토크와 마력

[골프맨]

운전을 잘하고 싶어서  이곳 저곳 다니면서  알아둔 내용중에 하나 입니다^^

(그렇다고 운전을 잘한다는 이야기는 아닙니다 ㅠㅠ  단지 열심히 준비하는중 입니다...)

차에 대한  이해중  가장 기본이면서도 

실제로  토크와  마력에 대해  정확하게 설명해논  글  찾기가 쉽지 않았는데...

좋은글이라  스크랩 해둔 글  올려봅니다^^

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출처:드라이브테크랩 의 이민재님글 입니다.

(20년이 넘은 호몰로게이션 모델의  M3 로  태백 레이싱파크 랩타임 1분 7초대의 드라이버

 이며  칼리에스타  미션을   같은 미션을 사용하는  포드의 모델을 확인해서  부품 주문해서

 수리할 정도로 미케닉 쪽으로도  대단한  실력을 갖고 있는 분입니다...)

[칼리스타는 키트카로 국내에서는 판매자인 쌍용이 부품 공급을 제대로 하지 않아 부품 수급에 심각한 문제가 있습니다...

허나 칼리스타의 족보를 파헤쳐서 호환부품을 찾아냈습니다...

우선 국내에 판매된 2.9리터 칼리스타는 유럽 포드의 스콜피오2.9의 엔진과 미션 및 구동계를 사용하고 있습니다...

유럽포드의 스콜피오는 국내 현대 자동차에서 생산 판매한 그라나다의 후속 모델입니다...

칼리스타2.9에 사용된 오토매틱 트랜스미션은 포드제 A4LD라는  미션입니다...

스콜피오외에도 당시 생산되던 포드 마크 7, 메르쿠르, 머스탱,썬더버드, 에어로스타에도 사용되던  미션입니다만 유감스럽게도 모두 국내에선 보기 힘든 모델들입니다...

허나 후속 모델인 4R44E, 5R55E 와는 많은 부품을 공유합니다..

문제의 입력축 새프트 실은  후속 모델들과 호환이 되므로 5R55E (익스플로러에 적용)의 부품을 이용하여 수리를 마칠수 있었습니다..

특히 입력 축 새프트 실은 97년부터 개선품이 적용되므로  이번에 아예 개선품으로 교환하였습니다 ]

의외로 많은 분들이 정확히 이해하고 있지 못한 것이 바로 "출력"과 "토크"입니다...

우선 출력과 토크를 이해하기 위해서 간단한 물리 개념의 정립이 필요합니다...


힘 = 질량 * 가속도

일상생활에서 우리는 힘이란 말을 자주 사용합니다...
가령, "이 자동차의 힘이 세다 "란 말도 자주 사용하죠 .. 일상적인 의미에서는 문제가 없으나 엄밀히 물리적으로 말한다면 "출력이 크다"라는 말이 더 정확할 것입니다...
일상적으로 쓰는 힘의 의미가 물리에서 엄밀한 '힘"의 의미와 다르기에 우리는 헷갈리기 시작합니다...
위 식에서 보듯이 힘은 질량을 가진 물체를 얼마간의 가속도로 운동시키는데 필요한 물리량입니다..
단위는 N(뉴턴)을 사용합니다...


일 = 힘 * 이동거리

일이란 위에서 기술한 힘에 힘의 방향으로의 이동거리를 곱한 량입니다...
힘은 가했으나 이동거리가 없다면 일은 0입니다.(중학생 시절 단골 문제였죠..)..
단위는 Nm 혹은 J을 사용합니다...
단위를 보고 눈치 채신분도 계시겠지만 일은 에너지와도 같은 개념입니다...
즉 가한 일만큼 에너지가 증가할수 있습니다...
우리가 흔히 말하는 토크가 바로 이 "일" 또는 '에너지'의 개념입니다...

