자동차 출력(마력)과 RPM(엔진 회전수), 토크(Torque)의 관계와 정의

자동차 구매를 위해 성능을 보거나 혹은 자동차 성능과 관련된 공부를 할때면 출력, RPM, 토크 등과 같은 용어들을 가장 먼저 접하게 됩니다.

공학적인 지식이 없는 경우 이런 전문적인(?) 용어들과 맞닥뜨렸을때 뇌의 생각 기능이 순간 멈추게 되고 두려움 부터 생기게 됩니다. 저 역시 공학을 전공을 했어도 처음 이것들을 접했을때 그냥 단순히 '출력이고 토크고 그냥 높으면 좋은거 아닌가?' 라는 생각을 했었습니다.

오늘은 이런 자동차의 성능과 관련된 엔진의 출력(마력), RPM(엔진 분당 회전수), 토크(돌림힘)에 대해 쉽게 설명을 드리고 그 관계들에 대해서 알아보겠습니다.

1. 토크(Torque)란 무엇인가?

토크란 돌림힘, 말그대로 돌리는 힘을 의미합니다. 즉 모터나 엔진과 같은 회전운동을 하는 운동원이 있으면 얼마만큼 센 힘으로 물체를 돌릴 수 있느냐 하는 말입니다.

모터의 토크가 약하면 무거운 물체를 돌리지 못할 것이지만, 모터의 토크가 강하면 무거운 물체를 쉽게 돌릴 수 있습니다. 토크의 단위로는 N·m가 사용이 됩니다. 토크를 쉽게 이해하기 위해선 시소를 떠올리시면 됩니다.

위의 그림과 같이 중간에 모터가 있는 시소가 있고, 1m 떨어진 곳에 10kg의 물체가 있다고 생각해 봅시다. 가운데 돌림점으로 부터 물체로 인한 토크를 계산해 보겠습니다.

1. 물체가 가지는 힘: 10kgf=10kg x 중력가속도(9.8≒약10)=100N

2. 가운데 점으로 부터의 거리 1m

모터를 작동시켜 이 물체와 평형을 이루기 위해서 필요한 모터의 토크는100N x 1m = 100N·m 가 됩니다.

복잡한 수식은 차치하고서라도 토크=돌리는 힘! 이정도는 꼭 기억을 해 주시면 됩니다.

자동차에서의 토크는 엔진의 힘 즉 가동차의 가속력을 의미하게 됩니다. 자동차의 토크가 높으면 그만큼 가속성능이 좋아지게 되는 것이죠. 이때, 토크가 높다고 엔진의 속도가 빠른 것과는 조금 다른 이야기가 됩니다. 가속력은 속도가 빨라지는 기울기를 의미를 하기 때문입니다. 흔히 말하는 정지 상태에서 100km/h가 되는 제로백 시간이 짧을 수록 출발할때의 가속력 즉 엔진 토크가 좋다고 보시면 되겠습니다.

2. 엔진 RPM(Revolution Per Minute)이란?

자동차 운전석에 앉으면 제일 먼저 눈에 들어오는 것이 바로 핸들이랑 그 너머의 대시보드 입니다. 스타일리쉬한 대시보는 운전을 할때의 감성을 더욱 높여주죠. 이런 대시보드의 속도계 옆에 위치하고 있는 계기판 바로 RPM 계기판입니다.

RPM은 Revolution Per Minute의 약자로, 엔진 내부의 연소 작용을 거쳐 최종적으로 회전 운동으로 출력이 되는 엔진 크랭크 축의 분당 회전수를 나타내는 수치입니다.

간단히 예를들어 위의 사진에서 현재 RPM이 약 600입니다. 이는 엔진이 분당 600번을 회전을 한다는 뜻으로 600Rev/min = 10Rev/sec 로 나타낼 수가 있습니다.

계기판의 속도가 0인것으로 보아 단순 시동만 건 공회전 상태인데 초당 10번을 돈다니 놀라운 회전 속도입니다.

가솔린 자동차의 경우 속력을 낼 때 순간적으로 4~5천 RPM 까지도 RPM이 올라가게 되는데 이때는 초당 무려 83번을 회전한다는 것이니 얼마나 엔진과 피스톤이 빠르게 움직이는지를 대충 가늠해 볼 수 있겠습니다.

3. 자동차의 출력(마력)이란?

우리가 자동차를 말하다 보면 '마력(馬力)이라는 단어를 쉽게 접할 수 있는데 이 마력이 바로 출력 입니다.

마력에 대해서는 HP, ps의 단위가 있으며, 자세한 사항은 아래의 링크을 참조해 주시기 바랍니다.

