또 내리막길에서는 기어를 중립으로 바꿔야 연료를 절약할 수 있었다. (엔진 브레이크가 가동될 때도 연료가 씀풍씀풍..) 이런 엔진은 연료 소비 효율이 나쁠 뿐만 아니라 환경에도 좋지 않았던 것이다.

그리고 휘발유에 첨가되어 들어가던 납 성분은 배기가스에 섞여서 인체에 매우 해로울 뿐만 아니라, 저 삼원 촉매 변환 장치를 망가뜨려서 다른 배기가스의 정화도 제대로 못 하게 만들었다. 환경 관점에서는 그야말로 절대악 그 자체이기 때문에 신속히 퇴출되었다.

한편, 휘발유가 아니라 경유를 사용하는 디젤 엔진 쪽은 질소산화물보다는.. 불완전 연소 때 발생하는 그을음· 매연을 완전히 태워 없애는 쪽으로 정화 장치가 더 고도화됐다. 디젤 산화 촉매(DOC)부터 시작해서 DPF, SCR 등 휘발유 엔진보다 더 정밀하고 까다로운 후처리 설비가 도입됐다.

1992년부터 2014년까지 6단계에 걸쳐 엄청나게 까다로워지고 강화된 유로규제를 보면 마치 Windows NT 4.0의 서비스 팩 6과 비슷한 느낌이 든다. 물론 이거 맞추느라 공돌이들이 많이 갈려들어가는 바람에 '클린 디젤'이니 '디젤게이트'니 하는 씁쓸한 사기극도 벌어졌지만 말이다.

이런 일련의 노력 덕분에 세계 대도시들은 평소에 다니는 그 수많은 자동차들에 "비해" 공기 질이 정말 많이 좋아졌다.
뭐, 호흡기가 많이 민감한 사람들은 시골에 살다가 서울 시내로 가면 여전히 코와 목이 따갑다고 말하기도 하지만.. 난 그 정도까지는 아니다.

수동 차량의 경우, 일반적인 방법이 아니라 밀어서 야메로 시동을 걸면 배기가스 정화 장치가 제대로 동작하지 못한다고 그런다. 트럭의 경우 과적은 차체와 도로에 무리를 주는 것뿐만 아니라 환경에도 좋지 않다. 디젤 차량이 처음 출발할 때 시꺼먼 매연이 나오는 걸 다들 한 번쯤 보신 적이 있을 것이다.

이런 자동차 동력원을 더 친환경적인 것으로 바꾸려고 시도되었던 1세대 기술이 하이브리드(승용차) 내지 천연가스(승용차, 시내버스)인 것 같다.
그러다 더 나아가서 2세대는 수소 연료 전지 또는 배터리 전기차.. 전기차에 대해서는 별도의 글에서 따로 다루도록 하겠다.

철도는 자동차와 같은 육상 교통수단이지만 전철화라는 너무 독자적이고 압도적이고 치트키에 가까운 대안이 있다. 그러니 환경 문제로부터 자유로운 편이다.
비행기나 선박은? 얘들은 여전히 내연기관에 의존하는 비중이 크지만, 사람이 직접 거주하고 활동하는 영역 근처를 다니는 게 아니기 때문에 환경 규제가 자동차 동네보다 훨씬 널널하다고 한다.

그렇기 때문에 유연휘발유가 자동차에서는 이미 수십 년도 더 전에 퇴출된 반면, 비행기 연료로는 여전히 현역이랜다. (경비행기 위주로)
그리고 선박에는 자동차용 경우보다 더 품질 나쁘고 매연도 많이 나오는 중유(= 값싼)가 여전히 쓰인다고 한다.

5. 나머지 얘기들

(1) 전에도 얘기한 적 있지 싶은데,
확실히 2010~2030년대는 자동차 동력원의 춘추전국 과도기로 인류 역사에 기록될 것 같다. 굉장히 의미심장한 시기이다.
과거에는 짐받이에다가 보일러를 실어서 나무 목가스를 이용해서 달리는 가난한 차량이 있었고, 트레일러 트랙터에 견인되어 끌려가는 기괴한 모양의 버스, 앞에는 자동차 바퀴, 뒤에는 무한궤도인 트럭도 있었다.
그것처럼 과도기/하이브리드 차량은 자동차 역사에서 잠깐 등장했다가 사라진 아주 독특한 시도라고 평가받을 듯하다.

일본이 아주 일찍부터 휘발유-전기 하이브리드를 시도했던 것처럼 울나라 현대는 수소 연료 전지를 밀고 있고, 중국이 갑자기 뜬금없이 배터리 전기차를 많이 파는 것 같다.
다만, 경주용 자동차, 군용차, VIP 의전차 같은 분야에 기름 내연기관 말고 다른 동력원이 도입되는 날이 있을지는 모르겠다.

(2) 모든 학자들이 공감하지는 않을지 모르겠다만... "지구 전체의 관점에서 석유는 결코 고갈되지 않는다. 단지 석유의 채굴 채산성이 떨어질 뿐이다" 이런 말이 있다.
마치 "지구에 물은 결코 고갈되지 않는다. 단지 가뭄과 홍수로 불균등하게 분배될 뿐이다"처럼 말이다.
198,90년대에 앞으로 석유는 3~40년쯤 뒤에 고갈될 거라면서 다들 많이 걱정했던 걸 생각하면 참 격세지감처럼 느껴진다.

근데, 이제는 지구에 있는 석유를 다 태워 없애기 전에 지구 대기 중의 산소가 먼저 고갈될 거라고 전망하는 사람까지 있으니 이건 반대편 극단인 걸까? 물론 인간의 과학 기술력이 지표면 전체와 바다 밑바닥까지 샅샅이 다 뒤져서 자원을 캐낼 여력에 이르지는 못하는 것도 사실이다.

Posted by 사무엘

1. 내연 기관과 외연 기관

열기관, 엔진이라는 건 오늘날 지구상의 수많은 기계들을 돌아가게 하는 원동력인데.. 크게 내연기관과 외연기관으로 나뉜다. 연료의 연소가 기관의 안에서 이뤄지냐, 밖에서 이뤄지냐의 차이가 있다고는 하지만, 그렇게만 말을 해서는 차이점이 쉽게 와 닿지 않는다.

내연은 연료 자체의 폭발 팽창력으로 힘을 내고, 외연은 연료로 다른 매개물질을 끓여서 기화 팽창력으로 힘을 낸다고 말하는 게 더 나을 듯하다.
전자에서 말하는 폭발력이란 건 찰나의 순간에 ‘펑’ 강하게 발생했다가 바로 사라진다. 후자의 팽창력보다 더 제어하기 힘들다.

이걸 축적해서 큰 힘을 지속적으로 만들려면 내연기관은 연료를 끊임없이 아주 찔끔찔끔 연소· 폭발시키면서 일정 회전수 이상 빠르게 계속 돌고 있어야 한다.
그리고 이런 이산적인 출력을 연속적인 형태로 취합하는 플라이휠 같은 장치가 필요하며, 밖의 바퀴가 원하는 저속/고토크 비율로 변환하는 변속기도 반드시 있어야 한다. 전기 시설로 치면 이게 변압기나 마찬가지이다.

그 반면, 증기기관 같은 외연기관에서 물 같은 비열 높은 물질이 한번 끓어 수증기가 되면, 얘는 열을 간직하고 있는 동안 내연보다야 꽤 가늘고 부드럽고 길게.. 저속으로도 큰 힘을 낼 수 있다.
물론 열역학적으로 매우 비효율적이며, 처음에 물을 끓이는 데 시간이 너무 오래 걸리고 속도 조절 같은 반응이 늦다는 건 매우 큰 단점이다. 하지만 외연기관은 내연기관보다 기계 구조가 훨씬 더 단순하고 제작 난이도가 낮으며, 연료도 훨씬 덜 가리고 신뢰성이 높다는 결정적인 장점이 있다.

외연기관은 공간이 많이 필요해서 소형화가 어려운 반면, 내연기관은 복잡하고 제작 난이도가 높아서 고출력 대형 버전을 만드는 것이 오랫동안 난감했다. 괜히 20세기 이후에 실용화된 게 아니다.

또한, 증기라는 유체는 불을 때는 기관과 분리된 덕분에 그 자체가 자연스럽게 변속기 오일 같은 역할도 한다는 게 인상적이다. 즉, 외연기관은 엔진도 구조가 단순하지만 변속 계층도 더욱 단순하다.

2. 폭발

자동차가 부드럽게 잘 굴러가려면 연소실에 들어가는 공기와 연료의 양, 그리고 이 회전수를 너무 작지도 크지도 않은 적절한 부하로 바퀴에다 전달하는 변속비가 잘 결합해야 한다. 공기와 연료의 배합 문제는 어느 엔진에서나 매우 중요한 문제일 것이며, 굳이 폭발이 아니라 열만 왕창 뜨겁게 만드는 물건인 용광로에서도 동일하게 적용 가능할 것이다.

좀 뜬금없는 얘기이다만, 이건 세탁기에서 빨래의 양 대비 물과 세제가 잘 맞물려야 하는 것과 같은 이치이다.
세제 찌꺼기가 빨래에 남은 건 연료가 너무 많이 들어가고 불완전 연소해서 매연과 검댕이 나오는 것과 동일하다.
적정 비율을 계산하는 게 쉬운 문제가 아니기 때문에 오죽했으면 세탁기에도 컴퓨터(콤퓨타 세탁)가 들어갔고, 엔진엔 진작부터 전자 제어 기술이 동원돼 있다.

수소는 맹렬히 반응하고 잘 폭발해서 단독(액체 수소) 또는 탄화수소 형태로 동력기관의 연료로 쓰이는데, 질소는 화합물이 화약· 폭약의 재료로 쓰인다는 차이가 있다.

3. 무연 휘발유외 유연 휘발유

21세기엔 자동차의 동력원 중 디젤 엔진만이 더티하다는 오명을 잔뜩 뒤집어쓰고 환경 규제가 강화되는 구석이 있었다. 특히 유로 규제는 6단계까지 올라가서 DPF에다 SCR까지 도입되고, 연료뿐만 아니라 요소수도 주기적으로 번거롭게 넣어야 하게 됐다.

하지만 휘발유 엔진도 아무 조치 없이 저절로 깨끗해진 건 아니었다.
고온 고압으로 인해 공기 중의 질소가 질소산화물로 합성되며, 불완전 연소로 인해 일산화탄소와 각종 탄화수소가 배출되는데, 이걸 고온(300~500도)에서의 화학 반응을 통해 물· 질소· 이산화탄소로 환원시키는 삼원촉매 정화 장치가 개발되었다.

얘는 모든 자동차에 장착이 의무화됐다. 이것 덕분에 세계 각국의 대도시에 자동차가 이렇게 많이 다녀도 사람들이 그럭저럭 숨 쉬고 지낼 수 있게 됐다.
단, 이 촉매 장치는 백금이나 팔라듐 같은 비싼 귀금속을 써서 제조되기 때문에 자동차의 가격을 올리는 요인으로도 작용했다.
백금은 수소 연료 전지에도 촉매로 쓰이는걸? 몇 그램 남짓한 미량이지만 이거라도 건지려고 폐차장을 뒤지는 귀금속 도둑도 나돌았다고 한다.

그리고 참 운명의 장난인지..
이 촉매 장치는 휘발유 엔진의 노킹 오동작을 방지해 주는 효자 첨가제이던 '납' 성분과는 어울릴 수 없는 캐상극이었다.
얘는 탄화수소· 일산화탄소· 질소산화물은 잘 반응시켜 주지만, 납이 들어가면 그게 촉매 장치에 달라붙으면서 촉매를 망가뜨렸다.

삼원촉매 정화 장치를 사용하기 위해서는 납이 아닌 다른 대체제가 들어간 무연 휘발유의 개발이 필수였다. 대체제는 아무래도 납보다는 더 비싼 물질이었다.
환경 규제 때문에 기름값도 비싸지고 차값도 더 비싸지고.. 하지만 어쩔 수 없었다.

유연 휘발유는 공기 중에 미세하게나마 납을 내뿜으니 그것만으로도 인체에 해로운데, 촉매 변환이 되지 않아서 다른 배기가스의 정화조차 못 하게 만드니 "이중으로 해로웠다". 환경과 건강에 백해무익이니 빨리 퇴출시킬 수밖에 없었다.

그래서 우리나라는 1980년대 중반부터 무연 휘발유 도입이 논의되었고, 1987년 7월부터는 무연 휘발유 차량만 생산 가능하게 바뀌었다.
그렇게 과도기를 거쳐서 1993년 1월부로 유연 휘발유는 국내에서 유통이 전면 금지되었다.

요컨대.. 무연과 유연 휘발유 문제는 납이 있고 없고만의 문제가 아니라 촉매 변환 장치의 사용 가능 여부도 같이 딸린 문제였다는 것이다.
그리고 휘발유도 경유처럼 환경 규제로 인한 규격 변화를 거쳤다는 것..
유연 휘발유는 작년 여름에 마지막 생산 시설이 폐쇄되고 전세계에서 완전히 퇴출됐다고 한다. (☞ 보도 자료)

4. 독특한 기술들

자동차 업계엔 통상적인 가솔린/디젤 왕복 엔진 말고 자신만의 독특한 엔진 기술을 육성한 걸로 유명한 기업이 좀 있다.

(1) 마쓰다: 반켈 엔진. 거기에다 휘발유 자연착화 디조토 엔진도 선구자인 듯?
둘 다 제대로 동작만 한다면 굉장히 획기적인 기술이다. 하지만 아직까지는 실용화에 갈 길이 먼 상태인 걸로 내가 알고 있다. 그리고 내연기관 자체가 마이너 퇴물로 전락한다면.. 대형차용 디젤도 아닌 이런 엔진 기술은 사장될 가능성이 높다.
반켈(로터리?) 엔진은 그 특성상 2행정 엔진과 비슷한 구석이 있는 것 같다. 배기량 대비 고출력, 하지만 내구성 메롱, 엔진오일도 같이 연소 등...

(2) 도요타: 가솔린-전기 하이브리드
거의 1990년대 말부터 육성했기 때문에 이 바닥 기술은 도요타가 완전 본좌라고 들었다.
하지만 그 반대급부 때문에 일본 전체가 순 배터리 전기차는 보급이 굉장히 더디고, 오히려 그건 요즘 중국이 더 많이 연구하고 팔아먹고 있다. 우리나라에까지 중국산 BYD 배터리 전기 시내버스가 다닐 정도이니..
순 내연기관도, 순 배터리 전기도 아닌 하이브리드 차가 과연 얼마나 더 상품성이 있을지 궁금하다.

(3) 현대: 수소 연료전지
현대는 이례적으로 저 분야에다가 사운을 걸고 집중 연구 개발을 해 왔다.
충전 인프라가 열악한 게 큰 약점이다만.. 배터리 전기가 영 들어가기 곤란한 대형차 상용차 쪽으로 승산이 있어 보인다.

이러니 21세기의 초-중반은 자동차 엔진의 주 동력원이 다양해지는 매우 흥미로운 시기로 역사에 기록될 듯하다.

옛날엔 증기와 전기가 자동차의 동력원에서 퇴출되고 철도에서만 살아남았다. 당연히 전자는 대형화에 유리해서, 후자는 길 따라 전깃줄을 부설할 수 있기 때문이었다.
그 뒤 증기는.. 왕복 엔진이 아닌 터빈 형태로 발전소나 선박에서만 현역이다. 내연기관으로는 저렴한 석탄을 이용한 화력 발전이 가능하지 않을 테니 말이다.
전기는 눈부신 전기공학과 배터리 기술의 발달에 힘입어 100여 년 뒤에 다시 자동차 시장을 공략하는 중이다.