일률 = 일 / 시간

같은 일을 했더라도 걸린 시간이 다르다면 그효율성을 알수 없을것입니다...
따라서 전체 해준일을 전체시간으로 나누어 준다면 단위 시간당 한 일이 나올것입니다...
단위는 Watt 혹은 마력을 사용합니다...
그렇습니다... 자동차의 출력은 바로 '일률'의 개념이었던 것입니다..

여기까지가 출력과 토크를 이해하기 위하여 기본적으로 알고 있어야하는 물리 지식입니다...

그럼 이제 토크와 출력 이야기를 해보죠...

토크는 엔진이 1회전할때 생성되는 일의 량입니다...
자동차의 엔진은 설계상 각 회전수마다 1회전시 발생되는 토크가 다릅니다..(전기 모터의 경우 회전수에 관계없이 일정한 토크를 냅니다)
위 그림의 남색선이 바로 회전수별 발생 토크 그래프입니다..(차종은 2000년식 S2000입니다.)
자세히 보시면 약 6300RPM에서 최대 토크가 생성되고 회전수에 따라 토크가 다름을 알수 있습니다.(사실 이전도의 그래프면 굉장히 플랫한 토크특성을 가지는 겁니다..)
다이나모미터는 원리상 엔진으로부터 1회전당 발생되는 토크를 측정합니다...
모든 회전영역에서 측정하여 남색과 같은 그래프를 얻었습니다...

출력은 위에서 언급했듯이 일률의 개념입니다....
회전수의 단위는  1 / minute 이므로 토크에 회전수를 곱해주게 되면 토크를 시간으로 나눈셈이 되어 출력즉 일률이 됩니다..
위에서 구한 토크 그래프에서 각회전수별 토크에 그때의 회전수를 곱해주어서 단위를 조절하면 바로 위그림의 파란색의 출력 곡선이 얻어집니다...
결국 토크는 출력을 구하기 위한 과정에서 측정된것입니다..

자... 그러면 토크와 출력을 어떻게 체감할수 있으며 어떻게 이해해야 할까요?

우리가 몸으로 느낄수 있는건 바로 "출력"입니다....
토크는 시간의 개념이 들어가기 전의 수치로 우리는 느낄수가 없습니다...
물론 두대의 차량이 동일 회전수에서 힘의 차이가 난다면 그회전수에서 토크가 다름을 알수 있습니다...
허나 1대의 차량을 운행하면서 우리는 토크를 느낄수가 없습니다...
그럼 일반적으로 " 이차는 토크가 세다"라는 표현은 어떻게 설명해야 할까요?
이표현은  정확하게는 "이차는 저회전에서 출력이 높다"라는 의미입니다...
토크가 풍부하다고 알려진 미국제 머슬카들의 경우 토크 밴드가 저회전에 몰려 있어서  토크밴드가 고회전에 몰려있는 유럽제 차량들보다  저회전에서 훨씬 출력이 높습니다...
허나 고회전역에서 머슬카의 토크는 배기량에 비해 너무나도 약해서 고회전에서 출력이 배기량에 비해 상대적으로 약해집니다...
이는 요즘 유행하고 있는 CRDI 디젤 터보차량들과 개솔린 엔진과의 비교와도  똑 같습니다..

일반적으로 "토크가 센 차량이 가속에 유리하다."라고들 하십니다만 이 또한 "저회전에서 토크가 큰 차량이 저회전에서 상대적으로 큰 출력을 내어 저회전을 사용하는 초기 가속이 원활하다"라고 해석될것입니다...

그럼 차량의 최고속과 출력은 어떤 관계가 있을까요?
기어비가 적절하다면 차량의 최고속이 최대출력 발생 회전수에서 나올것입니다...
차량이 내리막에서만 최고속을 낼수 있다면 전체 기어비가 너무 낮은 것이고 오르막에서도 최고속을 쉽게 낸다면 전체 기어비는 너무 높은 것입니다...
물론 트랙 주행 전용 머쉰이라면 후자의 세팅으로, 고속 크루징 전용차량이라면 약간 전자의 세팅이 유리할것입니다...
실제로도 일본제 또는 국산 차량들은 전자와 같이  기어비가 세팅되어 있어서 대부분 최고속이 최고단수 한단 아래서 측정됩니다..
유럽제 차량들은(특히나 BMW)는 기어비 세팅이 실로 절묘하여  남김도 모자람도 없이 최고단의 최대출력발생 회전수에서 최고속이 측정됩니다.


