자연흡기
1. 개요
자동차나 비행기등에 쓰이는 내연기관의 흡기 방식중 하나.
NA라고도 한다('''Natural - Aspiration'''의 약자). 과급기[1]의 도움없이 공기를 있는 그대로 받아들이고 혼합기를 만들어 엔진을 작동시키는 방식이다.
출력을 올리기 어렵다는 점에서 레이싱용 엔진에서 자연흡기방식만 인정하는 경우도 있다. 대표적인 예가 2013년 까지의 포뮬러 1. 물론 F1 팀들은 천문학적인 비용으로 매년 출력을 향상시켜오다가, 규정으로 엔진 출력을 V8 급으로 동결중이었지만(..) 2014년부터 포뮬러 1에서 V6 급 + 터보차저가 부활했다.
보통 페라리의 자연흡기 기술력을 세계 최고로 치며 포르쉐가 그 다음을 잇고 있다.[2] 맥라렌 F1에도 탑재되었다[3] 물론 별 차이는 나지 않지만. 예로 라페라리/페라리 FXX-K에 장착되는 6262cc V12 자연흡기 엔진은, 아무런 과급장치 없이 무려 '''860마력'''이라는 괴력을 뿜어내며, 리터당 137마력이라는 후덜덜한 성능을 보여준다.[4] 양산형 자연흡기 엔진 세계 최고 기록은 Ariel Atom의 리터당 169마력이다.
2. 장점
- 구조가 간단하다 : 과급에 필요한 특별한 부품이 들어가지 않는 만큼 설계나 제작이 쉬우며 정비도 쉽고 연비도 좋기 때문에 엔진 출력이 그리 강할 필요가 없는 가솔린 엔진 자동차에서는 NA 방식 엔진을 쓴다.[5]
- 반응이 좋다 : 밟는 대로 반응이 나온다.[6] 단순히 기분적인 장점 외에 엔진의 회전수 변화에 따른 토크와 출력 변화가 동시에 오기 때문에 엔진의 회전수를 자주 변화 시켜 감속과 가속이 반복되는 와인딩이나 숏 코너가 반복된 코스에서 유리하다. 이런 특성을 살려, 출력은 낮지만 가볍고 반응이 빠른 자연흡기가 출력은 높지만 (과급기가 장착되어)무겁고 반응이 느린 터보차와 대등하게 겨루는 게 이니셜D 등 자동차 만화의 클리셰. 특히 이니셜D에선 AE86 자체가 이런 특성과 타쿠미의 운전 실력과 합쳐져 바르고 다니는 내용[7]. 트랙션 컨트롤이 용이한 이 특성 때문에 바이크의 엔진은 특수한 몇 기종[8] 외에은 모두 자연흡기 고회전 엔진이다. 바이크에서 트랙션 상실은 바로 전도사고이기 때문. 또한 반응이 좋다는 건 운전 초보자가 다루기 쉽다는 것이다.
- 멋있다 : 크고 아름다운 엔진이 주는 토크감! S2000같은 고회전형 엔진의 쥐어짜는 맛![9] 대배기량이 선사하는 무지막지한 배기음! 라이더가 굳이 오토바이를 타는 이유가 '재미'인 것처럼, 터보차가 아닌 대배기량/고회전형 자연흡기 차량을 선택하는 이유, 과급기를 설치하지 않고 NA튠을 하는 이유가 여기에 있다고 할 수 있다. 코너링 등을 위해 RPM을 급격히 낮출 때 순간적으로 진해진 공연비 또는 스로틀 조작에 의한 점화차단으로 인해 엔진 실린더에서 연소되지 않은 연료가 배기 파이프로 넘어가버리기도 하는데, 이때 배기 파이프는 매우매우 뜨거운데다 불 잘붙게 산소와 잘 혼합되어있는 연료에 불꽃이 일어나기도 한다.[10][11] 가끔 여기에 칠면조를 구워먹는 영상도 유튜브에 올라온다.(...)
- 지구력이 좋다 : 일단 공기가 압축이 되면, 공기의 온도가 올라간다. 이는 밀도의 저하를 야기하는데, 과급기가 장착된 엔진들은 이 흡입 공기의 온도를 낮추기 위해서 인터쿨러를 장착하는 것이 대부분이다. 헌데, 이 인터쿨러가 일정 이상의 주행을 하게 되면 효율이 떨어져 버리는 문제가 발생한다. 때문에 일부 고성능 모델들은 인터쿨러 코어에 물을 쏴줘서 강제로 인터쿨러 온도를 낮추는 워터 스프레이를 장착하고 있으나, 일반적인 차들은 그런거 없다. 특히 과급기 장착차량 오너라면, 여름날이나 엔진에 계속적으로 부하를 주게 되면, 컨디션이 큰 폭으로 떨어지거나, 엔진이 쉽게 지치는 현상을 자주 겪었을 것이다. 하지만 그냥 바깥공기 그대로 빨아들이는 N/A의 경우엔 흡입 공기의 온도 변동이 그리 크질 않음으로, 계절이나 부하에 상관없이 항시 일정한 성능이 나와준다.
