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바람을 다스려라! 연비와 성능 다 잡는 자동차 공기역학의 비밀!

작성일2020.01.02

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작성자 : 기자단

1. 공기역학이 뭐지?


▲ 차량의 공기저항을 테스트하고 있는 모습 (출처: HMG저널)
▲ 차량의 공기저항을 테스트하고 있는 모습 (출처: HMG저널)

21세기 자동차 디자인에 있어서 빠질 수 없는 요소 중 하나가 바로 공기역학입니다. 공기역학의 사전적 정의는 ‘유체역학의 한 부문으로, 음속과 기류의 속도의 비율에 따라 공기의 압축성을 고려하여 연구하는 학문’ 입니다. 쉽게 이야기하면 공기의 흐름을 연구하는 학문이죠. 그렇다면 자동차를 연구하는데 공기의 흐름이 왜 중요한 걸까요? 공기의 흐름이 자동차의 연비, 성능과 밀접한 관계가 있기 때문입니다. 조금 더 자세히 알아볼까요?


2. 연료효율과 떼려야 뗄 수 없는 공기역학


과거에는 고장없이 오래가는 엔진을 만드는 것이 가장 중요한 문제였기 때문에 자동차를 디자인할 때, 공기역학을 크게 고려하지 않았습니다. 하지만 1970년대 석유 파동 이후, 연료 효율에 대한 관심이 늘어났고 효율을 높이기 위한 공기역학, 즉 공기저항과 관련한 연구가 점차 늘어났습니다. 공기저항을 줄여야만 차량운행 시 받는 부하가 줄어들고 같은 양의 연료를 사용해서 더 멀리 갈 수 있기 때문입니다. 이와 같은 연구들이 계속 이어진 결과, 오늘날엔 공기저항에 대한 연구가 자동차 디자인에서 가장 중요한 요소 중 하나로 자리잡았습니다.


▲ 공기저항이 고려된 디자인을 적용한 벨로스터 N (출처: HMG 저널)
▲ 공기저항이 고려된 디자인을 적용한 벨로스터 N (출처: HMG 저널)


3. 공기저항을 나타내는 숫자, 공기저항계수


자동차는 도로를 달릴 때, 타이어와 지면의 마찰력 뿐만 아니라 공기의 엄청난 압력을 견디며 앞으로 나아가는데, 이 힘이 바로 자동차 공기저항입니다. 따라서 공기저항을 줄여야만 차에 가해지는 압력을 줄여서 연비를 향상시킬 수 있는 것이죠. 공기저항 연구를 위해서는 차량이 달릴 때 얼마나 저항을 받는지 명확하게 비교하는 것이 필요했고, 이를 수치화한 것이 공기저항계수(Drag coefficient)입니다.


▲ 각진 디자인으로 인해 높은 공기저항계수를 갖고 있었던 현대자동차의 포니 (출처: HMG저널)
▲ 각진 디자인으로 인해 높은 공기저항계수를 갖고 있었던 현대자동차의 포니 (출처: HMG저널)

공기 저항계수는 0에서 1 사이의 값으로, 작을 수록 공기의 힘을 덜 받는다는 사실을 의미합니다. 즉, 자동차를 디자인하는 과정에서 공기저항계수를 작게 만들면 차가 받는 공기의 저항이 줄고, 에너지 소비를 줄여서 연비가 향상됩니다. 공기저항계수를 0.01만 줄여도 차의 무게를 40kg를 줄이는 효과가 있다고 알려져 있고, 수치가 낮을수록 최고속도, 조종안정성, 접지력도 향상된다고 알려져 있습니다.


