(정보) 자동차 마력의 이해

[uara이사/하성곤]

마력
마력(馬力, horse power)은 `말의 힘`이란 뜻이지만 사실은 일률을 나타내는 단위다. 일률(power)이란 일정한 시간 동안 할 수 있는 일의 양을 나타내는 단위로 파워(power)라는 용어가 낯익을 것이다. 파워를 우리말로 풀이하면 일률이 된다.
일률이란 단위시간에 하는 일을 말하는 것이므로 일률을 이해하려면 일(work)을 먼저 정의해야 한다. 일이란 일정한 힘으로 움직인 거리에 의해 정의되고, 다른 말로 에너지라고도 한다. 1 뉴톤(N)의 힘으로 1m 움직인 일의 양을 1줄(J)이라고 한다. 1초에 1J의 일을 하는 일률을 1와트(1W)라고 한다. 그리고 1천W를 줄여 1킬로와트(kW)라고 한다. kW라는 단위는 전기사용량에서 흔히 볼 수 있는 단위라 익숙할 것이다. 전기도 에너지이니 kW라는 일률단위가 사용되는 것이다. 자동차에서는 마력(HP, horse power)이 주로 사용되지만 일반적으로 일률의 단위로는 W 또는 kW가 주로 사용된다.
그렇다면 1마력은 kW로 환산하면 어느 정도의 크기일까? 단위 체계에 따라 약간의 차이는 있지만 자동차공학회(SAE, Society of Automotive Engineers)의 기준에 의하면 1마력은 0.746kW에 해당한다.
미터, 킬로그램 대신에 피트(feet), 파운드(pound)가 익숙한 서구식 관습으로는 에너지의 단위를 파운드-피트(lb-ft)로 나타내기도 한다. 1파운드의 무게를 1피트 들어올리는데 드는 에너지를 말하는 lb-ft는 표준단위로 따지면 1.356줄(J)에 해당한다. 따라서 1 lb-ft/sec는 1와트의 1.356배에 해당한다.
아래에 일률을 뜻하는 각 단위에 대한 환산량을 표로 나타냈다.

파워	킬로와트(kW)	마력(SAE)	ft-lb/sec
킬로와트(kW)	1	1.34	738
마력(SAE)	0.745700	1	550
lb-ft/sec	0.001356	0.00182	1

엔진의 토크와 파워 사이에는 `파워 = 토크 X 엔진회전수`의 관계가 있음을 살펴본 적 있다. 이에 따르면 엔진의 파워를 알면 토크를 알 수 있고, 토크를 알면 파워를 알 수 있다. 마력과 토크의 관계는 아래 식과 같이 주어진다.
마력= 1/7121×r₁×rpm = 1/726.1 ×r₂×rpm
여기서 은 (N+m) 단위로 나타낸 토크이고, 는 (Kg-m) 단위로 나타낸 토크다. 만약 서구식 단위인 lb-ft 단위로 나타내려면 위 식은 `마력= 1/5252 ×r₃×rpm` 과 같이 구해진다. 여기서 는 (lb-ft) 단위로 토크를 나타낸 것이다.
4천500rpm에서 19.8Kgㆍm가 나오는 티뷰론의 경우 4천500rpm에서 몇 마력의 힘이 나올까? 위 의 식에 넣어 계산해보면 1/7121×19.8 ×4500 =122.7가 되어 123마력이 나온다는 것을 알 수 있다.

실마력과 그로스마력
마력 이야기가 나온 김에 실마력(net power)과 그로스마력(gross power)에 대해 이야기하자. 그로스마력이란 이상적인 상황에서 엔진에서 나오는 출력을 말한다. 여기서 이상적인 상황이란 흡/배기 매니폴드만을 갖춘 채 실험실에서 엔진만 별도로 떼어내 측정하는 출력을 말한다. 엔진이 동작하는 데 필수적인 몇 가지를 제외하고는 제너레이터, 파워펌프 등 부속장치를 모두 떼어낸 상태에서 측정하므로 엔진에 걸리는 기본적인 부하가 줄어드는 탓에 측정되는 출력이 자연히 커지게 된다.