- 내구성이 좋다 : 항상 고열, 고압에 시달리는 터보 엔진에 비해 내구성이 좋다. 터보 엔진은 같은 실린더 용적 내에서 더 큰 에너지를 내므로 그만큼 충격도 많이 받는다.
3. 단점
- 엔진 다운사이징에 불리하다 : 출력을 늘리고 싶다면 배기량을 키워야 한다. 즉, 엔진 사이즈가 커진다. 배기량을 키우면 연비가 떨어지고 배출가스 규제 극복이 힘들어진다.
- 제대로 튜닝하다 보면 돈이 한도 끝도 없이 들어간다 : 후술함.
4. NA튠
자연흡기 상태로 출력을 획기적으로 높이는 것은 매우 힘들다.[12] 터보일 경우엔 터빈 사이즈를 늘이거나 부스트 압력을 늘려주는것 만으로 출력이 증가하지만, 자연흡기의 경우엔 여러 가지 방법을 써서 조금씩 조금씩 출력을 높여야 한다. 이런 식으로. #
링크의 내용을 요약하고, 기존의 서술 내용을 보존하는 방향으로 정리를 하면 다음과 같다.
- 배기 매니폴드 교체 : 주물재질에 비해 가벼운 스테인리스를 사용하며 합류부의 저항을 줄이고 유속을 높일수 있는 형태로 제작된다. 대부분 다운파이프까지 포함된다. 2000년대 부터 국산차들도 매니폴드 헤더 다음으로 촉매가 붙는형태로 제조되는대, 이때문에 배기매니폴드만 사제품으로 바꿔도 출력이 상당히 살아난다. 산소센서가 촉매 앞뒤로 모니터링 하는경우는 부수적인 작업이 필요하다. 박서 엔진의 경우 뱅크에서 오는 파이프 길이에 따라 등장/비등장 형태로 구분하며 비등장의 경우 특유의 럼블 사운드를 들을 수 있다.
- 머플러 교체 : 대부분 후소음기를 지칭하며 엔진의 출력상승에 따라 저항과 소음으로 인해 교체한다.
- 촉매 : 사실상 하드웨어적인 흡배기 튜닝에서 출력 자체에 관여할 수 있는 건 촉매라고 봐야한다. 이전세대와 달리 촉매가 배기 매니폴드에 바로 붙는 형태로 바뀜에 따라 튜닝시 1차 촉매의 위치가 하단으로 가거나 없애 버리기 때문에 맵핑없이도 약간의 출력상승을 기대할수 있다. 이 촉매도 코어의 픽셀수가 적은 스포츠촉매를 사용하면 더더욱 저항이 줄어든다.
- 흡배기 캠을 하이캠으로 교체 : 더 높은 리프트와 듀레이션을 가진 캠샤프트로 밸브개폐각을 조절해 출력을 높인다. 개도가 클수록 고성능 제품 이지만 밸브 오버랩 구간이 증가함에 따라 유속이 느리고 저속-중속 구간의 출력하락이 심하며 HC 배출량이 크게 늘어난다. 캠 샤프트의 프로파일 변경으로 인해 ECU맵핑으로 점화 타이밍과 연료량을 조절해야 차량을 운행할 수 있다.
- 가변 캠 스프라켓 [15]
- 대구경 스로틀로 교체 : 스로틀의 직경이 순정에 비해 늘어나는 경우 서지탱크의 입구직경도 같이 바뀌어야 하기에 병행.
- 대용량 서지탱크로 교체
- 헤드 내벽 포팅 : 대부분의 양산차는 비용문제로 인해 울퉁불퉁한 주물제를 그냥 사용하는데, 이걸 일일이 갈아서 매끈하게 해주는 작업이다. 유속증가와 저항감소의 효과를 보고 한다. 서지탱크와 스로틀 튜닝 병행하는 작업.
- 압축비 높이기 : 출력을 올리는 좋은 방법이지만, 엔진이 한방에 훅 갈 위험도 그만큼 높다. 아니면 노킹으로 서서히 깎아먹던가.
