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작성자  드기 날짜  2013-08-15 13:56:13
제목  연비에 대한 이해--퍼온 글
내용

연비에 대한 이해
파워 neubert   2008.01.16 22:32

지식인 질문내용중에 연비에 대한 오해 부분이 많아 오늘은 연비에 대해 정리를 해 보겠습니다.

일반인 들이 이해하기 쉽도록 최대한 평이한 용어를 많이 사용하였습니다. 읽으시다가 약간 어려운 부분이 있으시면, 그냥 그런소리인가보다 하고 넘어가셔도 별로 무리가 없으실 것입니다.



우리나라에서 공인연비를 측정하는 방법은 FTP75모드(우리나라는 CVS75모드라 부르지만 내용은 같음)라고 하는 표준시험모드를 사용하며, 시험실에서 샤시다이나모미터(Chassis Dynamometer)라는 시험 장치 위에서 실제 자동차를 시험모드대로 주행시험하여 얻은 결과입니다. 연비측정시 샤시다이나모 위에 차량을 올려 놓고 차가 움직이지 않도록 고정시킨 상태에서 바퀴만 굴러가도록 합니다. 이때 바퀴는 원통형 드럼을 돌리게 되고, 드럼에는 무거운 플라이휠이 달려 있으며, 차량에 따라 플라이휠의 무게를 달리하여 실제 차의 주행저항에 해당하는 힘을 바퀴에 걸어주게 되므로 실도로 상황과 비슷하다고 볼 수 있으며, 주행시 공기저항까지도 포함하게 되어 있습니다.



FTP75는 LA4모드를 변형하여 만들어 진것인데, LA4모드는 70년대 LA시가지를 달리는 것으로 가정하고 만든 모델로, 평균시속 31.4km,최고시속 98km를 기준으로 되어 있습니다. FTP75모드는, LA4모드를 주행한 후에 10분동안 시동을 끄고 있다가, LA4모드의 첫 505초 구간을 다시 주행하게 되어 있는 모드입니다.



각국의 연비 모드를 살펴보면 아래와 같습니다.


미국 : FTP75 Mode (Federal Test Procedure)

일본 : Japan10.15 Mode

유럽 : ECE+EUDE

대한민국 : CVS75(FTP75 Mode와 동일하나 명칭만 다르게 부름)

FTP75모드를 차량의 속도와 시간의 그래프로 그려보면 아래와 같습니다.

상기 그래프에서 볼 수 있듯이 차량의 가속, 감속이 적절히 포함되어 있는 시험모드 입니다. 비록, 미국의 LA 아침 교통 상황을 조사하여 표준화 한 것이라고는 하지만, 실제 운전자들의 시내 구간 주행하는 것을 조사하여 표준화 한 것이므로 의미가 있다고 하겠습니다.

그런데 실제 운전자들이 느끼는 자기차의 연비와 자동차 회사가 발표한 공인연비가 차이가 나서 의미가 없는 것으로 치부해 버리는 경향도 있습니다.

하지만, 자동차의 연비는 똑같은 차량을 같은 운전자가 동일 도로를 운전해도 도로상황이나 계절, 기온, 날씨상황 등에 따라 민감하게 변하게 됩니다. 즉, 주행 조건이 다르면 연비가 달라지게 됩니다. 따라서, 연비를 재현 가능하도록 측정해서 소비자에게 공표한다는 것이 매우 곤란한 항목중의 하나이며, 세계 여러나라에서 그나마 표준화 된 모드로서 인정하고 사용하고 있는 것 이므로 자기차의 연비와 전혀 상관 없는 것은 아니라는 것을 이해해야 합니다.

단, 시험실에서는 실제 소요되는 연료량을 측정하여 연비를 재지는 않습니다. 표준 연비 계산 방법은 Carbon balanced method 라고 하여, 특정한 모드(FTP75등)을 달리게 하고 이때 나오는 배출가스를 비닐봉투에 모은 후 이 포집된 가스를 분석하면 연비를 계산할 수 있습니다.

휘발유 1리터 속에 들어있는 카본의 양은 일정하며, 연소된 후에 카본의 양을 다시 합산하여 계산하면 몇 리터가 소모되었는지 양을 알아 낼 수 있기 때문에 사용되는 식입니다.

