자연흡기

• 상위 항목 : 엔진

자동차나 비행기등에 쓰이는 내연기관의 흡기 방식중 하나.

NA라고도 한다(Natural - Aspiration의 약자).
터보나 슈퍼차저의 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 동결중이었지만(..) 2014년부터 포뮬러 1에서 터보가 부활했다.

보통 페라리의 자연흡기 기술력을 세계 최고로 치며 포르쉐가 그 다음을 잇고 있다. 예로 페라리 FXX-K에 장착되는 6262CC V12 자연흡기 엔진은, 아무런 과급장치 없이 무려 860마력이라는 괴력을 뿜어내며, 리터당 137마력이라는 후덜덜한 성능을 보여준다. 이는 양산형 자연흡기 엔진으로는 현재 세계 최고 기록이다.

1 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.

• 반응이 좋다 : 밟는 대로 반응이 나온다. (터보 엔진의 약점인 터보랙이 없다.) 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 이니셜 D등 자동차 만화의 클리셰. 특히 이니셜D에선 AE86 자체가 이런 특성과 타쿠미의 운전 실력과 합쳐져 바르고 다니는 내용.

• 낭만적이다(...) : 머슬카의 크고 아름다운 엔진이 주는 토크감, S2000같은 고회전 엔진의 쥐어짜는 맛 같은 것을 느낄 수 있다. 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. 코너링등을 위해 RPM을 급격히 낮출 때 순간적으로 진해진 공연비로 인해 엔진속의 잔존연료가 배기파이프로 넘어가버리기도 하는데, 이때 배기파이프는 뜨거우므로 연료에 불이 붙게 되어 멋진불꽃쇼!!부스터다!! 불꽃이 일어나기도 한다. 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.

2 단점

• 엔진 다운사이징에 불리하다 : 출력을 늘리고 싶다면 배기량을 키워야 한다. 배기량을 키우면 연비가 떨어지고 배출가스 규제 극복이 힘들어진다.

• 마력이 높게 나오게 세팅을 하면 보통 저rpm 토크가 줄어든다. 즉, 스포츠드라이빙 세팅을 하면 실용적이지 않다. 그런데 애초에 풀악셀 치면서 쏘고 다닐거면서 실용성을 찾는 거 부터가 에러다.

• 제대로 튜닝하다 보면 돈이 밑도 끝도 없이 들어간다 : 후술함.

3 NA튠

자연흡기 상태로 출력을 획기적으로 높이는 것은 매우 힘들다. 터보일경우엔 터빈 사이즈를 늘이거나 부스트 압력을 늘려주는것 만으로 출력이 증가하지만, 자연흡기의 경우엔 여러 가지 방법을 써서 조금씩 조금씩 출력을 높여야 한다. 이런 식으로.#링크

16bit ECU를 장착한 차량들은 간단한 흡배기정도로도 출력이 올라갔으나, 날이갈수록 강화되는 배기가스 규정과 더불어, 일개 튜너는 시도도 못하는 메이커들의 끊임없는 슈퍼컴퓨터 해석/질과 양의 비교를 거부할정도의 실험으로 인한 상향 평준화된 효율적인 순정엔진 하드웨어 설계실력덕분에 32bit 이상의 ECU를 장착하는 차량들은 어설픈 흡배기 튜닝 정도로는 오히려 순정보다 출력이 떨어질때가 더 많다. 아래 후술하는 내용중에 세미튠 이상은 가줘야지 효과가 나온다.갈수록 튜닝이 어려워진다.

링크의 내용을 요약하고, 기존의 서술 내용을 보존하는 방향으로 정리를 하면 다음과 같다.

• 흡배기 최근의 차량은 이정도론 잘 안먹힌다
  • 흡기 필터 교체 : 흡기 저항을 줄인다.
  • 배기 라인 교체 : 배기가스 배출이 원활해 진다. 다만 저속에선 토크가 떨어지기도 하는데, 저회전의 경우 배기가스가 잘 배출이 안되는 이른바 배기저항이 오히려 엔진 회전력에 도움을 주는 경우도 있기 때문. 무턱대고 바꾼다면 결과적으로 최대출력 자체는 올라가게 되지만 플랫한 토크 성향이 바뀌어서 오히려 불편 할 수 도 있다. 이러한 특성 때문에 배기저항을 적절히 변화 시킬 수 있는 가변배기라인 또한 존재 한다.
    • 배기 매니폴드 교체 : 배기가스 배출이 원활해 지면서 출력이 조금 올라 갈 수 있다. 더불어 재질에 따라 경량화의 효과도 있다.
    • 머플러 교체 : 배기가스 배출이 원활해지면 출력 향상에 조금 도움이 된다 카더라. 다만 원활해지는 만큼 소음이 커지고 배기가스에 유해물질이 많아질 것이며, 따로 ECU매핑을 하지 않는 이상 출력이 떨어질 가능성도 있다.
    • 촉매를 스포츠 촉매로 교체