5. 가스 터빈

외연기관인 증기 터빈이 저런 대형 기계에서 쓰인다면, 내연기관인 가스 터빈은 비행기에서 주로 쓰인다. 왕복 엔진과 덩치를 어떻게 비교해야 할지는 모르겠지만.. 어쨌든 다른 조건이 유사할 때 터보샤프트(회전익) 및 터보프롭(고정익) 같은 엔진이 왕복 엔진보다 고회전 고출력이 더 잘 나오고, 엔진 자체도 구조가 덜 복잡하고 정비성이 좋다고 한다.
그래서 프로펠러 비행기라도 아주 아담한 경비행기 급이 아닌 한, 조금만 덩치가 커지면 왕복 엔진 대신 이런 가스 터빈 기반 엔진이 쓰인다.

다만, 이런 가스 터빈 엔진이 왕복 엔진보다 더 비싸고, 연료 소모도 더 심하다는 건 감안할 점이다. 터보샤프트 엔진은 헬리콥터뿐만 아니라 탱크 같은 일부 특수한 육상 기계/교통수단(?)에도 쓰인다.
가스 터빈을 더욱 발전시켜서 배기 가스를 적극적으로 뒤로 내뿜으면 '제트' 엔진이 된다. 오늘날 크고 빠르게 날아가는 비행기들은 모두 이런 제트 엔진 기반이다. 프로펠러만 돌려 갖고는 피스톤이든 터빈이든 초음속 비행이 무리이며, 소음도 감당하기 어려울 지경이 되기 때문이다.

하긴, 비행기뿐만 아니라 기록 수립만이 목적인 초음속 초고속 자동차도 이런 제트 엔진이 탑재된다고 들었다.
공기를 빨아들이지 않고 산화제를 내장한 채, 이런 분출에만 특화된 엔진은 로켓 엔진이 된다.

Posted by 사무엘

1. 초크 밸브

요즘은 트럭이나 버스가 아닌 승용차 차급에서 수동 변속기라는 게 사실상 전멸했다 보니, 어지간한 일반인 운전자들은 면허를 딴 뒤부터 클러치 페달이라는 걸 밟은 경험이나 기억이 전혀에 가깝게 없다.

오르막을 출발할 때의 떨림 찾기, 반클러치, 시동 꺼뜨림, 반대로 배터리가 나갔을 때 밀어서 시동 걸기.. 이런 것들을 모르는 사람이 주류가 되고 있다. 그러니 수동 차량은 대리 운전을 시키거나 중고로 파는 게 갈수록 난감해져 간다.
그래도 수동 변속기는 대형 상용차가 있기 때문에 완전히 멸종할 일은 없다. 쟤도 마치 에어 브레이크만큼이나 대형차만의 전유물이 될지도 모르겠다.

그런데, 운전과 관련하여 지금은 완전히 멸종했고 수동 변속기보다도 더 하드코어한 과거 유물은.. 초크 밸브이지 싶다.
연료 분사가 지금처럼 전자화· 자동화되기 전, 원시적인 카뷰레터(기화기)가 쓰이던 시절엔 연료 분사량을 조절하는 악셀 페달과는 별개로 공기 주입량을 조절하는 밸브도 운전석에서 수동 조작 가능한 기기 형태로 존재했다.

엔진의 출력이라는 함수값은 단순한 1변수이지만, 내연기관은 연료뿐만 아니라 공기까지 감안해서 동작하는 2변수 함수이기 때문이다. 비행기가 공중에서 선회를 위해서 자동차처럼 단순히 핸들을 꺾는 게 아니라 pitch와 roll이라는 2축, 2변수를 조절하는 것처럼 말이다.

추운 겨울에 디젤 엔진에다 시동을 걸 때는 초크 밸브를 이용해서 공기를 더 불어넣어 줘야 했다. 그리고 반대로, 공기를 수동으로 차단하지 않으면.. 지금으로서는 믿어지지 않지만, 키를 뽑는다고 해서 엔진 시동이 즉각 꺼지지도 않았다고 한다.

가파른 내리막에서 저단+높은 rpm 상태로 엔진 브레이크가 걸렸을 때 연료 공급이 차단되는 fuel cut도 없고.. 이 정도로 공기 공급과 연료 공급이 서로 맞물려서 효율적으로 통제되지 않으니 엔진 출력 대비 불완전 연소 매연과 그을음(특히 디젤)이 심하며 연비도 요즘 자동차보다 훨씬 더 나빴다.

초크 밸브까지 적절히 활용해야 하던 포니 같은 승용차는 운전하는 난이도와 느낌이 어떠했는지 궁금하다.
컴퓨터 프로그래밍으로 치면 암울하던 16비트 시절에 HMODULE과 HINSTANCE라든가 원거리 근거리 포인터 구분 등.. 지금은 신경쓸 필요가 없는 별 복잡한 요소들을 구분하고 따로 취급해야 했던 것과 비슷해 보인다.

이런 번거로운 기기는 전자식 연료 분사 기술이 도입되면서, 아니 그 전에 카뷰레터 자체도 기계식에서 전자식으로 바뀌면서 사라졌다. 1980년대 중후반에 완전히 사라졌다는 점에서 버스 안내양이나 항공 기관사와 시기가 비슷하다.
그래도 이 정도로 옛날 차는 요즘 차에 비해 침수(!!)나 저질 연료에 강하고 엔진음이 더 터프하고 웅장(?)하고, 악셀을 밟았을 때 밟은 대로 튀어나가는 반응성 하나는 좋았다고 한다.

2. 휠

옛날에는 자동차 타이어에 장착된 휠이라는 게 완전히 희거나 검은 표면이 있고, 중심부와 가장자리에 동그란 구멍이 숭숭 뚫려 있어서 마치 사람 얼굴처럼 보였다. 중심부의 동그란 원은 입, 휠너트는 콧구멍, 휠너트 주변의 돌출된 부위는 뽈살(!!), 그리고 제일 바깥쪽에 숭숭 난 동그라미들은 눈...;;;

요런 식으로 말이다.
그에 비해 요즘 승용차들의 휠은 굵직한 스포크 몇 개가 전부이고 나머지 부위는 다 뚫려 있어서 안쪽의 디스크 브레이크 패드가 다 보일 정도이다. 그리고 옛날 휠에 달리, 은색의 반들반들한 광택이 난다.
옛날 방식의 전통적인 휠은 트럭· 버스 같은 상용차에서나 볼 수 있다.

난 이게 단순히 디자인 트렌드의 차이인 줄 알았는데 그렇지 않더라. 재질부터가 다르다. 옛날 휠은 철제(스틸)인 반면, 나머지 더 뽀대나는 휠은 알루미늄 재질이다.
옛날에는 외곽의 '눈' 부위가 저렇게 아주 납작해서 눈을 흐리멍덩하게 떴다거나 우는 듯한 모습인 것도 있었지만, 원래는 모든 구멍을 그냥 원 모양으로만 뚫은 게 기본이다.

그래서 어떤 자동차에서 아무 옵션도 장착하지 않은 제일 저렴한 사양에 최하위 모델은 휠이 요런 모양이었다. 아니면 같은 차종이라도 자가용 말고 택시의 휠 역시 요런 편... ^^
조금 상위 모델로 가면 저기에다가 껍데기 하나 씌워 주는 게 관행이었다. 스틸 휠의 단조롭고 추레한 외형에 좀 변화를 주도록 말이다. 옛날엔 고속버스 타이어 휠에 반들반들한 휠캡이 따로 달렸던 것처럼..

그랬는데 요즘은 "철제 휠 + 휠캡 껍데기" 관행이 사라지고 알루미늄 휠이 대세가 된 듯하다.
그렇다고 가느다란 스포크가 수십 개씩 박힌 건 내구성이 약해서 그런지 자전거나 리어카 타이어의 휠에서나 볼 수 있고..
이런 것도 변화라면 변화라고 하겠다.

3. 엔진음과 동력원

(1) 요즘은 길거리를 달리는 자동차에서도 일반적인 부르릉이 아니라 전기 기관차 같은 조용한 웨에엥~ 전자음이 많이 들리기 시작해서 기분이 묘하다. 소형차에서 카르릉~ 디젤 엔진 소리가 나는 것 이상으로 이색적이다. 하이브리드, 배터리 전기, 수소 연료전지 같은 변종들이 갈수록 늘고 있긴 하다. 전기차는 내연 기관 같은 냉각 계통이 필요하지 않으니, 이런 차는 앞에 라디에이터 그릴도 없다.

(2) 그리고 요즘은 쬐끄만 소형 스쿠터(발을 한데 모을 수 있는..)들도 예전 같은 하이톤 앵앵앵 대신, 일반 오토바이와 동일한 부르릉 털털털 소리가 난다. 신기하지 않은가? 이제 이륜차도 내연기관형은 다들 2행정이 아닌 4행정 엔진을 쓰기 때문이다. 아니면 덩치 작은 놈은 아예 전기 모터로 바뀌고 말이다.

2행정은 구조가 간단하고 배기량 대비 더 큰 출력이 나지만, 엔진 내구도와 환경면에서 4행정보다 불리하다. 이제 소형 2행정 엔진은 교통수단이 아니라 제초· 제설 장비 정도에서나 볼 수 있다. 휴대용 엔진 발전기조차도 휘발유, 디젤, 터빈 등 다양한 엔진이 쓰이지만 2행정은 아니기 때문이다.

(3) 하지만 군용차라든가 대형 버스나 트레일러는 저런 트렌드를 다 씹어먹고 여전히 디젤이 본좌다. 제아무리 깨끗하고 다재다능한 전기 에너지라 해도, 말통에다가 석유 담듯이 많은 양을 화학적으로 곱게 축적하는 효율은 인류의 과학 기술로는 아직 메롱이기 때문이다.;;

그러니 전기 에너지는 실시간으로 생산과 소비를 동시에 하는 형태를 벗어나지 못해 있으며, 그나마 연료 전지는 배터리와 엔진의 중간 위상인 타협안이다. 현대차에서 열심히 연구· 노력한 덕분에 수소 연료전지 정도가 승용차 레벨을 벗어나 대형차 버전까지 만들어져 있다.

(4) 그리고 EQ900, 롤스로이스 같은 초호화 기함급 승용차들도 역시.. 하이브리드고 디젤이고 전기고 다 필요 없고, 안정성이 검증된 땡 휘발유 다기통 대용량 엔진이 사용되는 중이다. 부유하고 높으신 분들이야 길바닥에 돈을 줄줄 흘리고 다녀도 걱정할 게 없기도 하니.. 디젤과는 반대편 극단에 속한 분야라 하겠다.

Posted by 사무엘

1. 터빈

터빈이란 직선 운동을 하는 유체로부터 에너지를 받아서 회전력으로 전환하는 기계 장치로, 프로펠러와는 개념적으로 정반대이다. (프로펠러는 회전력으로부터 직선 추진력을 생성)
이 정의에 따르면 물레방아는 수직으로 떨어지는 물로부터 회전력을 내니 터빈의 범주에 든다. 바람개비나 풍차 역시 마찬가지다. 이렇게 생각하면 터빈은 생각만치 별것 아니다.

터빈 기반 엔진은 내연기관과 외연기관 형태로 모두 존재할 수 있다. 그래서 외연인 증기 터빈도 존재하고 내연인 가스 터빈도 존재한다.

2. 가스 터빈 엔진 vs 기존 왕복 엔진

터빈은 유체의 연속적인 직선 운동을 받아들이지만, 왕복 엔진은 말 그대로 피스톤의 직선 '왕복' 운동을 받아서 회전 운동으로 변환한다는 차이가 있다. 그래서 터빈은 크랭크 같은 동력 변환 부품이 필요하지 않아서 구조가 더 간단하며, 진동도 더 작다. 엔진음은 털털털~ 대신 웨에엥~ 같은 소리이다.

왕복 엔진은 각 실린더마다 흡입-압축-폭발-배기라는 행정이 시간 간격을 두고 순차적으로 발생한다. 폭발이 일어나서 피스톤을 누르는 방향.. 다시 말해 생성된 동력을 전하는 방향과, 배기가스가 나가는 방향이 서로 별개이고 무관하다.

그 반면, 터빈 엔진은 연료가 섞인 압축 공기가 쭉 분사되고 폭발하고, 팽창한 배기가스가 분출되면서 터빈을 돌리는 게 행정 구분 없이 선형적으로 늘어서 있다. 한 엔진 내부에서 부위별로 각 행정들이 동시에 연속적으로 발생한다는 뜻이다. 그렇기 때문에 터빈 엔진은 왕복 엔진처럼 실린더를 여러 개 만들어서 각 실린더가 서로 다른 행정 상태를 나타내게 할 필요가 없다.

가스 터빈 엔진은 단순한 구조에도 불구하고 고회전 고출력에 매우 유리하다는 장점이 있다. 그러나 장시간 고온 고압의 배기가스를 맞으면서 초고속 회전력을 줄곧 전할 수 있는 터빈을 만드는 것이 왕복 엔진의 실린더를 잘 만드는 것보다 더 어렵다. 이런 이유로 인해, 가스 터빈은 증기 터빈이나 왕복 엔진보다 훨씬 늦은 20세기 중반에야 등장하고 실용화됐다.

가스 터빈은 꾸준히 시종일관 비슷한 출력으로 돌아가는 곳에서 유리하다. 현실의 자동차처럼 가다 서기를 반복하면서 출력 강도가 널뛰기 하듯이 바뀌고 엔진에 걸리는 부하가 수시로 달라지는 것에 대한 대처는 왕복 엔진보다 불리하다. 연비도 2회전당 1회 폭발인 4행정 왕복 엔진보다 좋지 못하며, 연료 소모가 훨씬 더 많다.

그렇기 때문에 육상 교통수단에서는 왕복 엔진이 여전히 주류이다. 가스 터빈 엔진은 탱크나 철도 차량처럼 덩치가 더 크고 출력 변화의 기복이 상대적으로 작은 물건에서만 제한적으로 쓰인다. 다만, 비행기와 선박 레벨에서는 터빈이 활발하게 쓰이고 있으며, 덩치 걱정 없이 혼자 24시간 꾸준히 돌기만 하면 되는 발전기에서는 아예 외연기관인 증기 터빈이 세상을 완전히 평정해 있다. 오늘날 우리가 집에서 사용하는 전기의 과반· 대부분은 화력이건 원자력이건 증기 터빈이 돌려 준 발전기로부터 생산된 전기이다.

가스 터빈 엔진은 왕복 엔진 같은 실린더가 있지는 않을 텐데 배기량 같은 엔진 덩치를 무엇을 기준으로 나타내는 걸까? 궁금해진다.

3. 자동차의 과급기

자동차의 엔진에서 배출된 배기가스는 환경을 오염시키는 건 말할 것도 없고, 그 압력과 온도 그대로 외부에 배출하는 것 자체부터가 위험하다(소음, 화상, 화재 유발..). 즉, 화학적인 성분뿐만 아니라 물리적인 상태도 좋지 않다는 것이다. 그렇기 때문에 이건 머플러에 통과시켜서 압력과 온도와 배출음을 크게 줄인 뒤에 배출한다.

그럼 요즘 일부 자동차에 달려 있는 터보차저(과급기)는 무엇이냐..?? 피스톤을 누르고도 아직 열과 힘이 좀 남아 있지만 그냥 버려지는 그 배기가스의 분출력을 활용해서 터빈을 돌린다. 그리고 그걸로 공기 압축기를 가동해서 엔진에다가 단위 부피당 더 고농도의 공기를 꾹꾹 눌러 공급하는 역할을 한다.

얘는 순수 가스 터빈 엔진처럼 터빈 자체가 엔진에 연결되어 동력에 기여하지는 않는다. 하지만 공기를 더 많이 눌러 넣음으로써 왕복 엔진의 연소 효율을 올리고 엔진 출력을 크게 향상시켜 준다. 엔진의 물리적인 크기를 키우지 않고도 배기량을 키우는 것이나 마찬가지이니 출력이 올라갈 수밖에.. 관계가 그렇게 된다. 터빈까지 통과하고 난 배기가스는 열과 힘을 더 활용할 여지가 없기 때문에 버려진다.

