엔진 구성 설명: 직렬, V형, 수평대향 엔진

20세기 초, 자동차 공학이 빠르게 발전하던 시절에는 10리터 엔진이 단기통 유닛일 수도 있었고, 예를 들어 직렬 8기통일 수도 있었습니다. 당시에는 23리터 직렬 6기통이나 항공기용 7기통 성형 엔진을 자동차에 이식하는 것도 전혀 이상한 일이 아니었습니다.

대량 생산이 확대되고 비용 압박이 심화되면서 모든 것이 제자리를 찾아갔습니다. 단기통 엔진은 과거의 유물이 되었습니다. 오늘날 일반 자동차 엔진의 평균 실린더 배기량은 300~600cc 사이에 위치하며, 리터당 출력은 자연흡기 디젤의 약 35마력/L에서 고성능 가솔린 엔진의 100마력/L에 이릅니다. 이것이 대량 양산 시장의 최적 범위이며, 이를 벗어나는 것은 경제적으로 타당하지 않습니다.

그렇다면 현대 엔진의 지형은 어떻게 생겼을까요? 대체로 다음과 같습니다:

• 100마력 엔진은 일반적으로 4기통을 사용합니다
• 200마력 엔진은 보통 4기통, 5기통, 또는 6기통을 사용합니다
• 300마력 엔진은 일반적으로 8기통을 사용합니다

그렇다면 실린더는 실제로 어떻게 배열될 수 있을까요? 다기통 엔진을 설계할 때 엔지니어들이 선택할 수 있는 레이아웃 옵션에는 어떤 것들이 있을까요? 자세히 살펴보겠습니다.

직렬 엔진: 단순하지만 점점 더 비실용적인

엔진 설계자의 첫 번째 과제는 설계를 단순화하는 것입니다. 즉, 생산 비용을 낮추고 유지보수를 간단하게 유지하는 것입니다. 이 측면에서 직렬(인라인) 엔진은 단연 우위에 있습니다. 실린더가 일렬로 배열되어 있어, 실린더를 추가하는 것만으로 배기량을 늘릴 수 있습니다.

직렬 엔진의 각 변형이 실제로 어떻게 구분되는지 살펴보겠습니다:

• 2기통 및 3기통 엔진은 자동차에서 비교적 드물지만, 2기통 형식은 첨단 연료 분사 및 터보차저 덕분에 다시 주목받고 있습니다. 피아트 500의 85마력 터보차저 2기통이 대표적인 예입니다.
• 직렬 4기통은 1.0~2.4리터 배기량을 아우르는 승용차 세계의 주력 엔진입니다.
• 직렬 5기통 엔진은 비교적 최근의 발전입니다. 메르세데스-벤츠가 1974년 W123 플랫폼의 300D에 디젤 5기통을 최초로 도입했고, 2년 후 아우디의 2리터 가솔린 5기통이 뒤를 이었으며, 1980년대 후반에는 볼보와 피아트가 합류했습니다.
• 직렬 6기통 엔진은 오랫동안 부드러운 특성으로 유럽에서 사랑받아 왔지만 점점 더 희귀해졌습니다. 그보다 더 긴 형제 격인 직렬 8기통은 이미 1930년대에 사실상 폐기되었습니다.

이러한 추세의 이유는 간단합니다. 실린더를 추가할수록 엔진이 길어지고, 이는 탑재 공간 확보에 심각한 문제를 야기합니다. 예를 들어, 전륜구동 엔진 룸에 직렬 6기통을 횡방향으로 탑재하는 것은 극히 드문 사례에서만 성공했습니다. 오스틴 마크시 2200(기어박스를 엔진 아래에 넣어야 했음)과 초소형 기어박스를 채택한 볼보 S80이 그 예입니다.

V형 엔진과 수평대향 엔진: 소형이지만 복잡한

그렇다면 직렬 엔진을 어떻게 짧게 만들 수 있을까요? 우아한 해결책은 엔진을 반으로 나누고, 두 절반을 나란히 배치한 후, 하나의 크랭크샤프트를 두 절반 모두로 구동하는 것입니다. 이것이 바로 V형 엔진의 본질입니다.

가장 일반적인 V형 엔진 구성은 실린더 뱅크 사이에 60° 또는 90°의 협각을 사용합니다. 이 각도를 180°까지 밀어붙이면, 즉 실린더가 서로 반대 방향을 향하게 되면 수평대향 엔진이 되는데, 박서 엔진이라고도 합니다(B2, B4, B6 명칭의 유래).