MPG = (gC / gal Fuel) / (g/mile C in Exhaust Gas)

        = 2421 / (0.9666 x HC + 0.429 x CO + 0.237 x CO2)

위식에서MPG 는 mile per gallon이며 HC, CO, CO2는 배출가스 시험 결과 얻어진 수치를 말합니다. 위식에서 얻어진 연비를 단위만 km/liter로 환산하여 사용합니다. 실제 짧은 거리를 주행하여 소모되는 연료량을 정확히 측정하는 것보다 상기식으로 계산하는 것이 오히려 오차도 적고 간편하여 사용하는 것입니다.

똑같은 자동차 인데, 상황에 따라 연비가 그렇게 다르다는 것이 이해가 가지 않으실 것입니다. 지금 부터 그 이유를 몇가지 살펴 보겠습니다.

기본적으로 차량연비에 최악인 경우가 가다 서다를 반복하는 것입니다.
일반적으로 차량이 정지해 있다가 움직이기 시작할 때에 가장 기름을 많이 소비합니다. 무거운 차량을 움직이기 위해서는 많은 힘이 들기 때문입니다. 과거 중고등 학교 시절에 "최대 정지 마찰력"을 배웠을 것입니다. 물체가 정지해있다가 움직이려 할 때 가장 큰 힘이 들고, 일단 움직이기 시작하면 적은 힘으로도 계속 움직이게 할 수 있는 것이지요.

그렇게 힘들게 움직인 차량을 다시 정지 시키면 재 출발시에 또 그만큼의 기름을 소비해야 하는 것입니다. 그래서, 시내 주행을 하면 기름이 많이 소비되는 것입니다. 이렇게 가다 서다를 반복하는 회수가 서로 다르므로 동일한 연비가 나오기 어려운 것입니다.

특히, 자동 변속기의 경우 엔진의 동력을 토크컨버터라는 것을 통해 변속기로 전달을 합니다.

위 그림의 A 부분이 토크컨버터이고, B 부분이 유성기어세트 입니다.

이 토크 컨버터는 일종의 유체클러치로서 날개가 달린 두개의 바퀴와 그 사이에 기름이 가득 차있습니다. 구동측 바퀴가 회전을 하면서 기름을 돌리면 반대편 날개가 따라 도는 형태로 동력이 전달이 됩니다.

초기 출발시에는 엔진의 회전수는 높고, 차량은 정지해 있는 상태로서 두 유체 바퀴사이에 미끄럼이 생기고 동력이 전달효율이 매우 낮습니다. 그래서, 더욱 더 많은 기름을 헛되이 소비하게 되지요. 그래서, 시내 주행을 하는 경우는 필연적으로 많은 기름을 소비하게 됩니다.

그러므로 가다서다가 많은 주행조건에서는 자동변속기가 수동에 비해 약 30~40% 더 많은 연료를 소모하게 됩니다. 유럽은 일찍부터 자동차를 사용해 왔지만, 아직도 자동변속기 보다는 수동변속기를 월등히 많이 사용하고 있는데 이유는 바로 유류비를 아끼기 위해서지요.

운전자의 운전습관에 따라서도 차이가 많이 납니다.

앞에서 소개한 FTP75 모드대로 시험을 하는데도, 시험자에 따라 연비가 다릅니다. 표준 모드에서 요구하는 속도대로 운전을 정확하게 한다는 것은 사실 좀 어렵습니다. 필연적으로 약간의 속도차이가 발생하게 됩니다. 그리고, 그 차이를 시험규격에서는 인정을 하고 있습니다. 그 허용 오차 범위내에서라도 모드대로 운전하기 위해서는 어느정도 숙련이 필요합니다. 그렇게 숙련된 기사들도 서로간에 차이가 납니다. 가속시 엑셀페달을 밟는 정도나 밟는 속도등이 모두 다르기 때문입니다. 조금 어려울지 모르겠지만, 엔진의 엑셀페달을 밟은 정도와 회전속도에 따른 연비곡선을 하나 보여 드리겠습니다.

상기 그림에서 위쪽에 파란색 부분이 연비 효율이 가장 좋은 부분임을 표시합니다.  이해하시려면 조금 어려우시 겠지만 2000~2800rpm 영역에서 연비효율이 좋구나 하는 것 정도 알아 두시면 될 것 같습니다. 쉬운 것으로 다시 보여드리지요.