앞으로는 터빈이라 하면 공기 압축기가 계속해서 따라다닐 것이다. 이것이 내연기관 가스 터빈이 물레방아 내지 증기 터빈하고 근본적으로 다른 점이기 때문이다. 압축기 터빈은 바람개비의 깃이 프로펠러보다 훨씬 더 많고 조밀하다. 얘는 엔진 터빈의 동력을 받아서 공기의 흐름만 바꿔 놓지, 자기가 공기의 흐름으로부터 역으로 동력을 얻는다거나 하지는 않는다.

어느 내연기관이건 처음에 시동을 걸 때는 외력이 필요하지만, 터빈이 한번 돌아가기 시작하면 그걸로 앞쪽의 압축기도 돌려서 자기 자신이 공급받는 공기의 농도가 덩달아 높아지게 된다. 애초에 자동차의 과급기도 비행기용 가스 터빈 엔진에서 쓰이는 원리를 차용한 것이다.

4. 프로펠러 비행기: 터보 샤프트와 터보 프롭

자동차는 구동축과 연결된 바퀴를 굴려서 타이어와 지면의 마찰력으로 주행하는 반면, 비행기는 뒤로 뭔가를 밀어내거나 내뿜어서 얻은 반작용으로 주행한다. 그리고 비행기는 그 역할을 뱅글뱅글 돌아가는 프로펠러가 수행하기 시작했다.
참고로 선박도 과거에 외륜 달린 증기선 시절에는 자동차와 비슷한 방식으로 물을 박차고 나아갔다. 그 반면, 요즘 선박들의 뒤에 달린 스크루는 개념적으로 비행기 프로펠러와 동일하다. 회전면이 동체의 진행 방향과 동일하냐(바퀴), 수직이냐(프로펠러)의 차이가 있다.

초창기의 비행기, 또는 지금도 경비행기 수준에서는 프로펠러를 돌리기 위해 그냥 왕복 엔진이 쓰였고, 현재까지도 쓰이고 있다. 비행기에는 실린더가 자동차 같은 선형이나 V형도 아니라, 불가사리의 팔처럼 주렁주렁 분산된 형태로 달린 성형 엔진이라는 것도 있다. 이런 비행기는 엔진 소리도 자동차 엔진 소리와 비슷하다. (붕붕이)

그러나 같은 프로펠러기여도 왕복 엔진이 아닌 가스 터빈으로 프로펠러를 돌리는 물건이 등장했다. 터빈은 재래식 왕복 엔진보다 출력과 성능이 뛰어난 덕분에 일정 덩치와 속도 이상의 체급에서는 왕복 엔진을 순식간에 대체하게 되었다. 터빈은 워낙 빠르게 돌아가기 때문에 자동차의 타이어가 아닌 프로펠러를 돌릴 때도 감속 기어를 한번 거쳐야 할 정도이다.

고정익 비행기에서는 터보 프롭이 쓰이고, 얘들만치 빠르게 움직이지는 않는 헬리콥터나 탱크 같은 다른 가스 터빈 엔진에서는 터보 샤프트 방식이 쓰인다. 후자는 동력을 전하는 터빈과 공기 압축기 터빈이 따로 돌아가는 것도 가능하다는 차이가 있다. 고속에서의 효율이 터보 프롭보다 더 떨어지지만, 그래도 이렇게 해야 동력비의 변환이 그나마 더 유리해지기 때문이다.

어떤 방식으로 프로펠러를 돌리건, 프로펠러기는 시속 400~600km대의 중속에서 효율적이지, 아음속 정도에만 근접해도 자동차로 치면 '레드존'에 도달하여 출력이 떨어진다.
그리고 프로펠러가 돌아가는 소리는 엄청나게 시끄럽다. 여기서 프로펠러라는 것은 헬리콥터의 로터도 포함하는 개념이다. 헬기 조종사들이 괜히 폼으로 헤드셋과 마이크를 끼고 있는 게 아니다.

프로펠러기는 총 격발 반동만큼이나, 혹은 자동 변속기 차량의 creeping 현상만큼이나.. 조종간을 놓고 있으면 프로펠러의 회전 때문에 동체의 roll이 프로펠러 회전 반대 방향으로 서서히 기울어지는 현상이 있다. 개인적으로는 예전에 시뮬레이터를 한번 만져 보면서 경험했던 기억이 있다. 제트기에서는 볼 일이 없는 현상일 것이다.

5. 제트 엔진 (터보 제트)

가스 터빈과 비슷한 20세기 중반 타이밍 때는 내연기관의 배기가스로 터빈을 돌리고 프로펠러를 돌리는 게 아니라, 배기가스 자체를 그대로 세차게 내뿜어서 추진력을 내는 엔진이 연구되고 개발되었다. 이것이 이름하여 제트 엔진이다.

생각해 보면 이건 무척 흥미로운 면모이다.
프로펠러나 압축기를 열나게 돌리는 것만이 목표라면 전기 모터가 내연기관을 대체할 수도 있다. 육상 교통수단인 자동차나 열차처럼 말이다.
하지만 연소 배기가스를 생성해서 내뿜는 것은 전기로 구현할 수 없다. 그렇기 때문에 모터는 가벼운 드론 멀티콥터의 로터를 돌리는 용도로나 쓰이고 있다.

제트 엔진부터는 엔진 꽁무니에 '노즐'이라는 게 필요하다. 호스로 물을 뿌릴 때도 호스 끝을 쥐어짜서 부피를 줄이면 물이 세게 솟구치게 되는데, 노즐이 그와 비슷한 일을 한다. 앞의 터보 프롭/샤프트 엔진도 터빈을 돌리고 난 배기가스를 분출하는 게 있긴 하지만 얘는 추진력에 기여하는 것이 아주 미미하다.

'터보 제트' 엔진에서는 압축기를 통과한 짙은 공기가 연료와 섞인 채 폭발하여 배기가스로 바뀌고, 그게 앞의 압축기를 돌리는 터빈까지 돌린 뒤 노즐을 통해 세차게 뿜어져 나온다. 즉, 이 엔진에서는 터빈이 압축기를 돌리는 용도로만 쓰인다.

사실 로켓 엔진도 본질적인 원리는 동일하다. 로켓을 연구하는 칼텍/NASA 산학 협력 연구소의 이름이 괜히 '제트 추진 연구소'인 게 아니다. 이게 만들어지던 시절에는 '로켓'이야말로 천박하게(?) 들리는 신조어이기도 했고 말이다.
다만, 로켓은 산화제를 자체 내장하고 있어서 주변 공기를 흡입하는 부분을 고려하지 않는다는 결정적인 차이가 있다. 그러니 터빈이나 압축기 따위가 없다.

또한 우주 발사체용 로켓은 추력을 먼저 아래로 발생시켜서 수직 상승했다가 나중에 지구 궤도를 돌기 위해 수평 이동을 하지만, 고정익 비행기는 추력을 뒤로 발생시켜서 일단 기체를 고속으로 수평 전진시키고, 그 와중에 날개를 이용해서 양력을 덤으로 발생시켜서 상승한다는 차이가 있다. 요컨대 수직 이동과 수평 이동이 발생하는 순서가 서로 반대라는 것이다.

이 정도면 자동차와 비행기와 로켓에서 외부 공기라는 게 어떤 역할을 하는 존재인지 관계가 감이 올 것이다. 표로 정리하면 다음과 같다.

자전거에게는 변속기가 없어도 상관없고 있으면 오르막과 고속 주행을 더 수월하게 해 주는 부품이지만, 자동차에게는 변속기가 반드시 필요하다.
그것처럼 자동차에게는 터보차저(과급기, 압축기..)가 없어도 상관없고 있으면 출력을 더 올려 주는 부품이지만.. 비행기에게는 무슨 램 제트 급이 아닌 이상 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

헬리콥터는 비행기계의 오토바이 같은 물건이 아닌가 싶다. 일반 사륜 자동차보다 더 작고, 자동차로 불가능한 기동이 가능한 반면, 더 불안정하고 위험하다는 점에서 말이다. 뭐, 그렇다고 에어쇼 곡예 비행을 헬리콥터로 하는 건 아니니 회전익-고정익의 관계가 이륜-사륜 자동차의 관계와 완전히 동일한 건 아니다.

이런 기술 디테일을 생각해 보면..
온갖 SF물에서 우주를 날아다니는 전투기가 비행기와 너무 흡사하게 날개까지 달린 채로 묘사되었다거나..;;
심지어 팔· 다리 달린 보행 로봇이 공중에서 합체하는 장면이 현실과 얼마나 극과 극으로 동떨어졌는지를 알 수 있다.

6. 터보 팬

제트 엔진 중에는 오리지널인 '터보 제트' 말고도 바리에이션인 '터보 팬'이라는 게 있다.
얘는 터보 제트와 비슷하지만, 압축기보다도 앞인 제일 앞면에 엔진 자체의 직경보다 훨씬 더 큰.. '팬 블레이드'라고 불리는 바람개비가 있다는 게 차이점이다.

그래서 엔진의 뒤쪽에서는 (1) 연소까지는 되지 않고 팬 블레이드에 의해 빨려들어가서 밀쳐진 공기가, (2) 중앙에서 엔진에 들어갔다가 연료와 함께 연소되고 뿜어진 배기가스를 감싼 형태로 같이 분출된다. (1)의 양이 (2)의 양보다 훨씬 더 많으며, 그 비율을 일명 '바이패스 비율'이라고 부른다.

물론 같은 크기의 엔진에서 같은 양의 연료를 주입했을 때.. 터보 팬은 더 큰 블레이드를 돌리고 엔진 주변의 공기까지 건드려야 하니 엔진 내부에서 분출하는 배기가스의 속도는 어쩔 수 없이 감소한다. 그러나 분출되는 공기의 총량은 속도가 감소한 것을 보상할 정도로 더 많아진다. 운동 에너지 1/2 mv^2에서 v 말고 m 말이다.

그럼.. 터보 프롭의 프로펠러도 회전 운동을 통해 주변 공기를 뒤로 밀쳐 주는 건 마찬가지인데, 팬 블레이드가 프로펠러와 차이점이 도대체 무엇이냐는 의문이 들 수 있다.
팬 블레이드는 공기를 더 집중해서 끌어모으기 위해서인지, 프로펠러와 달리 주변에 동그란 테두리(덕트)가 감싸져 있다. 그리고 날개깃이 프로펠러보다 훨씬 더 많으며, 회전 속도도 프로펠러보다 더 높다.

뭐, 얘도 프로펠러와 비슷하다면 비슷한 물건이지만, 프로펠러와 동일한 방식으로 공기를 밀쳐내는 건 아니라는 걸 알 수 있다. 팬 블레이드는 본진에 속하는 제트 엔진의 배기가스와 조화를 이루고 엔진 효율을 끌어올리는 방식으로 주변 공기의 흐름을 만드는 역할을 한다.

엔진의 바이패스비를 올리려면 팬 블레이드가 엄청나게 커져야 한다. 하지만 현실적으로 이 크기를 무한히 키울 수는 없다.
터보 팬은 터보 제트와 같은 출력을 가정했을 때, 분출되는 엔진 배기가스의 역할의 일부를 바이패스되는 일반 공기에다가도 분담시킨 형태이다. 그리고 앞서 언급했듯이 속도의 역할을 질량에다가도 일부 분담시켰다.

이런 이유로 인해 터보 팬 엔진은 출력에 비해서, 특히 프로펠러 엔진과 비교했을 때 소음이 적으며 상대적으로 정숙하다. 터보 제트보다 연비도 더 좋다. 저소음 고연비라니, 이건 민간 여객기로서 매우 큰 장점이다. 그래서 오늘날 여객기들은 모두 터보 팬으로 물갈이됐다.

그에 반해 터보 팬의 단점으로는 터보 제트보다 엔진 구조가 더 복잡하고 비싸다는 것, 그리고 질량 지향에다 바이패스 공기에 의존적인 특성상, 오리지널 터보 제트만치 고속 지향적이지는 못하다는 것이다. 터보 제트는 프로펠러로는 가능하지 않던 마하 2~3급의 전투기에도 쓰이고 콩코드 초음속 여객기에도 쓰이지만, 터보 팬은 아음속~마하 1대의 속도에서 가장 효율적이다. 터보 프롭보다는 고속이지만 터보 제트보다는 저속 영역을 접수하고 있다는 것이다.

하지만 비행기가 본격적으로 음속을 돌파하려면 어차피 엔진의 특성이나 성능 말고 다른 영역들에서도 극복해야 할 문제가 한둘이 아니다. 그렇기 때문에 민간 여객기는 30년 전이나 지금이나 시속 900~1000km대의 아음속을 유지하고 있으며, 뒷바람을 제대로 타거나 하강할 때에나 살짝 잠깐 초음속이 나오는 정도이다.

7. 램 제트

끝으로, 제트 엔진 중에는 로켓 엔진에 가장 근접하고 마하 3~5에 달하는 극초음속 최고속 비행에 최적화된 최종 단계의 물건이 있다. 이름하여 램 제트이다.
얘는 로켓 같은 자체 산화제 없이 외부 공기에 의존하지만(= 우주 비행은 불가).. 터빈과 압축기도 없다. 동체의 주행 속도가 워낙 상상을 초월하게 빠르기 때문에 그 압도적인 주행풍만으로도 충분히 많은 공기가 유입되고, 초음속 충격파 발생 구간으로 압축도 자동으로 된다고 가정하기 때문이다.

이렇게 터빈 없는 제트 엔진은 기계 구조가 더 단순하고 산화제 없는 로켓 엔진이라 볼 수도 있는데.. 그 대신 얘는 저속에서는 공기가 부족해서 연소가 제대로 되지 않는 무용지물이 된다.
그리고 램 제트조차도 마하 5 정도를 넘어서면 비실대기 때문에.. 연소실 내부의 공기의 흐름까지 초음속으로 증속시켜서 그 한계를 극복한 '스크램 제트'라는 파생형도 있다. 물론 그 상태로 엔진 점화 상태를 유지하는 건 말처럼 쉬운 일이 절대 아니다.

램 제트급의 엔진이 사람이 여럿 타는 비행기에 적용된 예는 있을 리가... 아직까지는 가벼운 무인기나 미사일 같은 발사체용이다. 그래도 산화제를 안 실어서 더 가볍고 저렴한 상태로 외부 공기를 잘 활용해서 극초음속으로 날아가는 비행체이니.. 이쪽도 수요가 끊길 일이 절대로 없는 연구 분야이다.
아울러, 비행체가 처음부터 초음속 비행을 할 수는 없는 노릇이므로 속도대별로 한 엔진이 터보 제트와 램 제트로 모드를 전환할 수 있는 '하이브리드' 시스템에 대한 연구도 진행되고 있다.

자동차 엔진을 만드는 것도 어마어마한 개발비와 다양한 실험실, 주행 시험장이 필요한데 이런 비행기 엔진의 연구 개발과 실험· 테스트는 어떻게 진행될지 참 신기하기 그지없다.

• 자동차: 주행하는 동안 언제나 시동이 켜져 있지만(수 시간), 시동 유지를 위한 최소 출력만 내거나 퓨얼컷까지 된 상태로 타력 주행인 시간도 많음. 운전하는 동안 내내 가속 페달을 밟고 있는 게 아니므로.
• 비행기: 주행하는 동안 엔진 상시 가동이며, 예외적인 활강 상태가 아니면 언제나 일정 수준 이상의 출력을 내고 있음. 고도를 현상 유지하는 것만으로도 자동차로 치면 계속해서 오르막을 주행하는 것과 비슷하기 때문이다. (비행기는 비행선이 아님)
• 로켓: 지구 궤도에 도달할 때까지, 혹은 궤도 수정이나 이탈 등을 위해 단 몇 분 동안만 가동됨. 그 짧은 시간 동안 그 많은 연료를 다 써 버림. 나머지 시간은 모두 그냥 천체의 중력에 이끌리는 관성 운동.