아래는 E30 M3 의 흡기캠에 따른 다이노 그래프입니다..
위의 S2000의 다이노 그래프와 비교해보시면 s2000이 고회전에서 얼마나 출력이 높은지 알수 있습니다...단 저회전에서는 배기량이 큰 E30 M3이 높은 토크를 앞세워 더 높은 출력을 내고있음을 알수 있습니다...

우리는 흔히 자동차의 제원을 볼때 최대출력과 최대 토크만을 봅니다...
앞으로는 최대출력 및 최대토크 발생 회전수, 더 나아가서는 출력 특성 그래프까지도 보고 분석하여 자신의 취향과 목적에 맞는 차량의 선택과 개량을 하여야 할것입니다...

일본  자동차 평론가가 쓴  토크와  마력

출력과 토크에 관하여...

후쿠노 레이이치로, 자동차론 정상작전중에서 QnA.

    출처(blog.naver.com/mockory/18501480)


Q. 엄청 기본적인 걸 물어봐도 되겠습니까?  대체 '마력' 이란 뭔가요?  '토크'와는 어떻게 다른겁니까?  누구에게 물어봐도 알듯말듯합니다.  (오카야마현 T)



A. 좋은 질문입니다.  모두 알고있는듯 하면서도 실은 누구도 잘 이해하고 있지 못한 것을 당당히 질문해보는건 아주 옳은 일입니다.



우선요, 예를 들어 2리터 4기통엔진이라는 건 1기통 500cc의 엔진이 4개 연결되어진 것, 이라고 이미지해봐주십시오.  그럼 2.5리터 V6는?  1기통당 417cc의 엔진이 6개 연결되어있는것.   그렇죠?  그렇게 생각해보면 2리터 4기통의 알테쟈의 엔진은, 실은 6리터 12기통의 멕라렌 F1의 엔진과 같은 동료라는 것을 알 수 있습니다.  어느쪽이라도 1기통씩 나눠서 보면 같은 500cc의 엔진이니까요.



그럼 여기서 1기통만의 엔진이 1대 있다고 합시다.  공기에 개솔린을 일정 비율로 섞어서 실린더 속에 보내어, 압축하여 점화, 폭발시키면 피스톤이 엄청난 힘으로 아래로 내려가서, 컨로드를 거쳐 크랭크샤프트를 돌립니다.  이 1회의 폭발로 엔진이 내는 힘, 크랭크샤프트를 돌린 그 힘을 '토크' 라고 말합니다.  토크란 한쪽을 고정시킨 원통형의 봉을 다른 한쪽에서 휘어버리려고 할 때의 힘의 크기 (우력(偶力)의 모멘트)를 나타내는 용어로, 자동차의 경우에도 엔진이 크랭크샤프트를 비틀어, 크랭크가 드라이브 샤프트를 비틀고, 드라이브 샤프트가 타이어를 비틀어서 돌려 달리는 것이니까, 엔진이 내는 힘도 토크로 표시합니다.



엔진이 낼 수 있는 힘 = 토크는 기본적으로는 엔진의 배기량으로 결정되어집니다.  

그야 물론 보어 x 스트로크라든가 압축비라든가 충진효율이라든가 뭐라든가, 세팅하기에 따라서 상하변동은 합니다.  

그러나 다른 조건이 일정하다면 토크는 배기량의 크기에 비례합니다.  1기통 400cc의 실린더는 1기통 200cc의 실린더의 대략 배정도의 토크를 내는 것이 가능합니다.  