위 그림은 전형적인 전부하(全負荷, full throttle, Wide Open Throttle) 엔진성능곡선입니다. 쉽게 말씀드리면, 엑셀페달을 끝까지 밟았을 때에 엔진 rpm별로 엔진이 낼 수 있는 최고 성능을 표시한 것입니다.

상기 그림에서 보라색 선이 시간당 연료소모량을 나타내는 것입니다. 즉, 위 그림에서는 엑셀페달을 끝까지 밟고 6000rpm으로 운전하면 한시간에 약 30리터의 연료가 소모됩니다. 따라서, 연료 소모를 줄일려면 엔진회전수를 가급적 낮게 운전하면 연료소비가 적다는 것을 이해하실 수 있을 것입니다.

분홍색 곡선은 연료소비효율을 나타냅니다. 좀더 공학적으로 풀어 설명드린다면, 한시간 동안 1kw의 출력을 내기 위해서 소모되는 연료량입니다. 위 그래프에서는 약 2000~2400rpm영역에서 연료소비율이 최저인 것을 알 수 있습니다. 즉, 같은 힘을 내면서도 연료를 가장 적게 쓰는 구간이라는 것입니다.

따라서, 기름 아끼기 위해 아주 살살 기어다닐 것이 아니라면, 엔진의 연료소비효율이 가장 좋은 구간에서 운전을 하는 것이 연비가 좋습니다.

또 다른 한가지 이유로는 엑셀페달을 밟는 정도가 다르기 때문입니다.

엑셀페달을 완전히 끝까지 밟았을 때를 전부하(全負荷, full throttle, Wide Open Throttle) 상태라고 하고, 조금 밟았을 때를 부분부하(部分負荷, part throttle)상태라고 합니다. 엑셀페달을 밟은 정도를 TPS(Throttle Position Sensor)가 감지를 하여 차마다 조금씩 다르기는 하지만 약 60%를 전후하여 전부하상태로 간주하고 많은 힘을 내기 위해 연료를 더 많이 공급합니다. 평소 부분부하에서는 안정된 연소를 위해 공기와 연료의 비를 14.7:1(이론공연비)로 ECU가 조절을 합니다. 이보다 연료를 더 많이 넣으면 연비는 나빠지나 엔진의 출력은 올라가는데 12:1 정도에서 최고 출력이 나오고 그보다 연료를 더 많이 넣으면 오히려 출력이 떨어집니다.  따라서, 급가속을 위해서 엑셀페달을 깊숙히 밟으면 ECU는 연비보다는 힘이 필요한 구간으로 생각하고 power enrich mode로 들어가면서 평소 공연비14.7:1로 유지하던 것을12:1 정도로 연료를 더 많이 넣게 됩니다. 그래서 연료 소비가 많아지는 것입니다.

또한, 같은 부분 부하상태에서는 같은 rpm이라도 페달을 적게 밟을 수록 힘은 줄어들지만 연비가 좋습니다.  

이렇게 엔진은 엑셀페달을 밟은 정도에 따라 연비와 출력이 모두 다르며, 모든 운전자가 똑같이 운전을 하는 것이 아니기에 연비는 운전할 때마다 조금씩 다르다고 이해를 하시면 됩니다.

따라서, 시험실의 전문 드라이버와 여러분이 운전하는 것이 다르고, 시험실에서 공인연비를 측정하는 주행 모드와 여러분 운전하는 도로의 운행조건이 다르므로 공인연비와 다르게 나올 수 있는 것입니다.

공인 연비와 다르지만, 재현하기 쉬운 것이 정속연비입니다. 우리가 고속도로를 일정 속도로 균일하게 주행한다고 가정했을 때에 얻어지는 연비가 정속연비입니다. 이 경우는 공인 연비에 비해 월등히 높게 나오므로 소비자에게 높은 연비로 광고하기에도 유리하지요. 하지만, 실제 시내 주행 연비에 비해 너무 차이가 많아 소비자 들로 부터 자동차 회사들이 연비를 사기치고 있다는 비난을 받아 곤경에 처한 적도 있었습니다.

과거 대우자동차가 누비라를 광고할 때에 한번 주유로 부산을 왕복하고도 기름이 남는다고 선전하고 실제 실현해 보이기도 했습니다.

이는 시속 80km의 속도로 정속주행을 했을 경우에만 가능한 것이지요. 실제로 시속 80km 정속 주행시의 연비는 약 20km/L 정도의 높은 연비를 보입니다.

