자동차 배기튜닝 과연 믿을 수 있을까?

빠르고 원활하게 배출가스를 빼낸다.

어떤 일이든 평소에 많은 시간을 공들이면 언젠가는 그 빛을 볼 수 있다. 튜닝도 마찬가지이다. 튜닝이라고 하면, 어렵다고 생각하는 경향이 있다. 그러나 요즘의 튜닝은 손쉬운 그리고 가격대비 성능이 뛰어난 자동차 용품을 어셈블리로 교환하는 형식의 튜닝을 선호한다.

요즘 자동차 튜닝의 트랜드 중 하나인 배기튜닝을 예로 들 수 있다. 그러나 배기튜닝, 과연 가격대비 효과를 제대로 볼 수 있는 것일까?

앞의 의문을 해소하기 위해서는 자동차에서의 흡기와 배기관련 매커니즘을 이해 할 필요가 있다.

자동차에서 흡기와 배기의 흐름은 위의 그림과 같다.

외부의 공기를 실린더로 흡입하면서 적정량의 연료를 혼합하여 태운다. 이때 발생하는 힘으로 피스톤을 움직여 발생하는 힘을 변속기로 보낸다. 태우고 남은 가스 즉 배출가스를 배기 매니폴더를 거쳐 하나의 관으로 모아 촉매를 거처 배출가스에 포함된 공해오염물질을 제거한다. 이후 각 소음기와 레조레이터를 거쳐 배출가스를 배출하게 된다.

자동차와 배기의 흐름에서 좀 더 좁혀서 살펴보면 배기튜닝을 해야만 하는 답이 있다.

실린더 내에서 연소 후 잔압은 상당히 높다. 배기밸브가 열리는 순간 실린더에서 배기 매니폴드를 통해 배출하는 배출가스의 속도는 음속을 초과하며, 고온이다.

이 고온, 고압의 배출가스를 어떻게 하면 신속하게 배출하고, 새로운 공기와 연료를 혼합한 가스를 실린더 내로 끌어들일 수 있는가가 엔진성능향상의 큰 과제이다.

현재 양산되는 승용차의 배기 파이프는 배기 매니폴드에서부터 엔드까지 하나의 관을 통하여 이루어지고 있다. 이상적인 배기라인은 2개의 파이프라인을 이용하면 좋다. 그러나 제도와 비용 그리고 성능의 타협점이 현재의 배기파이프 라인이다.

자동차의 성능은 배기라인에서 걸리는 여러 단계의 장치구조물에 걸리는 부하만큼 연료소비량이 증가하고, 엔진의 출력이 감소하게 된다.

배기튜닝은 흡기와 배기의 기본 개념에서 “배기의 배출가스를 빠르고 원활하게 빼낼 수 없을까?” 하는 질문의 답들이라고 보면 된다. 그러면 많은 답 중에 정답은 무엇일까?

많은 배기튜닝의 답 중에 하나는 중간에 걸리는 모든 부하를 제거하면 된다. 그 예로 F1 경주의 포뮬러카에 배기라인을 들 수 있다. 그러나 현실에서는 어려움이 있다.

두 번째 답은 와류에 있다. 물론 와류를 사용함에도 설치 부위와 각각의 작동 범위 등에 한계를 나타낸다. 그러나 와류에 차량의 작동환경의 변화라는 변수를 대입한 가변와류를 사용하면 한계가 사라진다.

와류는 좀 더 빠른 흐름을 만든다. 그리고 단위 체적내의 밀도를 높인다. 또한 방향성을 유지하면서 한 점으로 이동한다. 이때 와류는 저항을 만나면 와류의 진행이 끝나면서 역방향에 대한 저항을 만들기도 한다.

결론적으로 와류를 어떻게 사용하느냐에 따라 도움이 되는 것은 확실하다. 그러나 장치 구조물의 형태와 와류를 어떻게 형성하느냐? 또는 어떤 위치에서 와류를 얼마만큼 발생시키는가에 대한 고찰이 바로 좋은 배기튜닝 제품을 결정한다.

제일 중요한 것은 자동차의 운행환경 변화에 맞게 와류를 형성 할 수 있는가에 대한 것이다. 이 가변기능이 없다면 와류장치는 한계를 만나게 될 것이다.

지금부터는 와류가 가져오는 효과를 자동차에서는 어떻게 판단해서 작동하는지 살펴보자.

배기측의 매니폴드에서 나온 배출가스는 촉매를 거쳐야한다. 이때 잠시 관로에 머물게 된다. 이때 산소센서는 배출가스내의 산소농도를 측정하여 ECU에 보낸다.

이때 산소센서는 배기가스에 포함된 산소의 양을 측정하여 인젝터의 연료 분사 시간을 제어하여 연료의 소비량을 결정한다. 이는 자동차의 이론 공연비 14.7:1에 가깝도록 조정하여 촉매의 정화율을 높이는 역할도 한다.

ECU는 산소센서의 신호값과 엔진의 RPM, 흡입공기량(AFS)의 신호, 가속페달의 작동 상태(TPS 드로틀 포지션 센서)의 작동 신호를 조합하여 최적의 값을 도출한다. 이것은 엔진이 저속이나 고속 등 변화되는 작동환경에 맞추어 이론 공연비에 가깝도록 실린더에 연료를 공급해서 최고의 효율을 낼 수 있도록 제어하는 값이다.

이론 공연비에 가깝게 제어가 되면, 엔진의 온도가 저하되고, 소음이 감소하고, 연비가 증가 한다. 그리고 가속응답성이 좋아지며, 매연이 감소한다.

결과적으로 미션의 변속시점의 결정을 제어하는 신호 TPS와 엔진 RPM, 차속센서의 신호 등에 변화가 생겨 미션의 변속시점이 변하게 된다.

이상이 배기튜닝에서 와류를 응용했을때 가져올 수 있는 가장 중요한 결과다. 배기튜닝의 제품들이 결코 효과가 없는 것은 아니다. 단지 각 제품마다 효과를 볼 수 있는 영역이 다르고 제품마다 고객이 느끼는 체감의 효과 즉 가격대비 성능의 효율이 다를 뿐이다.

그럼 와류를 어떻게 발생시키고 어디에 위치하며, 어떤 구조물로 제작됐을때 최상의 효과를 내는지는 각 제조회사마다 가져야 할 숙제이다.

배기튜닝 및 흡기 튜닝에 와류를 응용한 제품들은 소비자의 체감 효과 즉 가성비가 높은 제품이 시장에서 살아남을 수 있을 것이다.

손진석 기자