▲ 매우 낮은 공기역학계수를 갖고 있는 현대자동차의 아이오닉 하이브리드 (출처: HMG저널)
▲ 매우 낮은 공기역학계수를 갖고 있는 현대자동차의 아이오닉 하이브리드 (출처: HMG저널)

실제로 과거의 각진 형태의 자동차와 현재의 유선형 자동차의 공기저항계수 차이는 큽니다. 현대자동차의 초기 모델인 포니의 공기저항계수는 0.41이었습니다. 각진 디자인의 자동차가 점차 사라지면서 자동차들의 공기저항 계수는 낮아졌고, 현재 싼타페의 공기저항계수는 SUV임에도 불구하고 0.337 (SUV는 차체 높이가 높고 세단에 비해 상대적으로 각진 형태를 갖기 때문에 공기저항을 많이 받습니다), 아이오닉 하이브리드의 경우 0.24까지 낮아졌습니다. 자동차 제조사에서는 연비에서 장점이 있다는 것을 드러내기 위해 신차가 나올 때, 공기저항계수를 강조하기도 합니다.


4. 공기저항을 줄여라! 공기저항을 줄이는 차량 속 장치들


공기 저항을 줄이기 위해 차량을 유선형으로 디자인하는 것 외에 별도 장치를 설치하기도 합니다. 대표적인 장치들은 다음과 같습니다.


▲ 벨로스터 N에 적용된 리어 스포일러 (출처:HMG저널)
▲ 벨로스터 N에 적용된 리어 스포일러 (출처:HMG저널)

스포일러 : 차체 뒤쪽에 부착되는 날개 모양의 장치입니다. 스포일러는 차체 뒤쪽에서 공기의 소용돌이가 생겨 차체를 뒤로 당기는 일이 생기지 않도록 공기 흐름을 흐트러뜨리는 역할을 합니다. 또한 공기 흐름을 바꾸면서 받는 압력으로 차체를 아래쪽으로 누르는 기능을 하여(다운포스형성) 고속 주행시 접지력을 높이기도 합니다.


▲ 벨로스터 N에 적용된 휠 에어커튼 (출처:HMG저널)
▲ 벨로스터 N에 적용된 휠 에어커튼 (출처:HMG저널)

에어커튼 : 자동차 주행 시 바퀴 주변에는 연비효율을 떨어뜨리는 난류가 형성됩니다. 자동차의 좌우 범퍼 하단에 있는 에어커튼은 이 난류를 휠 하우스로 들어오게 한 다음, 흐름을 바퀴 쪽으로 빼내어 연비효율에 악영향을 주는 난류를 줄이는 기능을 합니다. 또한, 공기가 바퀴 겉부분을 타고 퍼져 흐르게 함으로써 마치 휠 바깥쪽에 공기로 된 커튼을 치는 것과 같은 효과를 내기도 합니다. 에어 커튼이 있으면 없을 때보다 바퀴 주변 공기 흐름이 안정되어 연비와 주행안정성이 높아지는 효과를 볼 수 있습니다.


▲ 스팅어에 적용된 에어스쿠프 (앞 보닛 위) (출처:HMG저널)
▲ 스팅어에 적용된 에어스쿠프 (앞 보닛 위) (출처:HMG저널)

에어스쿠프 : 에어스쿠프는 터보차량에 많이 장착됩니다. 터보차량의 경우 엔진의 냉각 능력이 연비에 크게 관여합니다. 따라서 주로 차량 앞 보닛에 공기 흡입구를 설치하여 외부 공기가 유입될 수 있도록 하여 엔진을 냉각시키고 산소 농도를 높여 엔진의 힘과 연비 향상에 도움을 줍니다.

2019년 현재, 자동차 산업의 가장 중요한 화두 중 하나는 바로 ‘효율’로, 연료 효율이 높은 하이브리드 차량, 전기차, 수소연료전지 차량 등 친환경 차량이 보급화되고 있습니다. 효율 측면에서 어떤 연료를 사용하는지에 대한 것만큼 중요한 것이 차량의 디자인이고, 그 중심엔 공기역학이 있습니다. 다가올 미래에는 어떤 새로운 디자인과 장치들이 차량의 공기저항을 줄이는 역할을 하게 될 지 지켜보는 것도 흥미롭지 않을까요?


영현대19기 구동현 | 성균관대학교
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