직렬 엔진에 비해 절충점은 상당합니다:

• 두 개의 실린더 헤드 — 각각 고유한 가스켓과 매니폴드를 가짐
• 더 많은 캠샤프트와 더 복잡한 밸브 구동 장치
• 더 넓은 폭(특히 수평대향 엔진의 경우), 탑재 위치 제한
• 높은 제조 비용과 더 복잡한 정비

이러한 단점 때문에, 수평대향 엔진은 소수의 제조사만이 사용합니다. 오늘날 가장 대표적인 예는 포르쉐와 스바루입니다.

협각을 60° 미만으로 줄여 V형 엔진을 더욱 소형화하는 것은 어떨까요? 실제로 시도된 바 있습니다. 1970년대의 란치아 풀비아는 단 23°의 협각을 가진 V4를 사용했습니다. 그러나 함정이 있습니다. 각도가 좁을수록 엔진 밸런싱이 더 어려워집니다. 이것이 바로 엔진 설계에서 가장 중요한 과제 중 하나로 이어집니다.

엔진 진동: 힘, 토크, 그리고 제어 방법

피스톤 내연기관은 본질적으로 진동에서 완전히 자유로울 수 없습니다. 그러나 진동 관리는 승객의 편의를 위해서만이 아니라 매우 중요합니다. 심각한 불균형 진동은 고속에서 부품이 분리될 때 발생하는 치명적인 결과와 함께 엔진 부품을 물리적으로 파괴할 수 있습니다.

엔진 진동은 어디서 비롯될까요? 세 가지 주요 원인이 있습니다:

• 불균일한 점화 간격 — 일부 엔진 구성에서는 파워 스트로크가 완전히 균등한 간격으로 점화되지 않아 토크 리플이 발생합니다. 더 무거운 플라이휠이 이를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 피스톤 관성력 — 피스톤이 행정 상단에서 위로 가속되었다가 감속될 때(그리고 하단에서는 반대로), 자동차가 제동하거나 가속할 때 느끼는 것과 유사한 관성력이 발생합니다.
• 커넥팅 로드 기하학 — 커넥팅 로드는 직선 경로로 이동하지 않으며, 피스톤의 운동은 완전한 사인 곡선이 아니기 때문에 크랭크샤프트 속도의 배수에서 추가적인 힘 성분이 도입됩니다.

이러한 고차 관성력은 일반적으로 무시할 수 있는 수준입니다. 단, 크랭크샤프트 주파수의 두 배로 작용하며 항상 고려해야 하는 2차 힘은 예외입니다. 인접한 실린더의 관성력이 서로 일정한 거리를 두고 반대 방향으로 작용할 때, 토크 커플도 발생하여 또 다른 복잡성 계층이 추가됩니다.

엔지니어들은 이러한 힘에 대항하기 위한 두 가지 주요 도구를 가지고 있습니다:

• 본질적으로 균형 잡힌 구성 선택 — 실린더와 크랭크샤프트 스로우를 배열하여 힘과 토크가 자연스럽게 상쇄되도록 합니다.
• 밸런스 샤프트 추가 — 크랭크샤프트와 반대 방향으로 회전하는 카운터웨이트가 달린 보조 샤프트로, 동일하고 반대되는 힘을 생성합니다. 비용과 기계적 복잡성이 추가되지만 문제가 되는 진동 모드를 완전히 중화할 수 있습니다.

일반적인 엔진 레이아웃 중에서 이론적으로 완벽하게 균형 잡힌 것은 단 두 가지뿐입니다. 바로 직렬 6기통과 수평대향 6기통입니다. 바로 이 때문에 BMW와 포르쉐가 탑재 공간의 어려움에도 불구하고 이 구성을 고집스럽게 유지해 온 것이며, 다른 제조사들도 쉽사리 포기하지 못하는 이유입니다.

구성별 엔진 밸런스: 실용 가이드

각 주요 엔진 구성이 진동과 밸런스 측면에서 실제로 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

2기통 직렬 엔진(크랭크가 같은 방향인 경우)은 밸런스 측면에서 단기통과 유사하게 작동합니다. 두 피스톤이 동위상으로 오르내립니다. 러시아의 오카는 1차 관성력을 처리하기 위해 두 개의 반전 밸런스 샤프트를 사용했지만, 2차 힘은 처리되지 않은 채로 남겨졌습니다. 밸런스 샤프트를 두 개 더 추가하는 것은 이렇게 작고 저렴한 자동차에서는 전혀 비실용적이었습니다. 1957년 오리지널 피아트 500이나 인도의 타타 나노처럼 많은 2기통 엔진은 밸런스 샤프트 없이 작동하며 탄성 있는 엔진 마운트에 의존해 진동을 흡수했습니다. 저렴하고 단순하며, 예산이 적은 용도에는 충분히 수용 가능합니다.