• "세미튠"
  • 흡배기 캠을 하이캠으로 교체 : 흡기 캠을 하이캠으로 바꾸면 고rpm에서도 많은 공기를 빨아들일 수 있다. 배기 캠까지 하이캠으로 바꾸면 출력은 더 높아진다. 이제 본격적으로 고rpm에서 제 힘을 발휘하는 세팅으로 간다. ECU매핑은 선택이 아닌 필수. 결과적으로 불법 튜닝이 될 가능성도 그만큼 높아진다.
  • 가변 캠 스프라켓(끝판으로 갈경우, 다시 탈거.)
  • 순정 서지탱크를 에어램 서지탱크로 교체
  • 순정 쓰로틀을 빅 보어 쓰로틀로 교체

• (어느정도 큰소리 나는 고급 NA튠)
  • 헤드 내벽 포팅 : 대부분의 양산차는 비용문제로 인해 울퉁불퉁한 주물제를 그냥 사용하는데, 이걸 일일이 갈아서 매끈하게 해주는 작업이다. 흡배기 저항이 줄어든다.
  • 압축비 높이기 : 출력을 올리는 좋은 방법이지만, 엔진이 한방에 훅 갈 위험도 그만큼 높다.
  • 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 등 경량화된 부품으로 교체한다.
  • 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(현장용어로는 깍두기 크랭크라함)
  • 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 2000rpm이상임)
  • 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.

이쯤되면 엔진 제작에만 3억이 넘는 돈이 들어간다. 참고로 이렇게 튜닝한 과거 국산 GT1 클래스의 경주차(베이스는 현대 쎄타엔진)의 경우, 2000cc에 휠출력 320마력이 나왔다. 엔진 한개 온전히 만드는동안 블럭과 헤드를 3~4개쯤 대수롭지 않게 날려먹어야 하는건 덤. 튜닝에 갓 입문한 사람들의 경우, 용감하게 흡배기정도만 해놓고서는 캠(하이캠샤프트)만 뺀 N/A 풀튠!(...) 이라고 서슴없이 이야기 하는데, 그러지 말자.

링크한 글에 의하면 흡배기 풀 상태에서 순정+15마력, 흡배기 풀+세미튠 상태에서 순정+30마력, 흡배기 풀+세미튠+어느정도 고급수준의 NA튠 상태에서 순정+50마력 정도를 기대할 수 있는 것 같다. 블로그의 필자가 2000cc급 엔진이 장착된 S2000을 소유했다는 점을 감안하여 2012년형 현대 쏘나타에 대입해 보면 순정 휠마력 133(#참고), 흡배기에서 휠마력 148(+11.3%), 세미튠에서 휠마력 163(+22.6%), 어느정도 고급의 NA튠에서 휠마력 183(+37.6%)정도 나올 거라는 얘기가 된다.

그런데 여기서 2012년형 쏘나타 터보를 보면 엔진마력이 271이다. NA버전과 구동계 손실 비율이 같다고 가정했을 때 쏘나타 터보의 예상 휠마력은 211정도. 문제는 이 211마력을 320마력으로 올리는데 있어서, 쏘나타 터보의 경우, 윗부분 서술내용에 나온 쎄타 N/A엔진을 320마력으로 만들때 들어가는 돈인 3억은 커녕, 3000만원도 안든다. 고작 300만원정도로 인터쿨러와 ECU리맵핑만 한다면 끝. 마력이나 토크만 따져봤을 때 자연흡기 모델 사서 NA튠 하느니 순정 터보 모델 있으면 그거 사는 게 이득이다. 정말로(...) NA의 장점은 리스폰스와 낭만에 있다고 위에 써 놓았던 것은 이런 이유에서다.