Posted by 사무엘

1. 기술 디테일

자동차가 자그마한 승용차 급이다가 대형 버스나 트럭 내지 그 이상으로 커지면 내부 구조가 다음과 같이 바뀐다.

(1) 엔진
휘발유 기반이다가 디젤로 바뀐다. 디젤 엔진은 휘발유 엔진보다 더 복잡하고 무겁고 비싸지만 저속 토크가 더 강하며, 실린더의 개당 부피에 제약이 없어서 엔진의 대형화에 근본적으로 유리하기 때문이다.
가령, 4기통만으로 4000cc에 달하는 엔진은 디젤로는 구현 가능하지만 휘발유로는 가능하지 않다. 이런 차이는 양 엔진의 점화 방식의 차이 때문에 존재한다(점화 플러그 vs 압축 착화).

물론 디젤 엔진 정도야 대형차 전용인 건 아니며 소형 승용차에도 쓰인다. 하지만 반대로 휘발유 엔진이 대형차에서 쓰이는 일은 없다. 휘발유 엔진의 GDI와 디젤 엔진의 CRDI는 둘 다 direct injection으로 끝나는데 각각 자기 분야에서 무엇을 크게 개선한 기술인지 궁금해진다.

참고로, 자동차 말고 타 교통수단들도 작은 놈은 자동차 같은 왕복 피스톤 엔진을 사용한다. 그러다가 덩치가 더 커지면 철도 차량은 아예 전기 모터로 갈아타고 비행기는 제트 엔진을 장착하게 된다.

(2) 브레이크
승용차 수준에서는 방열 성능과 정비성이 더 뛰어나고 제동력 조절도 용이한 디스크 방식이 앞뒤 바퀴에 모두 쓰인다. 그러나 대형차로 가면 닥치고 제동력이 더 좋은 드럼 방식이 적어도 뒷바퀴에는 여전히 지존이다. 다만, 대형차 말고 아예 경차도 원가 절감을 위해 드럼 브레이크가 쓰이곤 한다.

그리고 승용차와 소형 트럭에서는 제동력을 전하는 매체가 브레이크액이라는 액체인 반면, 중형급 버스나 트럭(4~5t쯤?)부터는 역시나 성능이 좋다는 이유로 압축 공기가 쓰인다. 대형차에서 걸핏하면 '축~ 취익~' 방귀 소리가 나는 이유가 바로 이 때문이다.

브레이크는 짧은 시간 동안 너무 자주 많이 밟으면 엔진만큼이나 과열될 수 있다. 브레이크액이 끓을 정도가 돼서 페달을 밟아도 쑤욱 들어가기만 하고 제동이 전혀 안 걸리는 것은 vapor lock 현상이다. 그리고 브레이크 패드가 달궈져서 제동력이 떨어지는 건 fade 현상인데, 디스크보다는 드럼 방식이 더 취약하다.
대형차는 브레이크액 방식이 아니니 vapor lock 현상에는 해당되지 않지만, fade 현상과 아예 공기압의 고갈을 조심해야 한다. 계기판에 브레이크 공기압 게이지가 달려 있다.

(3) 변속기
승용차급에서는 자동 변속기가 대세가 된 반면, 대형 상용차(트럭, 버스)에서는 차량 가격과 성능, 연비 같은 효율 문제 때문에 오늘날까지도 여전히 수동 변속기가 주류이다.
그리고 100~400마력짜리 자동차 레벨에서 수동 변속기라면 그냥 톱니바퀴만으로 감당 가능하다. 철도 차량도 짤막한 디젤 동차는 이런 식으로 동력을 변환한다.

그러나 수천 마력의 출력으로 여러 객차를 끄는 기관차에서 기어만으로 동력 변환을 하려면 변속기가 너무 커지고 복잡해진다. 그렇기 때문에 효율은 약간 떨어지지만 동력을 간접적으로 전해서 변환하는 유체 변속기 내지 토크 컨버터가 쓰이며, 자동차에서도 자동 변속기는 이 방식을 쓴다.

아울러, 전기도 교류는 같은 전력에서 전압-전류 출력 변환이 용이하니, 대형 디젤 기관차는 변속기 오일 대신 전기를 중간 매체로 사용해서 디젤 전기 기관차 형태인 게 보통이다.

사실은 철도 차량까지 갈 것 없이 버스 중에도 저상 버스는 커다란 물리적인 기어박스를 원하는 형태로 밑에 장착하기 곤란하다는 이유로 인해, 불가피하게 자동 변속기가 장착되어 왔다. 허나 최근에는 그런 기술적인 한계가 극복됐다는 얘기도 들린다. 저상 버스에도 수동 변속기가 널리 보급되면 기사가 운전하기는 더 힘들지만, 버스 회사의 입장에서는 구입 단가가 저렴해질 수 있겠다.

(4) 서스펜션
세상의 자동차들은 바퀴와 차체가 곧이곧대로 딱딱하게 붙어 있는 게 아니다. 한쪽으로 충격을 받으면 그걸 흡수하여 반대편으로 들썩거린다. 마치 초고층 빌딩이 바람을 맞으면 미세하게나마 흔들리게 설계되는 것과 비슷한 이치 같다.

육상 교통수단에는 이걸 담당하는 서스펜션 내지 현가장치라는 게 있어야 좋은 승차감이 보장될 수 있다. 자동차가 아닌 마차 시절에도 초보적인 형태의 현가장치는 고안되어 쓰여 왔다.
철도는 길이 워낙 곧고 부드러우니 차량에 이런 게 전혀 필요하지 않을 것 같다만, 그래도 거기에도 간략하게나마 자동차와는 다른 형태의 현가장치가 있다. (철도 차량에는 차동 기어는 없음. 커브를 돌 때 좌우 바퀴의 회전수를 달리하여 동력을 전하는 장치)

승용차의 바퀴 주변을 보면 지면과 수직으로 코일 내지 스프링이 둘러진 막대기가 보이는데, 그게 서스펜션이다. 더 세부적인 방식으로는 multi-link 방식, rigid axle 방식 등 여러 종류가 있는데 그것까지는 잘 모르겠고..

그 반면, 대형 트럭의 뒷바퀴를 보면 통상적인 스프링이 아니라 무슨 활 모양의 휘어진 작대기가 지면과 수평으로 여러 겹 둘러진 게 보인다. 요것은 대형차에서 주로 쓰이는 판(leaf) 스프링 서스펜션이다.

판 스프링 서스펜션은 코일 스프링보다 승차감이 별로이지만, 그래도 역시나 저렴하고 강한 충격과 하중에도 안 부러지고 버티기 때문에 천상 대형차용으로 쓰이고 있다. 하지만 정비를 제대로 안 하다가 판 스프링 중 일부가 주행 중에 부러져서 떨어지고, 그걸 뒷차가 밟는 바람에 휙 튕겨 날아가서 주변의 차들에게 사고를 유발하는 민폐를 종종 끼치곤 한다.

특히 지난 2018년 1월, 중부 고속도로 이천시 구간에서는 달리던 승용차의 앞으로 웬 철판이 날아들어 신혼 부부 신랑이 목숨을 잃는 비극적인 사고가 났는데.. '죽음의 철판'이라고 불린 그 물체도 바로 불상의 화물차에서 부러지고 떨어져 나간 판 스프링 조각이었다.

그걸 밟아서 반대편 차로로 튕긴 주범은 어느 관광버스였다. 경찰에서 두 달이 넘게 빡세게 CCTV를 판독하고 조사한 끝에 기어이 찾아냈다. 하지만 깜깜한 밤에 길쭉한 철판 조각이 떨어진 것을 일일이 확인하면서 달릴 수는 없는 노릇이고 그 버스 기사에게 책임을 물을 수는 없었다. 그리고 철판을 떨어뜨린 차량은 끝내 찾아내지 못했다.

2. 특수한 대형 자동차

세상에는 엔진이 달렸고 바퀴가 굴러가지만, 도로교통법의 적용을 받지 않으며 일반 도로에서 주행할 수 없는 자동차가 있다. 이런 차들은 특수한 구역 내부만 주행할 수 있으며, 통상적인 등록 절차를 거친 '바사아자'(자가용일 리는 없을 테니) 번호판이 달려 있지도 않다. 일반 도로를 주행할 수 없는 이유는 대체로 길이나 폭 같은 크기가 너무 크기 때문이다.

에버랜드의 주차장 셔틀버스가 좋은 예이고, 더 일반적으로는 공항 계류장에서 이런 특수한 자동차들이 여럿 볼 수 있다. 비행기를 활주로까지 밀고 당겨 주는 토잉카라든가, 탑승교가 없는 공항에서 승객을 비행기까지 단거리 수송하는 일명 램프 버스/에이프런 버스 말이다.

전자의 경우, 보잉 747급의 대형 여객기를 옮겨 주는 물건은 공사장이나 탄광에서 쓰이는 어지간한 중장비· 건설 기계보다도 출력이 훨씬 더 높다. (거의 1000마력 근처) 토잉카는 바퀴의 공전 현상 없이(= 충분한 접지력) 비행기를 견인하기 위해 자기 자신부터 엄청나게 무겁게 만들어지며, 엔진도 그에 상응하는 출력을 내야 하기 때문이다.

램프 버스는 어차피 경사가 전혀 없는 공항 계류장만 다닐 테니 기존 시내버스보다도 바닥이 극도로 낮다. 폭과 길이는 도로교통법에서 규정된 한계를 씹어먹을 정도로 더 크지만(비행기 승객을 한번에 모두 태우기 위해서) 좌석은 아예 전혀 없다. 도시형 입석 시내버스보다 더 단거리 가축 수송에 최적화돼 있는 셈이다.

얘들은 차량 크기뿐만 아니라 배기가스 규제 쪽도 통상적인 법의 적용을 받지 않는다. 그렇기 때문에 굉장히 오래된 연식의 차량도 계속 굴러다닌다고 한다. 글쎄, 아예 전기차로 바꿔 버려도 될 것 같다만 말이다.

단, 국내의 경우 원주 공항은 전국에서 유일하게 터미널과 활주로가 1.7km 가까이 멀리 떨어져 있으며, 중간에 일반 차도를 지나야만 두 장소를 왕래할 수 있다. 그래서 램프 버스도 일반 자동차들과 동일한 번호판에 동일한 체격인 일반 버스이다. 뭐, 저기는 국제 공항도 아니고 제주도 행 대한 항공 여객기가 하루 한 편 다닐까 말까인 군소 공항이니 그저 그러려니 하고 넘기면 된다.

공항을 벗어나서 여객이 아닌 화물· 중장비· 건설 기계 분야로 가면 역시나 엄청나게 크고 아름다운 특수 차량을 볼 수 있다.
Mack Titan처럼 road train이라고 불리는 초대형 트레일러는 그래도 그 나라의 도로교통법에 맞게 설계되었고 일반 도로를 주행하는 차량이다. 그것 말고.. 광산에서 쓰이는 트럭 중에는 통상적인 길이· 높이· 폭과 축중량 한계를 몽땅 무시한 괴물이 있다. Terex Titan, Komatsu 930E, CAT 797F 이런 것 말이다.

얘들은 공장에서 생산되고 나서 광산 현장으로 이동은 어떻게 했겠는지 궁금하다.
하긴, 가끔은 여러 개의 차선을 점유하는 초대형 화물--로켓 부품 같은?--을 일반 도로에서 트레일러로 불가피하게 수송해야 할 때가 있다.
이때는 미리 허가를 받은 뒤에 앞뒤로 에스코트 하는 차량을 두고 옛날 적기 조례가 적용되었던 것처럼 진짜 살금살금 조심조심 움직여야 한다. 이런 짓은 주변에 끼치는 민폐가 크기 때문에 한밤중에 몰래 하는 편이다.

3. 쌍동체 비행기

지금까지 글이 대부분 초대형 특수 자동차 위주로 진행됐는데, 초대형 특수 비행기에 대해서도 언급하고 글을 맺도록 하겠다.
현재까지 세계에서 가장 큰 비행기는 An-225 내지 에어버스 A380이 1위를 다투고 있다. 비행정까지 포함하면 옛날의 휴스 H-4 허큘리스가 명목상 최대이다.

그런데 옛날에는 마치 아이스크림 쌍쌍바처럼 꼬리날개를 포함한 동체가 둘로 구성된.. '쌍동체' 비행기가 있었다. 뭐 그때는 쌍동체라고 해 봤자 기체 전체의 크기가 그렇게 크지 않았다. 복엽기만큼이나 당대의 제한된 기술만으로 비행기의 성능과 수송력을 끌어올리려던 여러 시도 중 하나였을 것이다.

어느 공상 과학 소설에서는 보잉 747 같은 대형 여객기가 2개 내지 3개의 동체로 편성돼서 한번에 무슨 타이타닉처럼 1000~2000명씩 타는 게 묘사된 걸 본인은 읽은 기억이 있다. 무슨 열차도 아니고 말이다.

그런데 지금은 그게 얼추 비슷하게 현실이 된 게 있다.
Stratolaunch라는 회사에서 로켓을 완전 지상이 아닌 공중에서 저렴하게 발사하기 위해, 로켓을 실을 수 있을 정도로 거대한 특수 쌍동체 비행기를 제작했기 때문이다.

날개의 폭이 117m에 달한다고 한다. 기체 대비 저 깨알같은 사람의 크기를 비교해 보시라..;;
얘도 통상적인 규격 하에서 만들어진 공항 활주로에서 이착륙 할 수는 없을 것이다. 휴스 H-4 허큘리스를 제치고 전세계에서 폭 하나는 제일 큰 비행기라는 타이틀을 차지했다.

폭만 무식하게 크고 나머지는 상대적으로 가녀리게 생긴 저 비행기에서 로켓 발사를 어떻게 하겠다는 건지는 잘 모르겠지만, 세상엔 이런 식으로 특이하게 거대하게 생긴 특수 목적 교통수단이 분야별로 있다는 걸 알게 된다.
선박이야 원래부터 워낙 거대한 놈 천지이며, 뭔가 외형이 크게 특이하게 바뀌면서 덩치가 커지는 게 없으니 논외로 하자.

Posted by 사무엘

1. 트렁크에 싣는 물건들

차의 접지력을 위해서 일부러 무겁게 만드는 경우가 아니라면, 어지간해서는 트렁크에 쓸데없는 짐을 싣지 말고 차를 가볍게 유지하는 게 연비 운전의 정석이다. 하지만 평소에 차의 트렁크에 늘 실어 놓을 만한 물건도 전혀 없는 건 아니다. 생각해 보니 다음과 같이 인간 편의용과 차량 비상용으로 범주가 나뉜다.

• 어디 여행 간 뒤, 현장에서의 인간 편의용: 돗자리, 담요(비행기 담요 같은..), 우산, 슬리퍼, 손전등, 식수, 나무젓가락, 종이컵, 상비약, 휴지/티슈
• 차량 비상용: 소화기, 비상 삼각대, 경광봉과 건전지, (간단한 공구류와 스페어 타이어는 당연히..)

평소에는 워낙 조용하게 달리니 잘 모르겠지만, 자동차는 엔진 내부가 매우 뜨거우며 화재의 위험이 상존하는 물건이다. 굳이 냉각수 부족과 엔진 과열 때문이 아니어도, 운 나쁘게 엔진룸 속에 끼어들어간 종이· 나뭇잎 같은 이물질이 발화점 이상의 열을 받아서 불이 붙고, 그게 차량의 화재로 이어질 수 있다. 식당도 굳이 누전이나 가스 누출 같은 일이 없이, 환풍기에 낀 사소한 기름때나 먼지만으로 불이 날 수도 있는 것처럼 말이다.