여러분들도 만일 고속도로를 달릴 일이 있다면 시험을 해 보세요. 시속 100km로 가급적 정속주행을 하고, 앞이 트였어도 그냥 100km/h로 유지하면서 품위있게 운전해 보세요. 아마도 고속도로 톨비 정도의 기름값을 아끼실 수 있다는 것을 느끼시고 나면 놀라실 것입니다. 즉, 품위있게 정속운전하면 톨비가 공짜라고 생각하시면 정속운전하시는 것이 그다지 억울하지 않을 것입니다. 과속단속카메라 신경쓸일도 없고, 좋은 음악 들으며 편안한 드라이브를 즐기실 수 있을 것입니다.

이쯤에서, 많은 사람들이 공통적으로 궁굼해 하는 사항중의 하나인 엔진배기량과 연비와의 관계를 살펴 보겠습니다.

앞에서 엔진의 연료소비율 곡선(분홍색)을 보면 1000 rpm부근에서 서서히 연료 소비가 낮아 지다가 2000rpm 부근에서 최소값을 보이고 다시 높아지는 곡선을 보셨을 것입니다.

다시 말하면, 엔진은 약 2000 rpm 부근의 연비가 가장 우수합니다. 다시 쉬운말로 풀어 설명을 해 보면, 같은 마력을 얻기 위해 가장 적은 연료를 소비한다는 말입니다. 그래서, 차량에 적정한 크기의 엔진은 주된 주행 속도를 2000rpm정도로 운전할 수 있는 크기가 적당합니다. 우리나라는 시속 100km를 2000 rpm으로 주행가능한 엔진이 가장 적당한 크기라 할 수 있습니다.

하지만, 국내 차량의 경우 자동차세금 문제로 인해 배기량이 작은 엔진을 장착하므로 100km/h로 달릴때 2400~2800 rpm 정도 되지요. 그러면 연비가 떨어 집니다.

우리나라에서는 주로 2000cc엔진이 장착되는 중형차의 경우 미국은 2200cc가 많이 쓰이고, 독일은 2300~2400cc가 주로 사용됩니다. 배기량은 커지지만 오히려 우리나라 차보다 연비가 우수합니다.

BMW 325차량을 실제로 예를 들어 보면,

차량 크기는 우리나라 소나타나 토스카 등과 유사한 크기 입니다. 우리나라 차들이  2000cc 엔진을 사용한 것에 비해 2500cc엔진을 장착하고 있지요.

독일의 아우토반을 시속 170~180km로 달리면 우리나라 차는 연비가 13km/l 정도 밖에 나오지 않습니다. 하지만, BMW 325는 약 17km/l 정도 나오지요.

같은 이유로 아반테나 누비라 정도크기의 차량에 1500cc 엔진보다 1600cc엔진을 얹는 다면 시속 100키로로 달릴때 엔진 회전수가 2000에 가까워 지므로 더 연비가 좋아질 확률이 높습니다. 단, 이경우는 변속기와의 조화가 잘 이루어질 경우 입니다. 왜냐하면, 동일한 차에서 엔진만 바꾼다면 더 연비가 떨어집니다. 동일한 속도로 달릴때에 동일 rpm으로 운전이 되므로 배기량이 큰 엔진이 불리합니다.

그렇다고 CC가 높은 엔진이 무조건 좋은 것은 아닙니다. 차량의 주된 운행 조건에서 엔진의 회전수 영역이 2000~2200rpm정도가 될 정도면 적정한 배기량이라 할 수 있습니다. 그보다 배기량이 커지면 공회전시에 많은 연료를 소비하므로 나빠질 수도 있습니다.

차가 정지해 있다가 출발할 때에 많은 힘이 필요하고, 배기량이 적은 엔진은 그만큼 엑셀 페달을 깊이 밟아주어야 하며 그 만큼 연료를 더 많이 소모합니다.

신호대기나 막혀서 거의 정차해 있다 시피하여 조금씩 움직이는 그런 구간에서는 배기량이 큰 차량의 연료 소비가 훨씬 많습니다.

하지만, 정체구간이 아니라면 적정 배기량을 갖는 엔진을 장착한 차량이 연료소비가 적을 확률이 높습니다.

따라서, 배기량이 큰 차가 연비가 좋다 나쁘다는 것은 단편적으로 말씀드리기 어렵습니다. 어떤 주행모드로 운전하느냐에 따라 유리할 수도 불리할 수도 있습니다.

