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안녕하세요. (차)에 대한 (차)이를 만드는 (차)차차 차기자입니다.

신차를 소개할 때마다 빠지지 않고 등장하는 단어가 있습니다. 바로 ‘공기저항계수’입니다. 공기저항계수의 정확한 용어는 '항력 계수(Drag Coefficient)’로 주행할 때 받는 공기 저항을 수치화한 'Cd'로 표기합니다. 자동차회사가 공기저항계수에 집착하는 이유는 효율 상승과 관련이 있기 때문입니다.


풍동시험실 [출처: 메르세데스-벤츠]

흰 연기의 정체는 파라핀계 오일을 태운 것이다 [출처: 메르세데스-벤츠]

Cd 0.01 감소하면 차체 40kg 감량 효과

자동차는 공기저항이 낮을수록 더 적은 힘으로도 주행이 가능하고 그만큼 연료를 절감할 수 있습니다. 일반적으로 항력 계수가 10% 낮아지면 고속 주행에서 연료 효율은 5%가 개선되죠. 자동차가 받는 공기저항은 생각보다 큽니다. 예컨대 벤츠 S클래스가 시속 120km로 주행하면 바퀴를 굴리는 저항보다 공기 저항이 네 배 크며, 이보다 두 배 빠른 속도에서는 여덟 배 증가합니다.


축소모형을 사용하면 풍동시험실이 크지 않아도 정확한 값을 계산할 수 있다 [출처: BMW]

또한 Cd값 0.01을 줄이면 차 무게 40㎏을 덜어냈을 때와 같은 연료 효율 개선 효과가 있으며, 0.02Cd를 줄이면 80㎏의 경량화 효과가 있습니다. 공기저항은 승차감에도 영향을 미칩니다. 공기저항이 크면 필연적으로 풍절음이 증가하게 되는데요. 그래서 이를 줄이기 위해 방음재를 대거 사용합니다. 결과적으로 차가 더 무거워지죠. 하지만 공기저항이 적은 차는 불필요한 차체 무게 증가 없이도 조용하고 안락한 승차 경험을 제공합니다.

후미에서 발생하는 와류를 살펴보고 있다 [출처: 메르세데스-벤츠]

이를 연구하는 관계자에 따르면 자동차 Cd값은 이론상 0.10까지 낮출 수 있다고 합니다. 하지만 이는 물고기에 바퀴를 달아놓은 아주 극단적인 형태라고 하네요. 꼬리의 면적이 0에 가까울수록 저항이 낮아지므로 트렁크가 존재하는 일반적인 양산차는 0.20Cd를 한계라 보고 있습니다. 현재 대형 세단 중 공기저항이 가장 적은 차는 벤츠 S300 블루텍 하이브리드로 0.23Cd에 불과합니다
 
공기저항 줄이려는 자동차회사의 노력

앞바퀴 휠하우스는 다양한 와류와 난기류가 생성된다 [출처: 메르세데스-벤츠]

공기저항을 가장 크게 받는 부분은 바로 앞바퀴 휠하우스입니다. 여러 방향에서 흘러들어온 공기가 휠하우스 안으로 모이며, 여기서 생성된 거대한 난기류가 측면으로 빠져나가기 때문입니다. 그다음은 A필러와 사이드미러인데요. 탑승자가 체감하는 주행 소음 대부분이 여기서 생겨납니다. 마지막은 자동차 전체의 공기 흐름을 마무리 짓는 차체 후미입니다. 지붕, 측면, 하부를 따라 흐르는 공기가 차 후미에서 만날 때 서로 간 속도 차이가 클수록 더 많은 직선형 난기류가 형성돼 공기 저항이 커집니다.

 
풍절음 대부분은 A필러와 사이드미러 근처에서 발생한다 [출처: 메르세데스-벤츠]


지붕, 측면, 하부를 따라 흐르는 공기가 차 후미에서 만나 와류를 생성한다 [출처: 메르세데스-벤츠]

그래서 연구원들은 가능한 같은 속도로 만나도록 설계하여 와류를 줄입니다. 10년 전부터 범퍼와 트렁크 리드 끝을 싹둑 자른 형태의 차들이 꽤 등장했는데요. 이를 통해 후미의 공기 흐름을 극단적으로 수월하게 만든 효과를 냈다고 합니다. 하지만 미관상 좋지 않은 까닭에 자동차 디자이너들의 고민은 더 늘어났습니다.

공기저항계수는 어떻게 측정할까?


토요타의 풍동시험실 [출처: 렉서스]

토요타의 풍동시험실 [출처: 렉서스]

공기저항은 속도가 빠를수록, 그리고 차 덩치가 클수록 증가합니다. 때문에 공기저항을 나타내기 위해선 외부 요인을 제외한 채 순수 형상만을 기준으로 한 대푯값이 필요하죠. 일반적으로 항력 계수를 산출하기 위해서는 복잡한 과정을 거칩니다.


네 개의 저울 위에 올려진 벤츠 SL [출처: 메르세데스-벤츠]

우선 주행 중 받는 실제 힘을 측정해야 합니다. 측정에는 밸런스(저울)라는 장비가 동원되는데요. 일반적인 저울은 상하 방향 힘을 측정하지만 항력 계수 산출이 가능한 풍동시험실의 저울은 전후, 상하, 좌우 세 방향을 모두 측정할 수 있습니다. 이 중에서 전후 방향이 연료 효율과 직접 관련이 있고, 상하 방향과 좌우 방향은 주행 안정성과 연관이 깊습니다.


니로 풍동실험 [출처: 현대자동차그룹]

그다음은 차의 ‘전면투영면적’을 계산합니다. 전면투영면적이란 차 앞부분을 보았을 때 눈에 보이는 면적입니다. 항력 계수가 동일하다면 전면투영면적이 클수록 공기저항도 커지기 마련입니다. 면적 측정에는 레이저 기구를 사용합니다. 마지막으로 정확한 바람의 속도를 알아야 합니다. 실제 바람이 나오는 풍동시험실 규모가 클수록 더욱 정확한 값을 구할 수 있습니다. 여기서 얻은 세 가지 값을 갖고 제조사의 산출 공식에 따라 항력 계수를 계산합니다.


현대자동차 풍동실험 [출처: 현대자동차]

현대자동차 풍동실험 [출처: 현대자동차]

현대자동차 풍동실험 [출처: 현대자동차]

이러한 풍동 평가 결과와 과정은 자동차회사의 노하우인 까닭에 회사마다 조금씩 다릅니다. 다만 유럽과 미국, 일본의 자동차회사는 자국 메이커 간 시험 결과를 공유한다고 합니다. 한편 국내에서 유일한 풍동시험실은 현대자동차그룹 남양연구소에 위치하며 가로 4m, 세로 7m의 아시아 최대 규모입니다.