1회의 폭발로 내는 힘 = 토크는 이론적으로는 일정해야 하지만, 실제로는 엔진을 천천히 돌리고 있을 때엔 공기의 유입효율이 나쁘고 마찰손실도 크기 때문에 토크는 조금 낮은 수치가 됩니다.  붕붕 계속 돌려나가면 1회의 폭발당 토크는 점점 커져갑니다만, 어떤 시점을 넘으면 다시 이런저런 저항이 생겨나서 1회의 폭발당 나오는 토크는 감소해갑니다.  

그래서 토크치를 표시할 때에는 피크의 회전수도 같이 표기합니다.  어떤 1기통 500cc 유니트가 1분동안 2500회전에 상당하는 회전수로 돌아갔을 때 최대효율에 도달하여, 1회의 폭발에 5kgm의 토크를 낸다고 한다면, 5kgm/2500rpm (rpm은 1분당 회전수) 로 표기하는 겁니다.  

카탈로그에 나온 것은 이것을 수기연결하여 1대의 다기통엔진으로 모았을 때의 데이터로, 예를 들면 4기통엔진이라면 이 경우 5kgm x 4기 = 20kgm/2500rpm.  이렇게 되는거지요.



그럼 '마력'이란 무엇인가?



마력이라는 것은 '작업량'의 일종입니다.  어떤 일정 시간내에 행하여진 (만들어낸(出力)) 작업 (힘)의 총합을 말합니다.



4행정 엔진은 크랭크샤프트가 2회전할 때 1회 폭발합니다.  예를 들면 단기통 유니트를 4개 연결하여 (=4기통) 1분간 전개시켜본다면, 합계 6000회 돌았다고 해보지요. (=6000rpm)  그럼 이 때 폭발은 몇번 일어날 것인가?  

1기의 실린더는 크랭크 2회전당 1회 폭발하니까 3000회 폭발.  이게 4개 있으니까 3000 x 4 = 12000회.  4기통 엔진이란 6000rpm으로 돌렸을 때 1분간에 12000회 폭발하는 엔진인것입니다.  

즉 토크도 1분간에 12000번 쏟아내어지는것이 되겠지요.  1회장의 폭발토크가 아까 말한 것 처럼 5kgm라고 한다면, 이 4기통 엔진이 1분간 만들어낸 총 토크는 5kgm x 12000이라는 치가 됩니다.  이것이 마력입니다.  마력은 보통 1분당으로 생각하여, 토크와는 별도의 단위 (ps나 hp, kw등) 로 표시합니다.



예를 들어 전개운전을 했을 때, 1분간에 6000회전이 아닌 9000회전을 돌릴 수 있게 한다면 어떨까요.  흡기효율이나 배기효율, 점화타이밍등의 설계에 의해 이런 것도 가능합니다.  

그렇게 하면 같은 1회복발당 5kgm의 토크를 쏟아내는 4기통엔진이라고 하더라도, 크랭크샤프트 9000회전이라면 폭발은 4500회 x 4 = 18000회 일어나게 되어, 1분간 내는 총출력토크는 늘어나게 되지요.  



회전을 올리지 않고 이것과 같은 총출력토크를 만들어내는 방법도 있습니다.  실린더를 더 많이 붙이는 것입니다.  예를 들면 1회폭발당 5kgm인 이 실린더를 6개 연결한다고 해봅시다.  

회전수는 원래대로 6000rpm이라고 합니다.  폭발은 몇회 일어납니까?  3000회 x 6 = 18000회.  설계를 바꿔서 9000회전도 돌릴 수 있게 만든 4기통과 같은 만큼의 폭발이 1분간 일어나게 됩니다.  그렇다면 총출력 토크도 같다는 것이 되지요.  



또 다른 케이스를 생각해보도록 하지요.  실린더가 얇고 짧고 용적이 작은, 1회의 폭발로 아까의 절반, 2.5kgm의 토크밖에 만들어내지 못하는 단기통 유니트가 있다고 합시다.  

설계도 보통 최대 6000회전밖에 돌릴 수 없습니다.  그러나 이것을 12기 연결한다면 어떨까요?  12기 연결하면 1분당 3000회 x 12 = 36000회의 폭발이 일어납니다.  1회폭발당의 토크가 절반이라고 하더라도, 1분간의 폭발회수가 배라고 한다면, 1분간에 만들어내는 총출력 토크는 같다는 것이 됩니다.  