- 피스톤, 컨로드 교체 : 압축비 높이기를 할 때 내구성을 보강하기 위해 함께 간다. 단조 피스톤 등으로 교체.
- 듀얼 밸브 스프링 장착, 밸브 태핏 교체 : 고rpm에서 밸브의 대응성을 높여 준다.
- 부품 교체 : 피스톤과 컨로드의 무게를 같게 맞추고 중심을 맞춘다. 경량 크랭크[16] 등 경량화된 부품으로 교체한다[17]
- 오버사이즈 피스톤 사용 : 사실상의 보어 업.
- 독립 스로틀 사용 : NA흡기 끝판왕. 실린더 개수만큼 스로틀을 달아 흡기 매니폴드에서 필터나 인테이크 없이 바로 엔진으로 들어간다.
- (레이스용 엔진과 다름없는 끝판 N/A튠. 참고로 페라리는 양산차조차 경주용과 엔진을 가장 가깝게 만든다.)
- 실린더 헤드가 로커암 방식일 경우, 이를 직동식으로 바꾼다. 브이텍이니, 벨브트로닉이니 바노스니 뭐니하는 무거운 가변벨브 기구들 역시 예외없이 몽창 제거.
- 나트륨을 봉입한 티타늄 재질의 배기밸브
- 마그네슘으로 밸브시트 제작/삽입
- 깍두기 모양으로 카운터 웨이트의 끝단면을 절삭한뒤, 한계까지 밸런싱을 맞춘 크랭크 샤프트[18]
- 드라이 섬프 오일윤활 방법으로 개조(터보에도 흔히 쓰는 방법이다.)
- 순정지름의 절반수준으로(두께가 아니다) 풀단조에 레이저로 정밀하게 밸런싱한 초경량 고강성 플라이휠(리스폰스가 더욱 빨라짐.)
- 카본 플레이트 클러치 디스크 셋 (마찬가지로 클러치 자체도 경량이라 리스폰스가 더욱 빨라진다)
- 10000rpm 이상을 확보할 320도가 넘는 초 과격 하이캠 샤프트(아이들링 회전수가 2000rpm 이상)
- 하이캠 샤프트를 장착하기 위해 헤드의 밸브 삽입부 전면가공
- 크랭크 샤프트 저널베어링의 오일통로 전면가공(고회전으로 인한 엔진 눌러붙음 방지)
- 유압식 밸브리프트를 제거하고, 밸브의 각종 부품들(밸브코터, 밸브 사라 등등)을 티탄등의 경량재질로 새로 제작
- 정확한 공력계산&컴퓨터 해석이 들어간 램에어 인테이크 시스템
- 당연하게도 순정 ECU를 리패핑 하는 정도에서 이런 엔진이 제대로 컨트롤 될리가 없다. 모텍등의 풀커스텀 레이싱 ECU로 엔진제어를 하는데, 계기판(대시패널이라고 함)과 ECU, 각종센서 하네스등으로 전부 교환. 금액은 부품값만 3천만원이 넘는다. 세팅비용이야 당연히 별도.
튜닝에 갓 입문하거나 깊은 관심이 없는 사람들의 경우, 흡배기정도만 해놓고서는 캠(하이캠샤프트)만 뺀 N/A 풀튠!(...) 이라고 서슴없이 이야기 하는데, 그러지 말자. 캠이 빠진 N/A 튜닝이면 결국 흡기와 배기만 했다는 소리인데, 흡기와 배기는 과급기나, 연소실 체적변경에 동반 베이스 작업에 더 가깝다.
마력이나 토크만 따졌을때는 자연흡기로 튜닝을 하느니 순정 터보 모델이 있으면 그걸 사는 게 이득이다. N/A의 장점은 리스폰스와 낭만에 있다고 위에 써 놓았던 것은 이런 이유에서다. 현재 추세는 압축공기나 모터를 이용해서 터보렉을 최대한 줄이거나 없애는 방식으로 간다. 그렇다 해도 자연흡기 자체는 유지관리가 과급기 차량에 비해 상대적으로 쉽다는 것과 더불어 아직은 리니어한 세팅을 볼 수 있다는 점이다.