또한, 큰 교통사고가 난 뒤에는 연료가 새서 케바케로 불이 나기도 한다. 승용차의 경우 엔진이 있는 앞쪽과 연료 탱크가 있는 뒤쪽 모두 안심할 수 없다.
이럴 때 소화기를 신속하게 꺼내서 연기와 불꽃이 최초로 모락모락 피어나는 곳을 적절하게 초기 진화해 주지 못하면.. 엔진 부분만 교체하고 끝날 것을 발만 동동 구르다가 차량 전체를 홀랑 태워먹고 전체 폐차라는 비극을 야기할 수 있다.

자동차는 뼈대만 쇳덩이일 뿐, 시트나 도색 등은 온통 가연성 화학물질이며, 불타면서 유독가스를 내뿜는 공해덩어리 그 자체다. 불 나서 좋을 것 하나도 없다.
말이 길어졌는데, 어쨌든 PC에 보안 업데이트가 필요한 것만큼이나 차량에는 소화기를 비치할 필요가 있다는 말을 하고 싶었다. 사고가 난 뒤에 2차 사고를 예방하는.. (나 여기 있소) 도구들은 두 말할 나위도 없고 말이다. 자동차 학원에서도 이런 물건들의 필요성을 더 진지하게 가르쳐야 하지 않나 싶다.

돗자리나 우산, 슬리퍼 같은 수준을 넘어서 아예 낚싯대· 골프채, 커다란 악기, 자전거 같은 걸 차에다 상시 실어 놓는 건...;; 글쎄, 정말 차를 오로지 레저와 여가용으로만 활용하는 게 아니라면 "화물은 차를 무겁게 할 뿐이야!"를 진지하게 고려해야 할 것이다. 그래도 자전거를 차에다 싣는 게 가능하면 차와 자전거의 활용성이 더욱 커져서 상호 win-win이 되긴 하더라. 차 트렁크도 충분히 커야 하고, 자전거도 접을 수 있는 구조여야 한다.

2. 자동차의 냉각수와 워셔액

자동차의 내부에 집어넣어서 비축하는 액체 중에 연료나 윤활유 같은 기름 계열 말고 '물' 계열 혼합물에 속하는 것은 엔진 냉각수와 와이퍼 워셔액 정도인 것 같다. 전자는 물의 높은 비열이 활용되고 후자는 물의 세척력이 쓰인다.
물론 두 액체의 용도와 성격은 서로 매우 다르다. 워셔액은 유리창이 깨끗하기만 하면 별로 쓸 일이 없는 선택사양이지만, 냉각수는 엔진의 가동과 직접적인 관계가 있는 필수품이다. 워셔액은 세척용으로 조금씩 소모되고 보충이 필요한 소모품인 반면, 냉각수는 누수 같은 이상 현상이 없는 한, 한번 주입해 준 게 반영구적으로 쓰인다는 차이가 있다.

순수한 물은 그리 낮지 않은 온도에서도 금세 얼어 버리며 금속류의 부식(녹)을 초래하기도 한다. 그렇기 때문에 두 액체 모두 부동액과 부식 방지 성분이 첨가된다. 동일하지는 않지만 공교롭게도 알코올 계열 화합물이 첨가되는데, 둘 다 인체에 아주 해로운 독극물이라는 공통점이 있다.

부동액의 첨가 성분인 '에틸렌 글리콜'은 물과 혼합될 경우 어는점을 영하 40도 아래로 크게 낮춰 준다. 성능 하나는 뛰어나지만 그렇다고 이것만 잔뜩 집어넣으면 반대로 물 고유의 냉각 성능이 저하되기 때문에 부동액을 아무리 많이 넣어도 물보다 많이 넣지는 않는다. 그리고 이 에틸렌 글리콜은 독약임에도 불구하고 투명한 외형에 꽤 달콤한 맛과 냄새가 나서 사람이나 동물이 실수로 마시고 훅 가는 사고가 세계적으로 종종 발생한다고 한다.

이거 무슨 농약도 아니고.. 그 맛과 냄새가 어떤지 개인적으로 궁금하다..;; 부동액이란 게 자동차에만 쓰이는 게 아니고 혹한의 건축· 건설 현장에서도 물이 들어가는 곳에 쓰이기 때문이다.
도로의 제설용으로 사용되는 염화칼슘도 물과 섞이면 수용액의 어는점을 역시 거의 영하 52도쯤으로 크게 낮춰 준다. 이 효과로 눈을 녹여 버려서 제설 효과를 낸다. 그러니 나름 제설에다 제습 효과까지 있는 물건인데.. 얘는 이미 짐작한 분도 계시겠지만 부식 문제가 있어서 부동액 용도로는 쓰이지 않는다. 뭐 부동액 얘기는 여기까지 하고..

와이퍼 워셔액은 비록 사람이 마시는 술 같은 액체는 아니지만 소독(?), 빠른 증발, 부동 효과를 위해 역시 알코올이 들어간다. 그런데 단가가 저렴하고 가성비가 뛰어나다는 이유로 메탄올이 들어가기도 한단다.
메탄올은 보다시피 극소량만 인체에 들어가도 신경을 마비시키고 눈을 멀게 하고 궁극적으로 생명까지 잃게 만드는 맹독이다. 선박이나 실험실 같은 데서 술 취한 기분 내고 싶어서 메탄올을 에탄올인 줄 알고 물에 섞어서 들이켰다가 골로 간 사람들.. 역시 없지 않다. 정상적으로 팔리는 술을 구할 수 없거나, 세금 안 붙은 저렴한 알코올을 섭취하고 싶어하는 상황에서 말이다.

2012년에는 워셔액을 술인 줄 알고 마시는 바람에 메탄올 중독으로 숨진 사람이 다윈 상 수상자 중 하나로 뽑히기도 했다! 하지만 이건 고의로 멍청한 짓을 한 게 아닌 단순 실수가 아니냐는 이견과 논란도 있다.

메탄올은 이렇게 입으로 들이키지만 않는다고 해서 장땡이 아니라고 한다. 앞유리에다 워셔액을 분사하는 경우, 메탄올이 소량이나마 기화한 형태로 차내에 유입되기도 한다. 워셔액 제조사들이야 그건 극소량이기 때문에 별로 문제될 게 없다는 입장이지만, 이제 대한 정밀한 임상 실험이 진행된 사례는 아직 없는 것 같다. 정 불안하면 좀 더 비싸더라도 에탄올 성분의 워셔액을 쓰는 수밖에 없다.

3. 차량의 외형과 내부 구조의 차이

트렁크와 객실(cabin)의 구분이 없는 해치백형 차량(SUV 포함)이 공간 활용성이 더 좋은 건 사실이다. 뒷좌석을 완전히 접거나 옮겨서 자전거를 접지 않고 그대로 실을 수 있고, 아니면 사람이 발 뻗고 눕는 공간을 만들 수도 있다.
무척 부러운 면모이긴 하지만, 이런 실용성과는 별개로 본인의 취향은 그래도 트렁크와 객실이 완전히 분리되어 있는 세단이 뭔가 안정적인 느낌이 들고 좋다.

하루는 회사 업무 때문에 짐을(컴퓨터 본체 여러 대 등..) 승용차의 트렁크와 뒷좌석에 이르기까지 잔뜩 실을 일이 있었다. 그런데 이 차는 회사의 이사· 사장급인 높으신(...) 분의 소유였고.. 그래서 대형 후륜구동이었다.
후륜구동은 잘 알다시피 뒷좌석 중앙 바닥이 구동축 때문에 위로 봉긋 솟아 있다. 요것 때문에 짐 싣는 데 의외의 어려움을 겪었던 걸로 기억한다. 그 일을 겪고 나니 뒷좌석 바닥이 그냥 평평한 내 차, 아니 요즘 대부분의 승용차들이 더욱 신기하게 느껴졌다.

하긴, 나 완전 어렸을 때 탔던 포니 택시도 뒷좌석 중앙이 봉긋 솟아 있긴 했는데, 저런 차를 참 오랜만에 다시 구경했다. 포니야 소형차 덩치밖에 안 되지만 아직 기술과 노하우가 부족해서 후륜구동으로 나온 것이다.

포니 1은 해치백처럼 생겼지만 실제로는 객실과 트렁크가 분리되어 있었으며, 트렁크를 열 때도 뒷유리는 고정된 채 아래의 몸체만 들려 올라갔다(4도어 일반 모델 기준). 즉, 사실상 세단이나 마찬가지였다. 해치백은 3도어 쿠페 모델에서 처음 적용되었으며, 그리고 후속작인 포니 2에서 완전히 해치백 형태로 바뀌었다고 들었다.

이런 내부 구조 말고 해치백은 세단과 달리 뒷유리에도 와이퍼가 달려 있는 게 특징이다. 뒷면의 유체역학적 구조상 트렁크가 튀어나와 있는 세단보다 뒷유리에 흙먼지가 더 잘 끼기 때문이라고 한다.

4. 자동차의 동력원

(1) 내연기관이 발명되자 처음에는 자동차, 열차, 비행기가 모두 휘발유건 디젤이건 피스톤 왕복 엔진을 동력원으로 사용했다. 그러다가 20세기 중반부터 비행기는 제트 엔진이 대세가 되었으며, 철도 차량은 주 동력원이 전기 모터로 바뀌었다.
덕분에 털털털 붕붕붕~ 이러던 엔진음이 다 바뀌었다. 제트기는 그 특유의 공기 뿜는 소리 덕분에 한때 '쌕쌕이'라고 불렸을 정도이며, 전철은.. 뭐 VVVF 인버터가 도입되면서 완전 전자악기 소리가 나기 시작했다.

결국 오늘날은 자동차만이 왕복 엔진을 꾸준히 사용하고 있다.
왕복 엔진이 배기가스를 내뿜는 건 그냥 연소가 끝난 잔여 찌꺼기를 내보내는 것이기 때문에 엔진 출력과는 무관한 메커니즘이다. 그러나 제트 엔진은 배기가스를 엄청난 고압으로 뒤로 내뿜어서 추진력을 낸다. 자동차와는 앞으로 나아가는 방식이 완전히 다르다.

이렇게 동일한 재료나 부품이 한 기술에서는 그저 그런 존재감인 것이, 다른 기술에서는 동작에 결정적인 역할을 하는 중요한 요소인 경우가 있다.
배터리가 기름 자동차에게는 그냥 객실 전원 공급과 시동 모터+점화 플러그 동작용이지만, 하이브리드나 순수 전기차에게는 차를 가게 하는 동력원 그 자체인 것,
그리고 변속기 오일이 수동 변속기에서는 정말 단순 윤활 기능만 하지만, 자동 변속기에서는 엔진과 바퀴 동력을 중재하는 완전 핵심 매체인 것처럼 말이다. 예전에도 언급한 적이 있지 싶다.

(2) 그리고 자동차가 처음 발명됐을 때 차의 가장 일반적인 형태는 전방 엔진, 후륜 구동인 일명 FR 방식이었다. 그러다가 승용차는 준대형급(대략 3000cc) 이하부터는 FF로 바뀌었고, 버스는 준대형급(35인승) 이상부터는 RR로 바뀌었다. FR은 이제 대형 승용차와 소형 승합차, 또는 크기 불문하고 트럭에서만 유지되고 있다.

(3) 전동차에 가변 전압 가변 주파수(VVVF) 인버터 기술이 있다면, 내연기관 자동차 엔진에도 공기를 흡입· 배출하는 밸브에 가변화 기술이 있다. 엔진 회전수에 따라 밸브의 여닫는 깊이를 지능적으로 조절하는 VVL (lift), 그리고 그 개폐 동작의 시점 자체를 조절하는 VVT (time). 흡기측과 배기측에 shaft를 구분한 DOHC 방식에 이어서 밸브 계통에 또 다른 발전이 이뤄졌다.

그리고 어느 분야건 양과 질, 주기와 강도를 조절하는 변수가 있다. 라디오에는 AM(세기)과 FM(주파수)이 있고, VVVF도 V는 전압(세기)이요 F는 주파수이다. 자동차에도 VVL은 강도이고 VVT는 타이밍이니까 동일한 개념이지 않은가?

5. 차량별 변속기 성향

자동차의 동력 변환 계통으로서 물리적으로 큰 바퀴와 작은 톱니바퀴를 맞물리게 돌아가게 하는 '기어'라는 건 꽤 간단하고 직관적이고 효율적인 수단이다.
그러나 200~300마력짜리 자동차를 넘어서 열차나 거대 건설기계 수준이 되면 미세한 출력 조절을 위해서는 가히 어마어마한 크기의 기어비와 다양한 단계가 필요해지는데, 이건 톱니바퀴만으로 감당할 수 없다. 바퀴가 너무 커지거나 개수가 늘고 무겁고 복잡해진다.

(1) 그래서 철도 기관차는 동력을 일단 변압이 자유로운 교류 전기로 바꿔서 전동기를 돌려서 움직이는 디젤 전기 기관차가 대세이며, 드물게 자동 변속기 같은 유체 토크 컨버터로 동력을 변환하는 차종도 있다. 과거에 다녔던 새마을호 전후동력형 디젤 동차가 이 범주에 속한다.
물론 이것들은 광원에다 비유하자면 직접조명에서 간접조명으로 바뀐 것과 같기 때문에 연비는 톱니바퀴 기어만치 좋지 못하다.

(2) 대형 버스와 트럭은 저 정도로 불가피한 상황도 아니고, 또 연비와 옵션 가격 같은 경제성 문제도 있기 때문에 오늘날까지 여전히 수동 변속기 차량이 대세이다.

(3) 그런데, 이 와중에도 예외적으로 자동 변속기가 기본인 대형 상용차도 있으니 바로 “저상버스”이다.
바닥이 워낙 낮아서 버스 엔진 출력 정도의 동력비를 감당할 기어박스 내지 굵고 긴 샤프트조차(운전석에서 뒤쪽의 엔진까지)도 장착할 수가 없는 관계로 불가피하게 자동 변속기를 쓴다. 변속 명령은 기계 조작이 아닌 전기 신호로 전하고, 실제 변속 역시 톱니바퀴가 아닌 토크 컨버터로 행한다.

사실, 옛날에 버스가 트럭과 별 차이 없는 전방 엔진 방식으로 만들어지던 시절에는 바닥이 왕창 높았을 뿐만 아니라, 아예 구동축이 차체의 아래 중앙을 관통했다. 그래서 고속버스의 경우 바닥 아래의 화물칸까지도 좌우로 서로 단절돼 있을 정도였다.
그때에 비하면 버스가 바닥이 정말 낮아지고 사람이 타고 내리기 좋아진 셈이다. 철도로 치면 고상홈이 도입된 것과 비슷한 변화이다. 이런 차들에 비해 대형 트럭을 타는 건 지금도 거의 등산 수준으로 힘들다..;;

(4) 끝으로, 저런 대형차와는 상극의 체격인 오토바이는 또 반대로 수동이 대세이다.
글쎄, 리터급의 고성능 대형 오토바이라면 모를까 100~300cc대의 그저 그런 모델의 경우.. 그런 엔진 출력과 차체 크기에다가 크고 무거운 토크 컨버터를 장착하는 것부터가 삽질이고, 전통적인 기어박스를 장착하는 게 훨씬 경제적이기 때문이다.
아주 쬐그만 스쿠터는 차라리 CVT가 달리면 달렸지, 어떤 경우든 통상적인 자동차용 자동 변속기 같은 물건이 달리는 일은 없다.

똑같이 공간이 없는데 그 양상이 저상버스와는 다르다는 것이 무척 흥미롭다. 대류권에서는 고도가 오를수록 기온이 내려갔다가 성층권에서는 다시 기온이 올라가는 것 같은 느낌이다.

6. 동력의 취합과 분산

자동차가 굴러가기 위해서는 엔진이 죽어라고 피스톤 왕복운동만 한다고 장땡이 아니라..
여러 개의 피스톤이 균등하지 않은 주기로 만들어내는 불연속적인 힘을 한데 부드럽게 합쳐 주는 플라이휠 같은 부품이 필요하다.
그리고 이 힘을 실제로 회전하는 바퀴에 부드럽게 분산해서 전달하는 주는 차동 기어도 변속기와는 별개의 계층으로서 필요하다. 커브를 틀 때는 커브 안쪽의 바퀴와 바깥쪽의 바퀴가 속도가 달라지기 때문이다. 컴퓨터에다 비유하면 CPU와 램뿐만 아니라 파워 서플라이도 필요하다는 뜻이다.

