일본의 초기 엔진과 재미있는 튜닝법

제2차대전 후 일본의 자동차생산은 미극동군사령부(GHQ)의 엄격한 규제를 받았다. GHQ가 내린 승용차 생산제한이 완전히 풀린 것은 1949년 10월. 따라서 일본 자동차 메이커는 이때부터 본격적인 승용차 제조·판매 계획을 세우고 생산준비에 들어갔다.

닛산, 토요타, 이스즈, 히노, 프린스(뒷날 닛산에 합병) 등이 자동차 만들기에 앞장섰다. 생산계획과 기본자세는 메이커에 따라 달랐다. 토요타와 프린스는 자주개발을 원칙으로 삼았다. 닛산은 영국 오스틴, 이스즈는 힐만, 히노는 프랑스 르노의 기술을 도입해 승용차를 만들기로 했다. 당시 유럽에서 호평을 받던 양산차 기술을 도입하기 때문에 일본에서도 승용차의 완성도가 높다는 평가를 받았다.

프린스자동차는 후지정밀공업과 함께 엔진을 개발했다. 이때부터 승용차 엔진생산이 본격화 되었다. 특히 63년 스즈카 서킷에서 제1회 일본 그랑프리 자동차 레이스가 열린 이후 오늘까지 눈부신 기술발전이 있었다. 2차대전이 끝난 뒤 50년대 초기까지 자가용 승용차는 극히 적었다.

초기 엔진의 문제점과 튜닝법

당시 일본에서 만든 기술도입 엔진은 어느 메이커나 소형차용으로 상한이 1,500cc였다. 프랑스 르노는 748cc, 영국의 힐만은 1,390cc였다. 그때 일본에서는 자동차 엔진이라 해도 트럭, 영업승용차, 자가용차를 따로 떼어 생각하지 않았다. 같은 엔진을 어느 차에 쓰든 상관없다고 생각했다. 자체 개발한 토요타와 프린스도 마찬가지였다.
자주개발형 엔진을 얹은 자동차도 시장에 나와 실용화 단계에 들어갔다. 하지만 몇 가지 문제점이 드러났다. 승용차와 트럭을 가리지 않고 문제점이 나왔지만 주행거리가 긴 택시가 가장 문제였다. 직업운전수가 몰고 다니고 대당 수입이 영업에 중요한 만큼 문제점을 빨리 정확하게 집어냈다.

먼저 공통된 문제점 하나를 들어보자. 요즘 독자들은 전혀 믿지 않을 사실이다. 당시 택시 엔진은 으레 한 달에 한 번 실린더를 보링해 피스턴과 피스턴 링을 좀 더 큰 것으로 바꾸었다. 택시의 한 달 주행거리는 약 8,500∼1만km였다. 자가용은 대체로 한 해 약 1만km를 달리면 한 번 정도는 실린더를 보링 해줘야 했다. 따라서 거리에는 보링을 주로 하는 정비공장이 즐비했다. 보유대수가 많은 택시회사는 자체 정비공장에 보링기기를 설치하기도 했다. 지금으로서는 상상조차 할 수 없는 일이었다.

몇 번이나 실린더를 보링해 한계에 다다르면 얇은 라이너를 넣어 지름이 처음과 같도록 실린더를 복원하기도 했다. 수리방법 탓에 새로 나오는 보급부품 또는 일종의 튜닝부품은 크기가 다른 피스턴, 피스턴 링과 피스턴 라이너가 주류를 이루었다. 당시 보급된 부품 가운데 가장 많이 팔린 것이 피스턴 링이었다. 수리비용이 가장 싸게 먹히기 때문이었다.