이에 비해 실마력(net power)이란 엔진을 차체에 단 후 측정한 결과다. 정상적인 흡배기 장치는 물론 에어클리너, 제너레이터, 냉각팬 등을 모두 갖춘 상태에서 측정하므로 현실에 가까운 수치를 얻을 수 있다.
우리 나라에서 자동차광고를 할 때 엔진 출력으로 실마력을 표시하도록 한 것은 불과 몇 년 전 일이지만 미국에서는 출력표시문제가 1970년대 매듭지어진 일이다. 미국 메이커들은 1950~60년대까지 출력이 큰 엔진이라는 것을 강조하기 위해 출력 수치를 높게 표시하려고 애써왔다. 그러던 것이 배기량에 따라 보험료가 차등 적용됨에 따라 60년대 말부터는 오히려 출력을 낮추려고 애쓰게 되었다.

그러다가 71년 GM이 네트 마력으로 표시하자고 앞장선 후 2년 내에 모든 메이커들이 출력을 네트로 표시하게 된 것이다. 70년대 초 시보레(Chevrolet)의 한 모델은 그로스/ 네트 마력이 각각 245, 165마력으로 32%나 차이날 정도니 출력과장/축소를 위한 당시의 노력을 알 만하다. 우리 나라도 네트로 출력을 표시하면서 차종별로 출력이 약 5~10% 적은 것으로 표시되고 있다.

출력을 표시하면서 간혹 bHP라고 표시하기도 한다. bHP는 네트출력과는 다른 개념이다. brake Horse Power의 약자로 굳이 우리말로 번역하자면 제동마력(制動馬力) 정도가 될 bHP는 엔진의 출력을 재기 위해 제동장치를 사용하는 데서 유래한 것이다. 모터, 엔진 등과 같이 힘을 발휘하는 장치들은 부하가 큰 상태로 운전할 때와 그렇지 않을 때 나오는 출력에는 차이가 있을 수 있다. 때문에 엔진의 출력을 잴 때 제동장치를 사용해 부하를 준 상태에서 출력을 쟀다.

요즘의 엔진계측장치들은 컴퓨터와 전자장비를 쓰지만 과거에는 엔진을 제동장치에 연결해 제동장치에 힘을 가함으로써 엔진회전수를 조절했다. 엔진회전수가 일정하게 유지될 때는 `엔진힘=제동장치의 힘`의 등식이 성립하므로 제동장치에 가해지는 힘을 측정해 엔진의 힘을 측정한 것이다. 이런 이유로 지금도 bHP라는 용어를 계속 사용하지만, HP(마력)와 구분할 큰 의미는 없다.

연료소비율
엔진의 또 다른 특성인 연료소비율에 대해서도 살펴보자. 연료소비율(Fuel Consumption Rate)은 일정한 일을 하기 위해 엔진이 얼마나 많은 연료를 사용해야 하는가를 나타내는 수치다. 용어에서 짐작할 수 있듯이 연료소비율이 큰 엔진은 연료효율이 나쁘고, 연료소비율이 작은 엔진일수록 효율이 뛰어난 엔진이다.
일률은 단위시간당 엔진이 하는 일을 말하므로, 단위시간당 소모되는 연료의 양을 일률로 나누면 일을 하기 위해 소모되는 연료의 양을 알 수 있다. 즉, 연료소비율은 `연료/일`로 정의되고, `연료소비율[리터/J]= 단위시간당 소모되는 연료의 양[리터/sec]/일률[HP]`로 계산된다.

이렇게 측정되는 연료소비율은 차에 얹기 전단계에서 엔진 자체의 연료소비율을 말하므로 실제적인 차의 연비로 곧바로 이어지지는 않는다. 다만 엔진의 연료소비율을 알면 엔진을 어떻게 운전하도록 하는 것이 효율적인 운전이 될 것인가 짐작할 수 있다.
대개 연료소비율은 저회전에서 높고, 엔진회전수가 올라가면서 낮아졌다가 고회전 영역에서는 다시 높아진다. 연료소비율이 가장 낮은 회전수는 대개 최대토크가 나오는 회전수보다 낮고, 약 2천rpm 전후가 되는 것이 보통이다. 이 때문에 연비가 뛰어나도록 하려면 2천rpm 정도를 유지하며 운전하는 것이 좋다.