경제운전 하면 많이 나오는 말이 탄력운전인데…

속도를 줄여야 겠다는 판단이 들었을 때에 엑셀페달에서 바로 발을 떼고 서서히 속도를 줄여나가는 것을 탄력운전(coast down) 이라고 합니다. 이경우 엔진의 ECU는 운전자가 엑셀페달에서 발을 떼면 감속을 한다고 판단을 하여 더이상 엔진에 연료를 분사하지 않습니다. 즉, 연료 절감 모드로 가는 것이지요. 이때에는 차량의 탄력으로 엔진이 회전할 뿐 연료를 소모하지 않습니다. 그러다가 차속이 줄어들면서 엔진 회전수가 1600~1800rpm부근에 이르면 다시 연료분사를 시작합니다. 따라서, 경제운전이 가능한 것입니다.

단, 이때에 기어를 중립으로 놓거나 클러치를 밟으면 엔진이 정지하는 것을 막기 위해 다시 연료를 분사하므로 오히려 연비에는 좋지 않습니다.

연비를 정확히 측정하는 방법

연료를 주입시 가득 주입을 하고, 이때 주행기록계의 주행거리를 기록합니다. 혹은 구간기록계를 0으로 조정을 합니다. 측정하고자 하는 코스를 주행한 후 다시 연료를 가득 채웁니다. 이때 보충한 연료량으로 주행거리를 나누면 비교적 정확한 연비가 계산되지요.

흔히, 게이지 상의 눈금을 기준으로 계산을 하는 경우가 많은데 오차가 많을 수 있습니다. 그 이유로는 첫째, 눈금이 보통 5개 정도인데, 읽는 사람에 따라 오차가 커서 연비 산출을 하기란 쉽지가 않지요.

둘째, 다섯개의 눈금이 모두 같은 양이 아니라는 것입니다. 예를 들어 탱크 용량이 60리터 라면, 눈금 하나당 12리터씩 보여 준다면 눈금으로도 그 소모량을 짐작할 수 있겠지만, 불행히도 그렇지 못합니다. 눈금마다 다르다는 것이 한계입니다. 계기판의 눈금은 연료탱크내에 있는 뜨게에 의해 표시 됩니다. 즉, 연료의 높이를 게기판에 보여주는 것이지요. 그런데, 연료의 높이에 따라 연료 탱크의 형상이 달라서 정확히 일치하지 않는 경우가 더 많습니다. 따라서, 게기판의 레벨 차이로서 연비를 계산하는 것은 조금 무리가 있습니다.

이상의 내용을 이해하셨다면, 경제운전의 원리를 이해하실 수 있을 것입니다.

첫째, 급가속을 삼가하세요.

급가속을 위해서는 엑셀페달을 깊숙히 밟아야 하므로 연료를 많이 넣는 power enrich mode로 들어가면서 평소 14.7:1로 공기와 연료를 유지하는데(공연비), 12:1 정도로 연료를 더 많이 넣게 됩니다.

둘째, 필요이상 빨리 달리지 마세요.

공기의 저항은 속도의 제곱에 비례합니다. 따라서, 고속도로에서 100km로 정속주행하는 것에 비해 120km로 주행한다면 공기 저항을 이기기 위해 많은 힘이 필요해 지므로 연비는 10%이상 나빠집니다.

세째, 가급적 정속주행을 하세요.

무거운 차를 빠르게 가게 하기 위해서는 엔진이 많은 힘을 써야 합니다. 따라서 정속주행을 하는 것에 비해 가감속이 많은 주행을 하면 훨씬 기름을 많이 소모하게 됩니다. 또한, 정속주행시에는 엑셀페달 밟은 것을 조금 놓아줘도 속도가 떨어지지 않습니다. 너무 놓아주면 속도가 줄어들지만…  이렇게 속도가 줄어들지 않는 한도에서 가장 적게 엑셀페달을 밟고 정속주행하는 것이 가장 연비에 좋습니다.

네째, 차량의 무게를 줄이세요.

무게가 가벼울 수록 적은 동력으로 가속이 가능하므로 트렁크 내에 불필요한 물건을 싣고 다니는 것을 줄이시는 것이 유리합니다. 운전자 자신도 다이어트를 좀 해야 하나?


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