그러면 당시 그처럼 자주 보링을 해야 했던 이유가 궁금해진다. 실린더가 닳는 원인은 부식이 일어나고 이물(주로 비포장도로의 흙먼지)이 들어오는 것이었다. 휘발유 옥탄가를 높이는 첨가제인 납화합물이 연소한 뒤 실린더 헤드 안의 배기밸브, 밸브시트, 점화 플러그에 쌓이기도 했다. 그러면 배기밸브와 시트의 기밀도를 낮추어 고온 가스가 밖으로 새고 배기밸브가 손상되는 경우도 많았다. 항공기 엔진은 정기적으로 완전 분해하는 오버홀을 했기 때문에 이런 고장은 일어나지 않았다. 하지만 자동차는 오버홀하는 관례가 없어 부분 손질을 자주했다. 연료에 4에틸납을 첨가하는 한 세계 어디서나 똑같은 문제가 일어나게 마련이었다.

영국의 4에틸납 제조회사인 영국 에틸사는 밸브 정비기술 팜플렛을 들고 자동차 메이커가 있는 곳이면 세계 어느 나라든 찾아다녔다. 배기밸브의 정기정비가 얼마나 중요한가를 설명하고 다녔다는 것이다. 4에틸납이 타면서 나온 물질은 실린더 안에 쌓여 연소실 부피를 줄인다. 따라서 엔진이 요구하는 옥탄가를 높여 점화시점에 이상이 일어났다. 이처럼 쌓인 물질은 어느 두께에 도달하면 저절로 벗겨지고 떨어져 나간다. 또 점화 플러그 전극을 부식시키거나 전기 절연성을 떨어드렸다.

연료와 엔진의 상관관계

휘발유 엔진은 공기와 뒤섞인 가연성 연료를 실린더 안으로 받아들여 태워서 힘을 낸다. 따라서 공기 중에서 기화하기 높기보다는 발화온도를 낮출 수 있는 연료가 있어야 한다. 자동차 연료는 원유의 증류온도에 따라 몇 가지로 갈라진다. 불꽃 점화 엔진에는 휘발유라는 저온 분류, 디젤 엔진은 종류에 따라 고온 분류한 경유 또는 중유가 쓰인다. 엔진 연료인 휘발유, 경유와 중유에는 그밖에도 여러 가지 특성이 있어야 한다. 그리고 엔진에 따라 적합한 성분을 조합해 만든다.

휘발유, 경유와 중유를 안전면에서 비교해보자. 연료와 공기가 섞인 혼합기를 불꽃점화하는 경우에 사고가 제일 많이 난다. 정전기 불꽃과 고체충격 불꽃 가운데 어느 쪽을 사용하든 위험하기는 마찬가지다. 안전성이 특히 중시되는 선박은 주로 디젤을 쓴다. 증발가스를 배출해 대기를 오염시키는 것은 휘발유 엔진뿐이다. 따라서 연료탱크, 기화기, 크랭크 케이스에서 가스가 새나오지 않도록 단단히 밀폐해야 한다.

여기서 휘발유와 디젤의 차이점을 간단히 설명하기로 한다. 휘발유 엔진의 배기관에서 나오는 대기오염 물질은 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)의 3종이다. 그리고 혼합비가 이론공연비보다 짙은가 옅은가에 따라 배출농도가 달라진다. 이 유해가스 또는 물질은 이론공연비와 혼합비를 이용하는 촉매법으로 HC와 CO는 산화시키고 NOx는 환원처리 한다. 방출량은 미국의 머스키법에 적합한 수준이어야만 선진 국제시장에 진출할 수 있다.

한편 디젤 엔진은 농도가 옅은 혼합기만을 사용한다. 따라서 HC와 CO는 적으나 NOx가 상당한(그래도 휘발유 엔진보다는 적게) 나온다. 디젤 엔진은 산화작용만을 하기 때문에 휘발유 엔진과는 달리 NOx를 환원할 수 없다. 결국 실린더 안의 연소방식을 개량해 NOx를 줄여야 한다는 것이 휘발유 엔진과는 다른 점이다. 크랭크 케이스에서 새나오는 가스도 다르다. 피스턴과 실린더 사이에서 새어나오는 가스여서 휘발유 엔진의 경우 연소되지 않은 혼합기가 많다. 반면 디젤 엔진은 공기가 많기 때문에 문제가 크지 않다.