[1] 터보차저나 슈퍼차저. 터보차저가 달려있다면 '푸슈슈~' 하는 소리가, 슈퍼차저가 달려있다면 '위이이~' 소리가 난다.[2] 주로 911 GT3 모델에 탑재된다.[3] 맥라렌 F1이 가장 빠른 차 10위이지만 이건 터보차저를 얹은 차들을 포함하며 자연흡기 중에서는 굳건히 1위를 지키고 있다.[4] 파가니 와이라의 6.0L V12 벤츠 AMG 엔진이 트윈터보를 사용했음에도 불구하고 730마력을 발휘하는 것에 비하면 얼마나 대단한 건지 알 수 있다. 물론 벤츠는 엔진 마력에 제한을 걸어두기에 맘만 먹으면 850마력은 기본으로 뽑을 수 있다. 물론 이는 엔진 세팅을 다르게 할 경우 더 높아질수 있으며, 예로 제네시스 쿠페 페이스리프트 3.8L V6 자연흡기 모델을 미국의 튜닝업체 리스밀란에서 트윈터보를 달아 무려 '''1000마력'''으로 개조하기도 했다.[5] 현재의 디젤 자동차는 거의 모든 차량에 터보차저가 붙는다. 평범한 디젤 차량에 인터쿨러 같은 것이 붙는 것이 이러한 이유. 터보를 달지 않으면 그 엄청난 배기가스 규제를 통과하는게 불가능에 가깝고 설사 통과하더라도 엔진 성능은... 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.[6] 터보 엔진의 약점인 터보랙이 없다는 것. 단, F1 정도의 최상의 레이싱 카테고리에서 쓰이는 터보 엔진의 반응성은 자연흡기와 비교해 차이가 없다.[7] 물론 가끔 클리셰를 뒤집어 카푸치노같이 극단적인 차량이 나오긴 하지만 별로 없다[8] 그 특수한 몇 기종도 터보차저가 아닌 수퍼차저 장착이다. [9] 달리 말하자면, S2000은 초보자들이 몰기가 대단히 어렵다.[10] 정확히는 에프터파이어라고 하는데, 대부분 백파이어라고 부른다. 참고로 백파이어와 에프터파이어의 차이는 백파이어는 흡기계통으로 역류해서 불이 나는것이고 애프터파이어라 배기계통으로 나오는 불이다.[11] 액셀러레이터 페달의 각도가 급격히 줄어든 경우 스로틀이 천천히 닫히게 하여 공연비를 진하지 않게 제어한다. 전자제어식 엔진은 모두 이렇게 제어를 하고있다.[12] NA튠이 힘든 근본 원인은 다음과 같다. 내연기관은 연료를 기화시켜 섞은 공기를 실린더에서 점화하여 폭발/팽창하는 것으로 힘을 얻는 구조인데, NA의 경우 흡입하는 공기량이 거의 고정이기(실제로는 여러 요인에 의해 변하지만, 너무 전문적이므로 고정이라 간주)때문에 사실상 최대치가 정해져 있기 때문이다. 따라서 터보의 경우 부스트압 조절로 손쉽게 흡입량을 늘릴 수 있는 것에 비해 비쌀 수밖에 없으며, 따라서 튜닝을 통해 NA엔진에서 가장 저렴하게 출력을 얻는 방법은 과급기를 장착(...)하는 것이다. 물론 장착하는 순간 NA엔진이 아니다. 그렇다면, 남는 것은 엔진 자체의 여러 효율을 올리는 것인데, 일반적으로 자동차 회사에서 대량생산하여 만든 엔진의 효율을 올리려면 제조사에서 설계 잘못으로 인한 문제를 수정하는 게 아닌 이상, 가성비가 말도 안 되게 망할 수밖에 없는 것이다. 본문의 튜닝 방법들 역시 대부분 엔진의 효율을 올리는 방법이며, 터보엔진의 경우도 같은 튜닝방법이 상당수 통용된다.[13] 순정제원에서는 의미가 없고, 오픈형 필터의 경우 저항이 적은만큼 필터링은 떨어진다. 문제는 정품필터라 하더라도 제품마다 필터링 편차가 큰편이며, 그중 아펙시의 제품은 국내에서 판매하지 않는다. 직수로 들여와 파는게 아니라면 모두 가품이다. 즉 오픈필터가 필요한 경우가 아니라면 필요없는 튜닝중 하나.[14] 일부는 방충망 정도로 때우기도 하지만 이러면 입자가 작은 이물질을 못 걸러내 엔진 수명을 깎아먹을 수도 있다.[15] 대부분 경량을 겸용해 알루미늄제품으로 나오는대 포니카에 들어가는 덩어리가공품들과 비교해보면 과거문제를 그대로 답습할 가능성이 많아보인다.[16] 절삭하는 경우 윤활이 제대로 되질않는다.[17] 엔진의 관성 모먼트가 줄어 엔진의 리스폰스가 빨라진다.[18] 속칭 깍두기 크랭크. 문제는 형상때문에 윤활기능이 떨어지게 되며 드라이섬프방식의 윤활이 없으면 지속적으로 데미지를 입는다.