자전거 중에는 크랭크가 둘 달려서 앞뒤 사람이 모두 페달을 밟을 수 있는 물건이 있다. 이런 자전거는 개인이 구입해서 굴리기보다는 관광지 같은 데에서 대여하는 형태로 사용되는 편이다.
거기에서도 두 사람의 힘이 어떤 형태로 취합되는지 문득 궁금해졌다. 사실 자전거는 페달을 뒤로 밟았을 때 후진하지 않는 것도 신기하고 말이다.

Posted by 사무엘

1. 수동 변속기

자동차 운전을 오래 한 나이 지긋하신 분들은.. 전자 기기 일색이 된 요즘 차에서는 경험할 수 없는 옛날 차량의 '단순무식하고 견고한 특성'에 대해 일종의 향수를 갖고 있는 편이다.

대표적인 예 중 하나는 단연 수동 변속기이다. 수동은 엔진의 힘이 고정된 비율로 곧이곧대로 바퀴에 전해지며, 강한 힘이 필요할 때도 저단에서 밟으면 밟는 대로 곧장 나간다.
그에 반해, 자동은 가속 페달을 깊게 꾹 밟은 채로 1초 남짓 좀 기다려야 킥다운이 일어나면서 추진력이 올라간다. 특정 단이라는 개념이 없고 시동 꺼뜨리는 일도, 클러치 일일이 밟고 떼는 불편도 없는 대신, 차가 운전자의 의중을 '간보고' 보정하기 위해 어느 정도 딜레이가 필요하다.

이건 수동 운전의 사고방식으로는 상상도 할 수 없는 일이다. 불편하게 일일이 클러치 밟고 떼도 좋으니, 차의 모든 상태를 자기가 스스로 파악하고 통제하고 결정하기를 원하는 골수 기계덕이라면, 자동보다 수동을 모는 게 마음이 더 편할지도 모르겠다.
그러나 그런 사람들도 수동 운전을 좋아하는 것과는 별개로, 오르막에서 멈췄다가 뒤로 안 밀리고(특히 뒷차와 부딪치지 않고) 매끄럽게 출발하는 건 어려워하고 부담스러워하는 경우가 많다고 한다.;;

자동 변속기의 등장 초창기에는 킥다운조차도 버튼이 따로 있어서 이걸 사용자가 수동으로 알려 줘야 하기도 했다.
오늘날도 자동이라고 해서 언제나 D에만 갖다놓고 때때로 킥다운만 하는 게 장땡은 아니다. 저단 고정이라든가 오버드라이브, 파워 모드 같은 미세한 제어 옵션이 달려 있다. 오르막· 내리막, 추월 같은 상황에서 이를 적절히 활용하면 주행 연비를 개선할 수 있다.
(오버드라이브는 끌 경우 3 또는 4단 이하 변속만 허용하는 그냥 또 다른 형태의 저단 고정 기능 아닌가? 그런데 옛날엔 왜 따로 특별히 소개했는지 이유를 잘 모르겠다.)

참고로, 파워 모드는 단순히 자동 변속 조건을 평소보다 더 높은 rpm 시점으로 바꾸는 역할을 한다. 말 그대로 변속기의 수준에서 연비를 좀 희생해서 속도보다 가속력을 중시하는 결정을 내릴 뿐, 다른 마법을 동원해서 엔진에 힘을 더 불어넣는 건 아니다.

2. 카뷰레터

지금까지는 변속기 얘기를 했다. 그런데 옛날에는 자동차에 동력비의 변환만 수동· 기계식인 게 아니라 연료 분사까지 아주 원시적인 수동· 기계식이던 시절이 있었다.

운전자가 가속 페달을 밟으면 차에 힘을 내기 위해서 연료고 공기고 뭐든지 많이 공급해 줘야 하는데, 이거 비율을 적절하게 맞추는 게 생각보다 어려운 일이었다. 그게 적절하지 않으면 기껏 많이 공급한 연료가 제대로 연소하지 못해서 힘은 힘대로 안 나면서 연비는 안드로메다로 가고, 배기가스만 잔뜩 나올 수 있었다. 디젤의 경우는 이건 더 심각한 문제이다.

전동차로 치면 저항 제어만큼이나 가장 원시적인 연료 공급 메커니즘은 기화기라고도 불리는 카뷰레터 방식이다. 이건 아주 간단히만 설명하면, 전자 기기가 정밀하게 뭔가를 통제하는 것 없이, 공기의 흐름을 따라 물리 법칙에 의해서 연료가 저절로 기화되어 섞이고 혼합 기체가 되게 한 것이다.

이런 카뷰레터 방식의 자동차는 단순 무식하게 밟으면 밟는 대로 엔진 rpm이 막 올라가고 반응성이 좋았다고 한다. 이건 안 그래도 수동 변속기의 장점이기도 한 특성인데.. 옛날 카뷰레터 엔진 차량의 엔진룸을 열어 보면 둥근 밥통처럼 생긴 헤드가 달려 있었다.

하지만 원시적인 카뷰레터의 단점은 아까도 말했듯이 연비와 환경 문제이다. 그런 단순무식한 방법으로 연료를 공급해서는 요즘 자동차 같은 효율을 절대로 달성할 수 없다.

또한, 굳이 가속을 안 하더라도 엔진이 돌면 도는 만큼 연료가 자연적으로 소모되는 매우 큰 문제가 있었다고 한다. 즉, 퓨얼컷(fuel cut)이라는 게 없었다. 내리막에서 저단 엔진 브레이크를 걸어서 전적으로 바퀴를 따라 엔진 회전수가 올라간 건데도 연료는 그 회전수에 맞춰서 쿵짝쿵짝 소모되었다.

그렇기 때문에 옛날에는 긴 내리막을 갈 때는 시동을 끄는 것까지는 위험하지만 기어를 차라리 중립으로 맞춰서 rpm을 줄이는 게 연비에 좋다는 팁이 통용될 정도였다. 지금으로서는 상상도 할 수 없는 모습이다.

그 시절 옛날 자동차들은 주변 기온에도 더 민감했다. 날씨가 너무 추우면 배터리 같은 전기 장치뿐만 아니라 엔진도 잘 안 돌았다. 그래서 시동을 건 뒤에 어느 정도 공회전 예열이 필요했고, 또 시동이 잘 안 걸릴 경우 '초크 밸브'라는 걸 당겨서 연소실에 공기를 강제로 더 불어넣거나, 반대로 줄여서 연료의 농도를 올려 줘야 했다. 같은 힘을 내는 적정 공기량은 온도에 따라 달라지는 편인데 그걸 기계식 카뷰레터만으로는 알맞은 값을 스스로 감지할 수 없었기 때문이다.

그에 반해 요즘 자동차들이야 ECU 기반의 전자식 인젝터에, 간접 분사도 넘어서 직분사 같은 다양한 연료 분사 기술이 개발되었고 저런 번거로운 절차들은 다 자동화되었다. 공회전은 쓸데없이 오래 할 필요가 전혀 없으며, 내리막길을 갈 때는 엔진 브레이크 잘만 쓰면 된다. 오히려 중립은 시동 유지를 위해서 공회전만치의 연료가 들지만, 바퀴에 의해 엔진이 저절로 돌아가고 있을 때는 연료가 진짜로 전혀 들지 않는 퓨얼컷이 실현된다.
즉, 약간의 단순무식 거칠고 날렵함을 희생한 대신, 요즘 자동차는 더 똑똑해지고 운전하기 편해지고 성능과 경제성, 친환경성이 더 강화된 셈이다.

비행기만 해도 주변 온도와 공기 밀도, 기체의 중량 같은 온갖 복잡한 변수를 고려해서 V1 속도와 활주거리가 결정되는데, 자동차도 비록 그 정도까지는 아닐지라도 엔진 시동과 구동은 매우 섬세하고 복잡한 변수가 많은 메커니즘인 것 같다.
이런 옛날 자동차와 요즘 자동차의 특성을 감안했을 때, 고연비 고효율, 차에 좋은 주행을 하는 요령을 몇 가지 나열하면 다음과 같다.

1. 시동 건 직후에 워밍업 공회전 쓸데없이 오래 하지 말 것.

물론 엔진 오일의 점성과 냉각수 온도를 맞추기 위해 길어야 10~20초 정도.. 시동 직후의 엔진 rpm이 좀 낮아질 때까지는 기다리는 게 좋다. 하지만 혹한에서 디젤 차량 정도가 아닌 이상, 분 단위의 공회전은 전혀 필요하지 않다.
긴 공회전과 예열은 바로 저 옛날 카뷰레터(기화기) 엔진 시절의 잔재일 뿐이다.

2. 내리막이나 평지에서 기름 아끼고 싶다고 쓸데없이 N으로 바꾸지 말 것.

요즘 차들은 똑똑하기 때문에 차라리 D를 유지하고 상황에 따라 다음 둘 중 한 테크닉의 혜택을 입는 게 훨씬 더 낫다.

(1) 액셀 페달을 아예 안 밟아서 엔진 브레이크 + 퓨얼컷: 비록 완전 중립 관성 주행일 때보다는 차의 속도 감소 폭이 더 크지만, 이때는 전적으로 바퀴 관성만으로 엔진이 돌아가면서 연료가 아예 소비되지 않는다(이미 1500rpm 이상 정도로 엔진이 돌고 있는 경우). 그 반면, 중립일 때는 아이들링 rpm 유지를 위해서 기본적인 연료는 소모됨.
긴 커브+내리막에서 저단 엔진 브레이크는 브레이크 페달의 부담도 어느 정도 덜어 주는 굉장히 좋은 테크닉이다. 시속 100km 상태에서 1단.. 같은 미친 짓만 안 하면 된다.

(2) 액셀 페달을 얇게 꾸준히 밟아서 락업 클러치: 이러면 엔진 힘이 변속기의 토크 컨버터를 안 거치고 바퀴로 바로 전해진다. 특히 시속 60~80km급의 경제 속도에서 주기적인 재가속 없이 반쯤 크루즈 상태로 주행하면 가히 최강 연비를 달성할 수 있다.

3. 신호 대기처럼 작정하고 오래 정차가 예상된다면, D+브레이크 꿋꿋이 유지하는 것보다는 N으로 바꾸는 게 좋음.

요즘 차들은 D+브레이크 정차 상태가 오래 계속되면 자동 중립으로 최적화도 해 준다고는 한다만.. 일단은 기계적으로 봤을 때, 가려는 차를 억지로 붙잡고 세워서 변속기를 열받게 하는 것보다는, 직접 엔진과 바퀴를 분리시켜서 불필요한 동력을 끊어 주는 게 더 낫다. 똑같이 정차 공회전을 해도 N일 때 연료 소모가 약간이나마 더 적었다는 실험 결과도 있다. 수동에서 저랬으면 차가 견디지 못하고 바로 시동이 꺼졌을 것이다.

2와 3을 한데 요약하면, 변속기의 본래 설계 취지에 맞게 D는 주행할 때만 쓰고, N은 정차할 때만 쓰면 된다.
컴퓨터에서도 과거에 통했던 성능 최적화 꼼수들이 멀티코어 병렬화 시대가 되면서 통하지 않게 된 게 많은데 뭐 그런 걸 보는 느낌이다.

4. 주차하느라 전진· 후진을 자주 전환할 때.. 차가 완전히 서기 전에 P 또는 반대 진행 방향 기어로 절대 절대 성급하게 바꾸지 말 것.

이건 옛날 차든 요즘 차든 공통으로.. 모든 자동차 전문가들이 이구동성으로 말하는 당부사항이다.
엔진 브레이크야 변속기가 브레이크의 역할을 일부 도와주는 것이다. 하지만 엔진 브레이크는 애초에 아이들링 rpm의 크리핑 속도보다도 더 느리게 차를 완전하게 세우는 기법이 전혀 아니다. 아이들링 rpm 상태에서도 차가 내는 힘은 엄청나며, 브레이크의 제동력으로 감당해야 할 힘을 변속기가 받으면 변속기가 망가진다. "시속 100km에서의 1단"과는 반대 방향 극단으로 차가 무리를 받게 된다.

잦은 변속 자체는 변속기를 닳게 하거나 차의 수명을 떨어뜨리는 짓이 결코 아니다. 단지, 차가 완전히 서지 않았을 때 변속하는 것이 변속기에 무리를 줄 뿐이다. 위의 성질 급한 관행으로 인해 차가 고장 나는 것 때문에 정차 중에 정상적으로 N에다 두는 것까지도 차에 안 좋은 것처럼 오해받는 것이다.
그 밖에, 빨리 튀어나가려고 정지 상태에서 미리 rpm 왱알앵알 거리거나, 구동축 바퀴를 헛돌게 하는 것도 웬만하면 하지 말 것..;

Posted by 사무엘

1. 석유

휘발유(가솔린)와 디젤은 내연기관 기반 자동차의 양대 동력원이다. 양 엔진의 차이점이야 자동차에 대해 조금만 관심이 있다면 모르는 사람이 없을 기초 상식 축에 든다. 하지만 기계공학적으로 고찰했을 때 같은 2또는 4행정 엔진이면서 두 엔진이 본질적으로 왜 그런 차이가 발생하는지, 왜 양 엔진이 요구하는 연료에 차이가 있는지 같은 것까지 제대로 아는 사람은 해당 분야 전공자 공돌이가 아니면 흔치 않다. 물론 본인도 그만치 잘 안다는 뜻은 아니다.

휘발유, 등유, 경유 같은 연료는 석유를 분별 증류 기법으로 추출하어 얻어진다. 소를 한 마리 잡고 나면 앞다리 뒷다리 등심 안심 같은 다양한 부위별로 고기가 나오고 내장과 뼈도 나오듯, 석유도 그 자체는 다양한 탄화수소 화합물의 복잡한 혼합물이다. 그래서 끓는점이 겨우 몇십 도에서 대략 300도에 이르기까지 다양한 물질이 섞여있다. 밀도는 기름답게 물보다 약간(수~10% 남짓) 가벼운 정도.

원유는 보통 시커먼 색깔인 반면, 정제된 차량용 연료는 시커멓지 않고 오히려 투명에 가깝다는 게 인상적이다. 갓 캐낸 원유에서 자동차에 엔진에다 주입해도 탈이 안 날 정도의 깨끗한 연료를 추출하는 것은 바닷물· 강물로부터 식수를 얻는 것 이상의 첨단 기술이다. 그래서 산유국이라 해도 정제 기술이 마땅찮으면 외국에서 석유를 역수입해야 하며, 반대로 땅에서 석유가 안 나는 우리나라 같은 나라도 역설적으로 석유를 수출하기도 한다.

휘발유 엔진은 말 그대로 석유에서 가볍고 휘발성이 매우 높은 물질을 연료로 사용하며, 디젤 엔진은 휘발유보다는 밀도가 더 높고 불이 덜 잘 붙으며 끓는점도 더 높은 경유· 중유를 사용한다. 순수하게 제조 원가만 따진다면 둘은 가격 차이가 거의 없거나 굳이 따지자면 오히려 휘발유가 더 저렴해야 할 것이다. 그러나 세금 보정으로 인해, 주유소에서는 승용차 연료로만 쓰이는 휘발유가 범용성이 더 뛰어난 경유보다 더 비싸다.

요즘은 경유 가격이 휘발유 가격의 85% 정도로 책정돼 있다. 그러나 몇십 년 전에는 더 저렴해서 거의 6, 70%에 불과하기도 했다. 디젤도 승용차 연료로 많이 보급되었고, 또 환경 문제도 있고 해서 그나마 옛날에 비해 더 비싸진 것일 뿐이다. 그나저나 디젤 엔진이 왜 범용성이 더 뛰어난지에 대해서는 나중에 또 얘기하도록 하겠다.