이런 것을 비교하기 위하여 '마력' 이라는 지표를 쓰고 있는 것입니다.



4기통 9000회전의 엔진과 6기통 6000회전의 엔진이라면 마력은 같더라도 전혀 필링이 다르다구요?  12기통이라면 같은 총출력 토크든 뭐든간에, 운전하는 느낌은 더더욱 다르지 않냐구요?



그렇습니다.



그대로입니다.



그래서 '마력' 으로 자동차를 비교해보는것 따위는 쓸대없다고 하는 것입니다.  

같은 300마력이라고 해도, 1기통당의 실린더의 크기, 최고출력발생회전수, 그것을 몇기통 연결시켰는가 등에 의해 운전했을 때의 필링이나 특성은 전혀 달라지게 됩니다.



일반론을 말해보지요.



고회전화설계를 하게 되면, 다른 조건이 일정하다면 저중속역에서의 스무드함, 힘을 희생하게 됩니다.



다기통화 하게되면 회전감은 부드러워집니다만, 엔진이 대형화되고 무거워져서 차량탑재성 등이 낮아지게 됩니다.



하나하나의 실린더를 소형화하면, 1회폭발당의 토크는 작게 되어집니다만, 연소실이 작아지기 때문에 실린더 속의 혼합기가 전부 연소되어지기까지의 시간이 짧아지고, 피스톤도 크랭크도 작고 가볍기 때문에 즉각즉각 반응하여, 고회전상승감, 흔히 말하는 픽업이 좋아집니다.  

또 배기량이 작아진다는 것은 피스톤이 위아래로 움직이는 공정의 길이가 짧고, 짧은 그 공정으로 크랭크가 1회전하는것이기 때문에 크랭크 회전수 (=엔진회전수) 가 같다고 한다면 피스톤의 움직이는 속도는 느려지게 됩니다.  

엔진의 한계의 한가지 요소는 피스톤이 움직이는 속도에 의해 제한되어지고 있으니, 실린더 용량이 작은 엔진에는 보다 고회전화할 수 있는 능력(포텐셜=잠재능력) 이 남아있다고도 말할 수 있습니다.  다른 한편으로 실린더가 작을수록 배기량에 대한 실린더와 피스톤링과의 접촉면적의 비율이 커지기 때문에, 작은 실린더는 마찰저항이 커지게 됩니다.  

예를 들어 보어 (피스톤 직경)와 스트로크 (공정 길이) 를 각각 배로 하게 되면, 실린더의 용량은 8배가 됩니다만 (즉 토크도 약 8배) 피스톤링과 실린더 벽과의 접촉면적은 4배밖에 되지 않습니다.  (배기량과 프릭션의 2승 3승법칙)



이런저런 밸런스를 생각해보면, 실린더의 용적은 고회전엔진의 경우, 1기통 450cc전후, 스무드함과 토크감을 높이기 위해서는 1기통 500cc전후가 적당하다고 말해지고 있습니다.  1기통 450cc라면 4기통으로 1.8리터, 6기통으로 2.7리터, 8기통으로 3.6리터, 12기통으로 5.4리터의 엔진.  또 1기통 500cc라면 4기통으로 2리터, 6기통으로 3리터, 8기통으로 4리터, 12기통으로 6리터의 엔진이 됩니다.  

이것을 보면 세계의 추세는 스포츠카엔진 / 승용차용엔진쪽 어느쪽이든 불문하고, 스무드와 토크감을 중시하는 쪽으로 흘러가는 것을 알 수 있습니다.



터보나 슈퍼차저라는 것은 아시는대로 공기를 압축해서 실린더에 억지로 쑤셔집어넣는 장치로, 예를 들어 1바의 과급을 대기압에 더하여 500cc의 실린더 속으로 보내면, 그 실린더 속에는 대충 1000cc의 공기가 보내어진다(실제로는 그것보다 조금 적습니다)는 것이 되어, 1회의 폭발에 발생하는 토크는 배에 가깝게 됩니다.  