체적효율
2천cc 엔진이란 실린더 크기가 도합 2천cc에 해당된다는 말이다. 쉽게 말하면 엔진이 1사이클 회전하면서 2천cc에 해당하는 공기를 태운다는 뜻으로 받아들일 수 있지만 엄밀히 말하면 정확한 표현은 아니다. 실제로 엔진 속으로 공급되는 공기는 엔진의 효율에 따라서 변화가 생길 수 있기 때문이다.
체적효율(volumetric efficiency)이란 엔진의 배기량에 비해 실제로 공급되는 공기의 양이 얼마인가를 나타내는 말이다. 같은 크기의 엔진이라도 체적효율이 높으면 더 많은 공기와 연료를 태우고 결과적으로 더 큰 힘을 내는 것은 두말할 나위가 없다. 때문에 어떤 메이커든지 체적효율이 좋은 엔진을 만들려고 노력한다.

체적효율은 대개 1을 넘을 수 없다. 흡입행정 때 피스톤이 실린더 크기만큼 공기를 다 받아들이기는 쉽지 않기 때문이다. 에어클리너를 통과할 때 그리고 서지탱크에서 흡기포트를 거쳐 엔진으로 공기가 공급되는 과정에서 흡입저항이 생기기 마련이다. 이 흡입저항을 줄이기 위해 에어클리너를 공기투과성이 좋도록 설계하고, 적절한 타이밍에 공기를 받아들일 수 있도록 캠 형상을 설계한다. 에어클리너로부터 흡기밸브까지 지나오는 동안 공기가 받는 마찰을 줄이도록 표면을 다듬는 것은 물론이다.
이렇게 설계된 승용차의 체적효율을 대개 0.9 정도다. 그런데 레이스에서는 체적효율이 1을 넘기는 것이 보통이다. 달리면서 엔진룸으로 쏟아져 들어오는 공기의 흐름을 받아 엔진으로 자연스럽게 강제 흡입시키는 방법이 사용되기 때문이다

W(와트)와 J(줄)과 N(뉴턴)이란?

마력은 일의 단위가 아니라 일률의 단위입니다. 즉, 단위시간동안 하는 일의 양을 의미합니다.

1마력의 크기는 746W정도 됩니다. 영국과 미국에서 사용하는 크기가 다르기 때문에 크기보다는 의미에 중점을 두고 설명을 드립니다.

1W라고 하는 일률의 크기는 1초동안 1J의 일을 하였을 때를 말합니다.
따라서
1마력 = 746W = 1초 동안 746J의 일을 하는 경우입니다. =746J/s

1J의 일이란 1N의 힘으로 물체를 1m를 이동할 수 있는 에너지입니다.
또는 5N의 힘으로 물체를 0.2m를 이동할때도 일은 1J입니다.
즉 일은 힘 × 이동거리 (W=FS)가 됩니다.

다시 1마력을 설명하면
1마력 = 746W = 746J/s => 1초 동안 746J의 일을 하는 경우로

얼마나 이동할 것이냐에 따라 일의 크기는 달라집니다.

만약 1m만 이동하는 데 746J의 일을 했다면, 746N의 힘을 가한 경우입니다.
10m를 이동하는 데 746J의 일을 했다면, 74.6N의 힘을 가한 경우입니다.
(계속)

따라서 1마력이 얼마의 힘이 필요하느냐를 정확하게 알려면, 몇 초동안 얼마를 이동하느냐에 대한 정보가 있어야 합니다.

예를 들어 10초 동안 37.3m를 이동하는 데 일률이 1마력이라면, 이때 물체에 가한 힘의 크기는
마력(P) = 일(W)/시간(t) = [힘(F)×이동거리(S)]/시간(t)
1마력 = 746W = 746J/s = (F×37.3m)/10s

따라서 필요한 힘(F) =(746J/s)×10s/37.3m = 200J/s = 200N 이 됩니다.