2. 휘발유 엔진과 디젤 엔진의 차이

휘발유와 디젤(앞으로 '엔진'이라는 단어의 표기를 종종 생략할 것임)은 서로 다른 연료를 사용하며 연료를 연소하는 방식이 다르다. 전자는 점화 플러그를 사용하지만 후자는 압축 착화 방식을 사용한다. 휘발유 엔진은 시동을 최초로 걸 때뿐만 아니라 시동을 유지하는 데에도 전기 에너지의 도움을 소량이나마 지속적으로 받는 셈이다.

이런 이유로 인해 휘발유 차량은 점화 플러그도 차량의 성능에 큰 영향을 주는 부품이다. 얘는 폐차할 때까지 반영구적으로 사용 가능한 부품이 아니며 성능이 조금씩 열화되는 소모품이다. 그렇기 때문에 비록 엔진오일보다는 긴 주기이지만 그럭저럭 교체해 줘야 한다. 허나 이건 차덕 급이 아니면 인지하기 쉽지 않은 사실이다.

뭐, 디젤도 전기 '불꽃'을 사용하지 않는다는 뜻일 뿐, 시동 걸 때 전기로 스타터 모터를 돌리지 않는다는 얘기는 물론 아니다. 얘는 오히려 스파크보다도 더 힘든 메커니즘을 사용한다. 요즘 차량들은 기술의 발달로 인해 많이 나아졌다지만, 디젤은 저런 특성상 휘발유 차량보다는 시동이 잘 안 걸릴 확률이 더 높다. 특히 날씨가 추울 때 말이다. 어렸을 때 차에 시동이 잘 안 걸려서 운전자와 탑승자가 고생하던 모습은 아무래도 승용차보다는 트럭에서 훨씬 더 많이 구경했던 것 같다.

휘발유와 디젤 엔진이 성능이 서로 큰 차이가 난다는 건 주지의 사실이다.
같은 배기량일 때 디젤 엔진의 토크가 훨씬 더 강하며(1.x~2배 가까이) 더 저회전 상태에서도 그 최대 토크가 금세 발휘된다.
디젤은 안 그래도 더 에너지 밀도가 높은 연료를 사용하는 데다 열효율이 더 좋은 관계로, 힘만 좋은 게 아니라 연비도 더 좋다. 그런데 연료의 단가마저도 비록 정치적인 이유가 더 크긴 하지만 디젤이 더 싸다. 그러니 이런 경제성만 생각하면 세상의 모든 자동차가 디젤 엔진으로만 만들어져야만 할 것 같다.

하지만 디젤 역시 장점만 있는 건 아니다. 비록 공밀레 기술 개발로 인해 정말 많이 극복되었다고는 하지만, 휘발유에 비해 고질적인 단점으로는 소음과 진동, 그리고 공해(오염) 문제가 있다.
디젤 엔진은 동급 배기량의 휘발유 엔진보다 더 강한 힘을 내부적으로 견뎌야 한다는 특성상, 더 비싼 부품을 써서 더 크고 무겁고 튼튼하게 만들어야 하며, 엔진오일도 더 비싼 디젤용을 써야 한다. 초기의 차값부터 시작해 기름값 외의 유지비까지 전반적으로 좀 더 깨진다는 점을 감수해야 한다.

또한 성능면에서도, 디젤이 저속 토크가 강하다는 점은 명백한 사실이나 속도까지 곱해진 전반적인 출력은 정작 동 배기량의 휘발유 엔진보다 오랫동안 뒤쳐져 있었다. 회전수를 휘발유 엔진만치 높게 올리는 게 어려웠기 때문이다. 이런 한계는 터보차저(공기 과급기) 같은 다른 메커니즘의 도움을 받아서 극복되고 있으며 요즘은 디젤도 실린더의 스트로크를 낮춰서 과거의 디젤답지 않은 고rpm을 추구하는 게 추세이긴 하다.

디젤의 성능을 평가절하하는 또 다른 요인은 반응성이다. 디젤 엔진은 토크가 좋음에도 불구하고 그 성능과 별개로 반응성이 떨어지고 '둔하다'. 단순히 엔진이 좀 무거워서 둔한 차원이 아니다. 그래서 정작 제로백이 휘발유 차량보다 불리하다. 경주용 자동차나 스포츠카가 디젤로 만들어지지 않는 이유가 이 때문이다.

이것도 기술의 발달로 인해 예전에 비해서는 많이 극복되었겠지만, 디젤 엔진의 좋은 힘은 근본적으로 간지나는 스포츠카의 급발진보다는 트럭에다 짐 잔뜩 싣고 오르막 오르는 용도에 더 유리한 게 사실이다.
반응성 말고도 엔진 브레이크 효과 역시 토크가 상대적으로 약하고 상시 rpm이 높은 휘발유 엔진이 더 강하며, 하이브리드와의 접목도 덩치가 더 작고 연비도 더 낮은 휘발유가 더 유리하다. 겨울에 히터를 켰을 때 더 빨리 더운 바람이 나오는 쪽도 휘발유 엔진이다.

단, 터보차저와의 접목은 디젤이 약간 더 유리하다. 휘발유 승용차에서 터보는 아직까지 액세서리 고급 옵션에 가까운 반면, 요즘 디젤 차에서 터보는 성능 보완을 위한 사실상 필수품 취급을 받고 있다.

3. 환경 문제

오늘날 디젤 엔진이 극복해야 할 가장 큰 태클은 환경 문제라 해도 과언이 아닐 것이다. 디젤은 근본적으로 휘발유보다 더 '더티'한 연료를 사용하며 매연을 내뿜는다. 정지 상태에서 가속할 때, 다시 말해 저회전 상태에서 엔진이 부하가 많이 걸릴 때 뿌뿌뿡~ 매연이 특별히 더 심하다.
지금처럼 천연가스 버스가 도입되기 전, 옛날에 길거리의 시내버스들의 뒤쪽 엔진 부분을 보면 온통 시커맸다. 이게 평범한 흙먼지가 아니라 다 불완전 연소의 산물인 탄소 알갱이였다. -_-;; 트럭의 경우도 과적은 도로 파손이나 차량 안전뿐만 아니라 매연 발생의 관점에서도 매우 좋지 않다.

그에 반해, 휘발유는 저런 매연이 없으며 촉매 변환만 잘 돌려 주면 배기가스 문제는 거의 없다.
휘발유는 잘 알다시피 노킹 방지 첨가제에 들어간 납 성분이 문제 되었지만 이것도 무연 휘발유로 극복되었다. 그런데 경유는 어째 납 대신 유황 성분이 문제를 일으켰다. 황의 연소로 인해 이산화황(아황산가스)이라는 해로운 공해 물질을 배출되었기 때문이다. 화석 연료가 연소해서 사람 몸에 좋은 게 나오는 일은 없는 법이다.

그러니 오늘날까지도 디젤 차량은 세계 각국에서 굉장히 강한 환경 규제가 걸려 있으며 이는 선진국으로 갈수록 더욱 엄격하다. 선진국은 시민들이 눈이 높고 환경 생각할 만치 돈과 기술도 있으며, 수십 년 전에 이미 대규모 스모그나 공해병 같은 병크와 시행착오도 먼저 경험했으니 환경에 대한 경각심이 있다.

국내의 경우 디젤 차는 구입할 때부터 차값에 환경 개선 부담금이 포함되며, 정기적으로 무슨 검사를 받고 매연 저감 장치를 장착하고 어쩌구 절차를 거쳐야 한다. 디젤 엔진 자체를 매연이 안 나오게 만들 수는 없는지, 그 대신 후처리 보정 장치가 추가되어야 하고 이것은 엔진의 덩치와 차량의 단가를 올리는 요인이 되고 있다. 엔진룸의 부피가 승용차 급으로 비슷하다면 디젤 엔진은 공간 부족으로 인해 동급 덩치의 휘발유 엔진만치 큰 배기량이 들어가지는 못한다.

또한 시민의 안전을 위해 지하철역에 몽땅 스크린도어를 설치한 것처럼 디젤 기반인 수많은 시내버스들을 죄다 천연가스 기반으로 개조· 교체하는 게 세계적인 추세이다. 실제로 이것만으로도 공기 질을 이 정도나마 개선하는 데 매우 큰 도움이 되었다.
그와 반대로 선진국에서 다 쓰고 퇴역시킨 차량을 저가에 수입해서 굴리는 개발도상국의 도시들이 공기 사정이 열악하다. 당장 떠오르는 게, 시커먼 구닥다리 경유 버스와 2행정 오토바이들로 가득하던 베트남이구나.

4. 실린더 크기의 한계

오늘날 휘발유 엔진은 그냥 소형 발전기· 예초기· 동력톱이나 오토바이· 승용차 엔진으로 머무르고 있다. 그 반면, 디젤 엔진은 버스· 트럭, 철도 기관차· 선박 등 본격적으로 거대한 기계들을 돌리는 만능 엔진으로 등극해 있다.
왜 이런 특성과 차이가 존재하는 걸까? (한편으로 천연가스는 구조적으로 디젤보다는 휘발유 엔진과 더 비슷하지만 택시와 버스에 모두 쓰인다)

가장 근본적인 이유로는 휘발유 엔진이 대형화가 어렵기 때문이다. 한 실린더가 가질 수 있는 부피는 거의 500~600cc가 실용적인 가성비가 유지되는 한계라고 한다.
그러나 디젤 엔진은 그런 제약이 없어서 무슨 선박 엔진 같은 집채만 한 초거대 단일 실린더도 만들 수 있다. 단순히 연비나 토크가 좋아서가 아니라 이것 때문에 디젤 엔진이 선택의 여지 없이 쓰인다.

정말 그런가 확인해 보자. 대형 버스에 준하거나 그 이상의 고배기량인 엔진을 휘발유 기반으로 얹은 슈퍼카들을 보면..
6700cc 12기통 (롤스로이스 팬텀..;; )
8000cc 16기통 (부가티 베이론)
배기량을 기통수로 나누면 진짜로 500~600cc대를 벗어나지 않는다. 실린더 수가 무지막지하다.
그러나 디젤로 가면 현대 자동차 F 엔진은 3900cc 배기량이 4기통이요,
버스 엔진을 보면 6000cc부터 심지어 11리터급이 그냥 6기통만으로 커버된다. 이런 게 휘발유 엔진으로는 가능하지 않다는 뜻이다.

물론 내연기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기 각 행정별로 발생하는 힘이 일정하지 않다. 그렇기 때문에 상태가 서로 제각기 다른 실린더들이 어느 정도는 여럿 있어야 엔진의 진동이 줄어들고 승차감이 좋아진다. '툭툭툭툭'거리는 엔진음이 '두두두두/들들들들'로 바뀐다.
하지만 무려 12기통, 16기통 이건.. 어쩔 수 없어서 저렇게 만든 것이지, 만들고 싶어서 저렇게 만든 건 아니리라 여겨진다. 승차감이 문제라면 휘발유보다 진동이 더 심한 디젤이 겨우 6기통인 건 어떻게 설명할 건가?

기통수가 너무 많아지면 휘발유 엔진도 어차피 디젤처럼 복잡하고 무거워지며, 제어하기 힘들어진다. 하지만 휘발유 엔진의 정숙성과 신속한 반응성을 살리기 위해 무리해서 트럭· 버스였으면 디젤을 쓸 것을 휘발유 엔진을 고집한 것이지 싶다. 물론 디젤에 비해 연비는 길바닥에다 그냥 동전을 뿌리는 수준으로 감수하고 말이다.

뭐, 오토바이 중에 배기량이 거의 1700~2000cc에 달하는 대형 모델 중에는 겨우 2기통 엔진인 것도 있다. 그건 자동차에는 적용하기 곤란한 방식으로 보어· 스트로크 비율을 보정해서 실린더당 800cc가 넘는 체적을 구현한 것이 아닌가 싶다. 최초의 내연기관 자동차로 손꼽히는 Benz Patent-Motorwagen 삼륜차도 원시적인 950cc짜리 휘발유 단기통이었으니 말이다. (물론, 성능은 1마력이 채 될까말까인 비효율의 극치 수준임. 자동차계의 에니악;;)
그리고 에쿠스/EQ900의 기함급인 VL500도 8기통이니 실린더가 휘발유 엔진치고는 약간 크다고 볼 수 있다.

이런 점을 감안하면, 비록 디젤이 소음· 진동과 공해 문제가 있고 더 무겁고 복잡하지만 그래도 엔진으로서의 기술 수준은 단순 휘발유 엔진보다 더 높으며 범용성도 더 뛰어나는 것을 알 수 있다. 그리고 이런 범용성 때문에 경유가 더 저렴하기까지 한 것이다.
휘발유 엔진은 딱히 고안자의 이름을 따서 '오토 엔진'이라고 불리지는 않는 편인데, 디젤만 고안자의 이름이 매번 언급되는 건 이 때문인지도 모르겠다. 심지어 경유· 중유까지 diesel fuel이라고 불리지 않는가.

사실 휘발유에다가도 압축 착화로 점화해서 디젤 엔진의 장점을 적용해서 연구가 있긴 하다. 일명 HCCI 또는 GDCI 엔진. 그러면 휘발유로도 디젤 엔진 같은 고연비의 달성이 가능해지며, 결정적으로 단일 엔진에서 휘발유와 경유를 모두 사용할 수 있게 된다고 한다. 하지만 점화 플러그 없는 휘발유 엔진은 아직까지는 어댑터 없는 노트북, 탄피 없는 총알, 혹은 돼지고기 육회만큼이나 쉽지 않은 영역인 것 같다.

지금 내가 모는 차뿐만 아니라 디젤 차, 후륜구동, 하이브리드, 전기차 등 다양한 차들을 몰면서 차이를 분석해 보고 싶다. 특히 전륜과 후륜의 차이라는 언더스티어/오버스티어의 차이가 무엇인지 궁금하다.
사실, 자동차 학원에서 운전 연습을 할 때 1종 보통의 특성상 디젤+후륜에다 수동 변속기이기까지 하여 승용차하고는 성격이 완전히 다른 1톤 트럭을 실컷 몰아 본 적이 있음에도 불구하고 그때의 경험은 기억에 거의 남아 있지 않다.
그리고 연료 분사와 흡기 메커니즘에 대해서 개인적으로 차근차근 더 공부해 보고 싶다. 아직은 공개적인 글을 쓸 수 있을 정도로 이론을 숙지하지 못한 상태이다.

글을 맺으면서 드는 생각인데, 자동차가 내연기관이 주류가 된 것처럼 총기도 일단은 탄피가 빠지는 화약 격발 방식이 주류가 돼 있다. 공기총은 자동차에다 비유하면 전기 자동차 정도 되는 것 같다.

Posted by 사무엘

1.
영국은 섬나라이고 전통을 아주 좋아하며, 세계에서 보기 드물게 좌측통행을 하고 내부적으로 여러 왕국들로 갈라져 있어서 독립하네 마네 다투는 등, 유럽의 여느 나라와는 달리 독특한 점이 많다. 일찌감치 교황과 결별하여 정치· 종교적으로 내륙과는 별개노선을 갔으며, 리즈 시절에 그야말로 대영제국을 이뤘고 영어라는 자기네 언어와 킹 제임스라는 성경을 전세계에 퍼뜨린 것은 정말 비범한 면모가 아닐 수 없다.

그렇다 보니 영국은 역사적으로 볼 때 혼자 국제(= 유럽 대륙) 추세를 거스르면서 좀 고집 부리고 삽질한 사례도 있었다.
(1) 먼저 달력 얘기부터. 잉글랜드는 그레고리력의 도입 시기가 무려 1752년으로 유럽에서 압도적으로 제일 늦은 꼴찌였다(무려 100수십 년). 율리우스력보다 오차가 더 적고 정확한 역법임에도 불구하고 종교적인 원수지간인 교황이 만든 달력을 선뜻 받아들이고 싶지 않았기 때문이다.