터보나 슈퍼차저란 피스톤 스피드도 실린더의 마찰저항도 실린더 연결수도 바꾸지 않고, 일거에 출력 토크나 마력을 배로 할 수 있는 장치입니다.



1기통 500cc를 16기 연결하여 16기통 8리터, 거기에 4개의 터보를 붙여서 1바 과급.  1001마력이라는 궁극의 출력을 내는 VW=부가티 베이론의 엔진도, 이렇게 해서 보면 단순한 논리를 겹쳐내서 만든 엔진에 지나지 않는다는 것이 이해할 수 있을거라고 생각합니다

[DanDybOy]

일단 위에 것만 읽었는데...매번 헷갈리는 ㅠ.ㅠ ㅎㅎ 더 공부해야겠어요~좋은 자료 감사합니다 형님~ㅎㅎ

[delta(최성창)]

행님 글은 역시 어려워요...ㅎㅎ

[이대희]

토크는 배기량과 가장 밀접한 관련이 있습니다. 배기량이 클 수록 토크가 커지지요. 이것은 물리학 법칙에서 에너지와 힘이 비례하기 때문입니다. 일정 배기량에는 일정량의 공기만이 들어갈수 있고 거기에 혼합되는 연료역시 한계가 있습니다. 이 연료가 완전연소를 할때 최고의 에너지가 발생하는데 그때 만들어지는 힘이 토크입니다. 그래서 같은배기량으로 마력이 높은 엔진은 만들수 있어도 토크가 큰 엔진은 만들수 없는 이유이지요. 같은 배기량에 토크를 늘이려면 공기를 압축해서 넣는 과급기(터보,슈퍼차져)가 필요합니다. 공기를 압축하면 상대적으로 배기량이 커진 효과를 볼 수 있으니까요.

[이대희]

또한 디젤이 토크가 큰 이유는 압축착화방식이 점화방식보다 효율이 좋기때문입니다. 또한 디젤은 과급기를 사용하므로 같은 배기량에 토크가 가솔린 보다 훨신크지요.

[이대희]

일반 운전에는 토크가 큰 엔진이 좋구요. 레이싱같은 한계상황에선 마력이 큰 차가 좋습니다. 최고속도 마력과 관련이 크구요. 디젤이 내구레이스에서 항상 우승하는건 열효율이 좋기때문에 열발생이 적어서 내구성이 좋아서일껍니다. F1 같이 운전자 능력이 최고로 발휘되는 경기에서는 마력이 큰 가솔린이 유리하지요.

[골프맨]

르망 내구레이스에서 연료 공급을 위한 피트 스톱이 적어서 상대적으로 디젤이 유리하기에 이번 르망에서는 디젤엔진의 연료통을 가솔린보다 9리터 작은 크기로 제한 했다고 하더군요^^ 일반 레이싱의 핸디캡 웨이트 처럼...

[골프맨]

자동차 성능곡선표 ( 토크 마력 연료량이 표시된...)만 볼줄 알면 되죠^^ 보통 토크곡선이 피크를 지나도 출력곡선은 계속 올라가다가 떨어지는 구조로 되어있죠... 좀더 편한 운전을 위해 토크를 플랫으로 만들기도 하지만... 토크 곡선이 피크를 지날때의 회전수를 기억해 두면 좋아요^^ 피크 회전수가 지났을때는 회전이 줄면 출력은 줄어도 토크는 오히려 커지죠... 피크회전수 보다 낮은 회전일때는 회전이 줄면 토크도 떨어지고...엔진의 리스펀스가 좋은차가 운전하는 재미가 있다고 하네요^^

[이여정]

오돌오돌 떨었는데 차 맛있게 먹었습니다. 감사드려요 ^_^ (분위기 파악 못하는 ㅋㅋ)

[골프맨]

차도 좋아 하지만 차 (茶) 도 좋아해요^^ 알콜과는 영 안친해서...