자동차의 공기저항계수. Cd

 

공기저항계수(Cd)는 차량이 주행할 때 공기와 상호작용하며 받는 저항력의 크기를 나타내는 무차원 계수입니다. 이는 차량의 형상, 전면 면적, 표면 상태 등에 따라 달라지며, 공기저항계를 낮출수록 연비 향상, 고속 주행 안정성 증가, 소음 감소 등 여러 이점이 있습니다.

정확히 말하면, 공기저항계수는 항력 계수(drag coefficient)로 공기저항력(Drag Force)과 차량 속도(v), 공기 밀도(ρ), 차량의 전면 면적(A)의 관계를 통해 산출됩니다. 공기저항력은 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다:

 

여기서,

• Fd는 공기저항력,
• ρ는 공기 밀도,
• v는 차량 속도,
• A는 차량 전면 면적,
• Cd는 공기저항계수입니다.

공기저항계수가 낮으면 차량이 공기 저항을 덜 받기 때문에 연료 소비가 줄고, 전기차 주행거리가 늘어나며, 주행 중 롤링이나 소음도 적어집니다. 보통 승용차는 0.25~0.30범위에 있으며, 최근 고효율 차량은 0.20 이하로 낮아지는 추세입니다.

 

자동차도 공기저항이 크면 연료가 더 많이 소모된다.
공기저항을 수치로 나타낸 것이 공기저항계수다. 정확하게 말하면 항력 계수(drag coefficient)다. 공기저항계수는 Cd(Coefficient of Drag)로 표현한다. 공기저항계수는 0~1 범위에서 소수점 단위로 기록한다. 0에 가까울수록 공기 저항을 덜 받는다.

형태에 따른 공기저항계

공기저항은 물방울 모양(유선형)일 때 가장 낮습니다. 동그란 모양과 비교하면 10배 이상 낮다. 직사각형과는 20배 이상 차이 납니다. 공기저항계수값을 0.01 낮추면 차 무게 40kg을 줄였을 때와 같은 연료 효율 개선 효과를 볼 수 있다고 합니다.

전기차의 경우 공기저항계수가 10% 낮아지면 통상 주행거리가 5% 증가한다고 합니다.

그리고 공기저항은 속도가 빨라질수록 제곱으로 커지므로, 속도가 두 배 늘어나면 공기저항은 4배가 늘어나게 됩니다.

그러므로 자동차 제조사가 공기역학 디자인을 고민하는 이유가 여기에 있습니다.

 

아이오닉 6

 

자동차에서 공기저항을 가장 많이 받는 곳은 앞쪽 휠하우스 입니다. 주행할 때 앞바퀴로 여러 방향에서 공기가 유입돼 난기류를 형성하게 되며 이때 형성된 난기류는 공기저항을 높이며 옆으로 빠져나갑니다. 자동차의 휠을 보면 구멍을 최대한 메꾼 이유가 난기류를 줄이기 위해서이고, 처음부터 공기가 잘 흐르도록 앞바퀴 쪽에 흡입구(에어 덕트)를 뚫어 난기류를 줄이는 방법도 있습다.

두 번째는 사이드미러와 A필러 입니다. 옆으로 툭 튀어나온 사이드미러는 공기저항을 크게 받게 됩니다. 최근 자동차 제조사에서 사이드미러를 얇은 카메라로 대신해 후방 시야 확보는 물론 공기저항계수를 낮추기도 합니다. A필러도 전면에서 오는 공기저항을 많이 받게됩니다. 우리가 흔히 이야기하는 풍절음, 즉 공기저항에 의한 소음 대부분이 사이드미러와 A필러에서 발생하며, A필러가 누울수록 유선형에 가까와져 저항을 덜 받게 됩니다.

 

마지막으로 후면 트렁크 쪽도 공기저항을 받게됩니다. 전면, 측면, 하부를 타고 흐르는 공기가 트렁크 쪽에서 합쳐지게 되며, 이때 각 방향에서 흘러오는 공기의 속도가 달라 합쳐지며 와류가 발생하면서 공기저항이 증가하게 됩니다. SUV와 같이 뒤쪽이 급하게 떨어지는 차일수록 와류가 심해집니다. 그래서 SUV는 뒷유리에 와이퍼가 있는 이유가 와류로 빗물이 잘 흐르지 않아 와이퍼를 사용하여 빗물을 제거하기 위함입니다.

 

순위	차량 모델	공기저항계수 (Cd)
1	메르세데스-벤츠 EQS	0.20
2	테슬라 모델 S / 아이오닉6	0.208 / 0.21
3	포르쉐 타이칸, 메르세데스-벤츠 A클래스(세단)	0.22
4	테슬라 모델3, 메르세데스-벤츠 CLA, BMW 3시리즈(세단), 아우디 A4(세단)	0.23
5	BMW i4, 기아 EV6, 아우디 e-트론 GT, 메르세데스-벤츠 C클래스	0.24

 

슈퍼카의 경우 Cd값이 생각 외로 높은 차량이 많다. 스포츠카의 대명사인 페라리 모델 중 F50은 공기저항계수가 0.37Cd다. 제네시스 G80은 0.27Cd다. 무려 0.1Cd 차이가 납니다. F50이 G80보다 높은 이유는 지향점이 다르기 때문입니다. 고출력 슈퍼카의 경우 공기저항을 이용해 다운포스를 키워, 이를 이용해 고속 주행이나 코너에서 안정성을 높이게 됩니다. G80과 같은 차량은 공기저항을 줄여 연비 향상과 소음 억제 등 부드러운 주행을 목표로 합니다.