로마 가톨릭이 워낙 절기를 많이 따지는 종교이기도 하고, 교황은 전세계에서 날고 기는 똘똘한 고위 성직자들 중에서 선출되기도 하니.. 천체의 운동을 계산하는 덴 머리가 비상하게 잘 돌아갔는가 보다.

영국의 대문호인 윌리엄 셰익스피어, 그리고 스페인의 대문호인 세르반테스는 동갑은 아니지만 공교롭게도 1616년 4월 23일, 같은 날에 세상을 떠난 걸로 알려져 있다. 하지만 세르반테스는 그레고리력 기준의 날짜이고 셰익스피어는 아직 율리우스력 기준의 날짜이기 때문에 두 사람이 실제로 같은 날에 24시간 이내의 시간차를 두고 죽은 건 아니라고 여겨진다. 뭐, 그래 봤자 기일의 차이는 2주를 넘지 않았을 것이고, 서로 다른 달력 체계에서 그렇게라도 날짜가 일치하는 것만 해도 용한 일이긴 하다.

돈키호테가 전편이 1604~05년에 출간됐고 후편은 1615년, 작가가 죽기 딱 1년 전에 완간되어 나왔다. KJV가 출간된 1611년과 동시대 되겠다.
단, 셰익스피어는 그 당시에 자국에서 출간되던 킹 제임스 성경과 관련해서 딱히 기여한 건 없는 걸로 여겨진다.

(2) 1749년엔 미국의 벤저민 프랭클린이 피뢰침을 발명했는데.. 피뢰침의 끝을 뾰족하게 만드느냐 뭉툭하게 만드느냐가 과학자들 사이에 논쟁거리가 되었다.
여기서 영국은 뭉툭한 피뢰침을 한동안 고집했다. 이유는.. 그게 과학적으로 옳아서가 아니라, 영국 황실에 반역하고 독립을 선언한 미국 식민지 역적놈이 뾰족한 걸 쓰기 때문이었다. 으음..

영국이 이런 사소한 데서 은근히 병맛스러운 고집을 많이 부렸구나. 무슨 에디슨과 테슬라의 교류 직류 논쟁도 아니고. 우리나라에만 당파 싸움이 있었던 게 아니다.
그러니 걸리버 여행기가 릴리풋 왕국(소인국) 편에서 계란 껍질을 어느 쪽부터 까는지를 갖고 대판 싸우는 풍자 장면을 넣었지 싶다. 그 당시 영국 상류층 사회라면 충분히 있을 수 있는 설정이다. 컴퓨터계에서 유명한 엔디언(비트 순서)이라는 단어가 여기에서 유래된 걸로 유명하다.

그런데, 나는 당연히 뾰족한 피뢰침이 과학적으로 집전 성능이 더 뛰어나고, 미국의 승리에 영국의 삽질로 알고 있었는데.. 영문 위키백과를 보니까 꼭 그렇지 않은 것 같다. 여전히 논쟁의 여지가 있다고 한다.

(3) 끝으로 20세기. 영국은 남극점 최초 정복 타이틀을 듣보잡 노르웨이 사람에게(로알 아문센) 빼앗긴 것을 도저히 견딜 수 없었다. 아문센에 대해서 대놓고 인신공격 음해 언플을 벌인 건 물론이고, 학교 교과서에다 자국의 스콧이 남극점에 먼저 도달했다고 대놓고 주작 왜곡 거짓말을 가르치기까지 했다. 그러다 이웃 나라들로부터 극심한 비웃음을 견디다 못해 슬쩍 고쳤다. 이 정도면 6· 25 북침 왜곡쯤은 약과인 거 같다.

그러니, 이런 영국은 자기들이 표준궤나 표준시 같은 세계 표준을 만들면 만들었지, 남이 만든 표준은 잘 안 쓴다. 도량형에 미터법도 안 쓰고, 화폐단위는 여전히 파운드를 고집하며 최근에는 유럽 연합에서 탈퇴까지 감행했다. 이런 조치에 대한 호불호 내지 정치적인 옳고 그름을 논할 생각은 없다. 단지, 쟤들이 그러고도 남을 친구들이라는 심정이 이해된다.

2.
영국 하면 왠지 빨강이 떠오른다. 레드 코트, 적기 조례 등등..
그래서 보너스로 red와 대응하는 다른 색들과 그 심상· 용도로는 어떤 게 있을까? 언어에도 유의어와 반의어라는 관계가 있는데 이런 거 찾아보니까 결과가 재미있다.

• 황색: 주의와 경고(축구 반칙 카드)
• 백색: 적혈구와 백혈구, 적색거성과 백색왜성(천문), 러시아 적백 내전, 전방과 후방에서 교통수단의 등화 차이(브레이크등/전조등· 후진등)
• 흑색: 지나친 G로 인한 블랙아웃과 레드아웃(항공우주), 빨강-검정 나무 자료구조(전산), 홍차의 한국어와 영어 표현 차이. 비행기 블랙박스는 사실은 검정이 아니라 찾기 쉬우라고 고채도 홍/황색 계열 도색임.
• 녹색: 적십자와 녹십자, 적록 색맹, 적조와 녹조, 횡단보도 신호등, 엘리베이터나 주식에서 상하 관계
• 청색: 수도꼭지와 정수기에서 온수와 냉수, 각종 게임에서 양 진영의 깃발 색깔, 남녀(단, 성차별적이라고 요즘은 색깔 구분은 안 하는 듯), 헤모글로빈과 헤모시아닌 기반 혈액

3.
독자 여러분은 개를 식용하는 것에 대해 어찌 생각하시는가?
본인의 생각을 말하자면 개 역시 인간이 필요에 따라 키우는 여러 가축 중 하나이고, 동시에 필요한 경우 여러 단백질 공급원 중 하나일 뿐이다. 얘만 특별하게 취급돼야 할 필요는 없으며, 하물며 같은 개 중 일부 품종은 애완견용이고 일부는 식용으로 분류해야 할 필요조차 없다고 본다. 애완견이 특별히 영양학적으로 독이라도 들어있어서 못 먹는 건 아닐 테니 말이다.

개는 특별히 똑똑하고 충성심이 뛰어나고 인간과 닮았고 무슨 감정이 있고 어떻다고..? 그게 그렇게까지 특별한 메리트가 되지는 못한다는 뜻이다. 개가 아무리 사랑스러워 봤자 인간과는 달리 죽으면 완전히 소멸이며, 내세에서 다시 인격체로서 만나 보지도 못한다. 또한 잡아먹히는 개가 불쌍하면, 더 열악한 환경에서 인간에게 착취당하고 잡아먹히는 다른 동물들은 뭐가 되는가?

애견 동호인 분들께는 죄송한 얘기지만, 개만 유독 집 밖이 아닌 집 안에 들여놓고, 그걸로도 모자라 옷 입히고 고기까지 먹이면서 키우는 건 그거야말로 개를 잡아먹는 것보다 더 비인간적이고 비정상인 현상으로 보인다. 헐벗고 굶주리고 못사는 '사람'도 부지기수인데..! 애완견 키우는 분들이 다 그렇다는 얘기는 물론 아니지만 애완견에게 과도하게 집착하는 사람들이 다른 선과 악이나(절대악과 필요악) 생명 우선순위를 논하는 데서는 좀 이성이나 판단력이 이상하게 비성경적인 쪽으로 꼬이는 경향이 있다. 뭐, 브리짓 바르도 같은 아줌마는 그 중에서도 평균 이상 굉장히 막장으로 추해진 사례이고.

더구나 선진국들에서는 휴가철만 되면 유기견들 처리하느라 난리도 아닌데, 지금 시국에서는 개가 진정 불쌍하다면 애견인들이 "개 잡아먹지 말라"에 앞서 "개를 버리지나 마라/말자"부터 더 강조해야 하지 싶다. 식용으로 잡아먹히는 거나, 약물 주입으로 안락사 당하는 거나(주인을 못 찾아서, 혹은 주인이 고의로 인수를 거부해서) 죽는 건 똑같다.

무슨 성매매를 합리화하고 공창을 만들듯이 개 도축도 규격을 정하고 완전히 법의 양지로 끌어올리자는 얘기가 진작부터 있었다. 하지만 "대한민국은 이렇게 개도 FM에 규정된 대로 잡아먹는 나라요"라고 대외적으로 홍보를 하는 건 동네 창피한 일인 걸로 간주되는 듯하다. -_-;; 마치 눈치 보느라 흉악범 사형 집행조차 못 하듯이. 개 잡아먹는 게 그렇게도 부끄러운 일인가? 좀 민망한 현실이다. (난 개고기는 일부러 피하지는 않고 회식 자리에서 있으면 먹는 정도로 먹는다.)

4.
사람들이 자기가 실제로 소유한 것보다 더 많이 소유한 것처럼 남에게 허세 부리고 싶어하는 심정은 어디에나 있는 듯하다.
예비군들은 전투복에 자기가 이수하지 않은 온갖 특기 마크를 덕지덕지 붙여서 일명 전투복 튜닝을 하고.. 군 내부의 높으신 분들도 비슷한 맥락으로 온갖 훈장들을 제복에다 주렁주렁 붙인다.

이런 맥락으로, 자동차의 경우 엠블럼이나 머플러를 튜닝해서 실제 성능보다 더 고성능인 차인 것처럼 위장을 하는 경우가 많더라.
내 또래의 직딩이 어떻게 쏘나타 2400cc 내지 제네시스 쿠페 3800cc를 굴리나 궁금했는데, 알고 보니 머플러와 엠블럼만 교체해서 상위 사양인 것처럼 보이게 했을 뿐, 실제로는 2000cc 차였다.

지금까지 에쿠스 5000cc를 생각보다 자주 본 적이 있었다. 이것들 중에도 실제로는 기본 사양 3800cc이지만 엠블럼 위장을 한 놈이 있을지 모르겠다. 에쿠스는 제로백이 5~6초대인데, 성능이 성능이니만큼 3800cc와 5000cc는 제로백이 약 1초 가까이 차이가 난다고 한다. 길이가 5m가 넘는 거대한 차량이 밟으면 그렇게 쑥 가속을 받고 튀어나간다는 게 상상만 해도 신기하다. 괜히 고성능이 아니다.

자가용 승용차는 배기량이 높아질수록 성능은 좋아지지만 연료 소모량이 증가하여 연비도 떨어지며, 무엇보다도 자동차세도 왕창 붙어서 유지비가 증가한다. 아파트 모델하우스에 가서 크기가 3종류인 집을 구경하니 마치 2000cc, 2400cc, 3000cc 차급을 보는 것 같은 생각이 들었다.
그런데 차량의 배기량 위장은 당장 도로에서의 안전을 위협한다거나 무슨 계급 위조 및 사칭만치 해로운 짓은 아니기 때문에 딱히 법적으로 금지되어 있지는 않은 것 같다.

5.
옛날 자동차와 지금 자동차를 비교해 보면 엔진이 동일 배기량으로도 출력과 연비가 비약적으로 향상되고 승차감이 좋아졌으며, 그러고도 환경오염은 덜 시키는 쪽으로 발전해 왔다. 하지만 엔진의 구동 원리는 100여 년 전이나 지금이나 피스톤 왕복 형태를 크게 벗어나지 않아 있다. 또한 엔진의 회전력과 토크를 바퀴를 굴리는 데 적합한 형태로 변환해 주는 변속기도 수동은 톱니바퀴, 자동은 유압 토크 컨버터로 형태가 정착해 있다.

이런 관행을 바꾸려는 시도를 한 이의를 제기하는 대표적인 발명으로는 방켈/반켈(Wankel) 또는 로터리라고 불리는 엔진이 있다. 피스톤이 동그란 삼각형 모양으로 생겼고 얘가 두 바퀴가 아니라 한 바퀴를 돌면서 흡입-압축-폭발-배기 행정을 해치운다. 그건 좀 2행정 엔진을 닮았다.

로터리 엔진은 왕복 운동을 회전 운동으로 힘들게 변환하는 계층이 필요하지 않으며 연료의 폭발을 더 직관적으로 회전 운동으로 연결해 준다. 그래서 배기량 대비 엔진의 출력이 더욱 높다는 장점이 있으나.. 기계적으로 만들기가 더 어렵고 엔진 부품의 마모가 더 심하고 유지비가 많이 들어서 엔진의 주류로 등극하지는 못했다.
장점이 있긴 하지만 아직 단점이 더 커서 실용화되지 못하고 있는 기술이라는 점에서는 무탄피 총알과도 비슷해 보인다.

또한 변속기에도 일명 CVT라고 불리는 '무단 변속기'가 있다. 얘는 N개의 단을 나타내는 이산적인(discrete) 톱니바퀴로 변속을 하는 게 아니라, 일종의 원뿔대 모양의 체인에다가 벨트를 걸어서 최고단과 최저단 사이의 아무 동력비라도 표현할 수 있게 했다.
얘는 의도한 대로 잘만 만들 수 있다면 변속 충격 없이 자동 변속기처럼 부드러우면서, 연비는 수동 변속기처럼 좋은 이상적인 동력 변환 계통을 구현할 수 있다.

하지만 CVT 역시 변속기의 주류가 되지 못한 건 다 기술적인 한계가 있기 때문이다. 얘는 대형차의 고출력 엔진에 적용되기에는 아직 무리가 있으며, 여전히 경차· 소형차급에 머물러 있다. 자전거만 해도 체인이 견딜 수 있는 힘보다 너무 강한 힘으로 밟으면 체인이 미끄러지거나 심하면 파손되지 않던가? CVT는 그런 게 기존 변속기보다 더 취약하다는 뜻이다. 예전에 인천대교에서 퍼져서 대형 사고를 일으켰던 마티즈 CVT 때문에 CVT에 대한 더 나쁜 편견과 오해가 생기기도 했다.

아무튼, 내연기관에 왕복 운동이 아니라 회전 운동을 직통으로 만들어 내는 로터리 엔진이라는 게 있는데.. 전기 모터에는 회전 운동이 아니라 직선 운동을 직통으로 만들어 내는 모터가 있다. 바닥에 달린 유도 레일을 따라 출력을 발생시키는 이 모터를 '선형 유도 모터'라고 한다.

초전도 자기부상열차는 모두 선형 유도 모터(LIM) 기반이다. 하지만 그런 방식이 아닌 경전철도 LIM 기반인 경우가 있으며, 국내의 경우 용인 경전철이 대표적인 예이다.
일본에서는 L0계라고 불리는 '주오(중앙) 신칸센'이 개통하여 최고 시속이 무려 600km를 넘어섰다. 주행 속도가 너무 빠르기 때문에 안전을 위해 창문은 무슨 비행기 창문처럼 작아졌으며, 앞뒤로 운전실이 없지만 그래도 앞뒤 경치를 구경할 수 없다.

그리고 열차의 앞뒤는 비행기보다도 더할 정도로 극단적으로 납작하고 뾰족해졌다. 기계가 들어갈 공간, 승객이 탈 공간을 좀 뺏겨도 좋으니 어떻게든 공기 저항을 극단적으로 줄이려고 발악에 가깝게 노력한 흔적이 보인다.
그도 그럴 것이 공기 저항은 고속 주행 교통수단의 최악의 적이며, 속도가 올라갈수록 저항도 급격히 커지기 때문이다. 비행기는 그래도 대기가 상당히 희박해져 있는 고도에서 날지만 열차는 공기 농도가 제일 짙은 지표면을 달리지 않는가?

한때 우리나라 언론에서는 '리니어'가 선로가 커브가 전혀 없이 곧은 직선이라는 뜻이라고 아주 말도 안 되는 오보를 내보낸 적이 있었다. 10여 년 전에 <인천 관광 2009년부터 전차로>라는 기사를 내보내면서 군용 탱크 사진을 내보냈던 것과 같은 급의 병크이다!

Posted by 사무엘