▶자동차 마력에 대해서 자세히 알아보기(바로가기)

자동차의 출력이란 쉽게말해 단위 시간당 자동차가 할 수 있는 일을 의미합니다. 즉 자동차의 일률이라고 할 수 있으며 보통 (kW)단위로 표기가 됩니다.

이때 kW에 대해 좀 더 직관적인 이해를 돕기 위해 조금의 설명을 해 보겠습니다.

일률의 단위인 와트(W)는 0.1kg물체(중력 가속도를 곱하면 약 1N)를 1초에 1m 움직일 수 있는 힘이며 단위는 N·m/sec입니다. 따라서 kW의 경우 1kW=1000W가 됨으로 약 100kg의 물체를 1초에 1m를 움직일 수 있는 힘이 됩니다.

마력과 비교를 해보자면 1kW=1.34HP=1.36ps가 됩니다.

(HP, ps는 마력의 단위로 상세 설명은 위쪽의 링크를 참고해주세요.)

자동차에서 출력이 높다는 것은 바로 단위 시간당 많은 일 즉, 많은 거리를 간다는 것입니다.

쉽게 말하면 출력(마력)이 높을수록 빠른 스피드를 낼 수 있습니다.

4. 출력과 RPM, 토크의 관계

위에서 토크, RPM, 출력에 대해서 각각의 정의를 알아보았습니다. 그렇다면 자동차에서 출력, RPM, 토크간의 관계에 대해서 말씀 드리겠습니다.

간단하게 말하자면 출력은 토크와 RPM의 곱이라고 생각을 하시면 됩니다. 그 이유는 각 성분의 단위에 있습니다.

ㆍ출력의 단위: N·m/sec

ㆍ토크의 단위: N·m

ㆍRPM의 단위:  Rev/sec(회전체의 속도의 개념)

따라서 출력이 높아지기 위해서는 토크 또는 RPM이 높아져야 합니다. 그렇다면 자동차 토크를 일정하게 두고 RPM을 높이면 높일수록 최고의 출력이 나오는게 아닐까 생각할 수가 있습니다.

하지만 실제의 엔진의 구동에 있어서 RPM이 증가하게 되면 피스톤과 실린더간의 마찰, 엔진의 흡기 배기 밸브타이밍, 엔진 실린더 블록 과열 등에 의해 물리적으로 무작정 RPM을 올리는 것은 불가능한 일입니다.

따라서 각 자동차 회사들은 다이나모 시험을 통해 자신의 엔진에 대하여 실험을 통해 엔진 출력 곡선을 얻게 됩니다.

위의 그래프가 실제 시험을 통해 얻어진 엔진 출력 곡선입니다.(인피니티, M37)

밑의 X축이 RPM으로 RPM을 높여 가며 토크(파란색 곡선), 출력(주황색 곡선)의 변화를 기록한 것입니다. RPM 구간별로 엔진 출력 곡선을 살펴보겠습니다.

■RPM 3000~6500구간

파란색 곡선인 토크가 급격한 기울기 변화없이 비교적 동일한 값을 나타내고 있습니다. 따라서 RPM이 증가할 수록 주황색곡선 출력이 RPM에 비례해서 증가를 하는 것을 볼 수 있습니다. 즉 RPM이 6500구간 까지는 자동차가 안정적으로 출력을 높일 수 있다는 것을 의미합니다.

■RPM 6500이상 구간

하지만 RPM이 6500 이상이 넘어가게 되면 위에서 언급한 마찰, 열, 밸브 타이밍 등 여러가지 요소들에 의해 토크가 점점 떨어지게 됩니다. 따라서 RPM은 올라가도 출력이 더 이상 증가하지 않는 것을 볼 수 있습니다. 

이 곡선을 통해 인피니티, M37의 경우 최대 토크는 엔진 RPM 4500에서, 최대 출력은 6600에서 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 이렇듯 각각의 엔진마다의 특성이 다르기 때문에 자신의 차에 탑재된 엔진의 특성을 파악하고 그에 맞게 운전을 해 준다면 더욱 효율적인 드라이빙을 즐기실 수 있습니다.

이렇게 이번 포스팅에서는 자동차의 엔진 성능에 중요한 출력, RPM, 토크에 대해서 알아보고 서로의 관계에 대해 살펴보았습니다. 다음번 포스팅에서는 이런 지식을 활용해 실제 차를 구매할때 어떻게 성능을 고려하는지에 대해 포스팅을 하도록 하겠습니다.

정보가 유용하셨다면 공감 꾸욱 부탁 드립니다^^ 큰 힘이 된답니다~!

-감사합니다. Fin.