크랭크가 180°인 2기통 엔진(피스톤이 역위상으로 움직이는 경우)은 더 나은 1차 밸런스를 제공하지만, 균등한 점화 간격은 2행정 형식에서만 달성할 수 있습니다. 전전(戰前) DKW와 그 후계자인 동독의 트라반트가 이를 사용했습니다.

V트윈 엔진은 오늘날 거의 오토바이에서만 생존합니다. 할리-데이비슨과 그 일본 모방자들이 대표적인 예입니다. NAMI-1은 이 레이아웃을 사용한 사실상 유일한 자동차입니다. 크랭크샤프트의 카운터웨이트가 완전한 밸런스에 근접할 수 있지만, 균등한 점화 간격은 달성할 수 없습니다.

3기통 엔진은 직렬 4기통보다 밸런스가 좋지 않습니다. 스바루와 다이하츠 같은 제조사는 표준으로 밸런스 샤프트를 장착합니다. 오펠이 2세대 코르사용 에코텍 3기통에서 밸런스 샤프트를 생략한 것은 비용을 절감했지만, 1996년 출시 후 독일 자동차 언론으로부터 “도심에서 다양한 모드로 운전하기가 절대적으로 불가능하다”는 평가를 받으며 거친 명성을 얻었습니다.

직렬 4기통 엔진 — 세계에서 가장 일반적인 레이아웃 — 은 크랭크샤프트 속도의 두 배로 회전하는 밸런스 샤프트로만 중화할 수 있는 자유 2차 관성력을 가지고 있습니다. 결과적인 토크를 상쇄하려면 반전하는 두 번째 샤프트가 필요합니다. 비용이 들지만, 미쓰비시, 사브, 포드, 피아트, 폭스바겐 그룹 브랜드 모두 정숙성이 요구될 때 이 방식을 채택했습니다.

수평대향 4기통 엔진은 직렬 엔진에 비해 약간 더 낫습니다. 2차 토크 커플만 남아 엔진을 수직 축을 중심으로 요잉하는 경향이 있습니다. 그럼에도 공랭식 비틀 엔진과 스바루의 박서 유닛 모두 수십 년 동안 밸런스 샤프트 없이 작동해 왔습니다.

직렬 5기통 엔진은 1차 관성력이 보상되지만 블록을 통해 끊임없이 이동하는 롤링 굽힘 토크로 인해 극도로 견고한 구조를 요구합니다. 메르세데스-벤츠, 아우디, 볼보는 정제된 엔진 마운트와 카운터웨이트(아우디 TT RS의 슈퍼차저 2.5 TFSI 등)로 이를 해결했으며, 피아트의 엔지니어들은 한 발 더 나아가 풀 밸런스 샤프트를 사용했습니다.

흥미로운 각주 하나: 거의 모든 5기통 엔진은 본질적으로 실린더 하나를 추가한 4기통 엔진입니다. 이 모듈식 접근 방식을 통해 피스톤, 커넥팅 로드, 밸브트레인 부품을 공유할 수 있으며, 블록, 헤드, 크랭크샤프트(72° 간격으로 스로우가 배치된)만 변경하면 됩니다.

직렬 6기통을 대체한 V6 엔진은 3기통과 동일한 밸런스 특성을 공유합니다. 즉, 이상적이지 않습니다. 최초의 메르세데스-벤츠 V6(실린더당 3밸브의 M112)는 뱅크 사이의 골짜기에 장착된 밸런스 샤프트로 이를 해결했습니다. PSA 그룹의 3리터 6기통은 실린더 헤드에 하나를 배치했습니다. 다른 제조사들은 추가적인 복잡성 없이 진동을 최소화하기 위해 아우디 V6에서 볼 수 있듯이 크랭크 핀 오프셋에 집중했습니다. 90° 협각을 가진 V6 엔진은 가중 플라이휠로만 부분적으로 완화할 수 있는 본질적으로 불균등한 점화 간격이라는 또 다른 문제를 안고 있습니다.

90° 뱅크 각도와 두 개의 상호 수직 평면에 크랭크샤프트 스로우를 가진 V8 엔진은 매우 잘 균형 잡혀 있습니다. 균등한 점화 간격이 가능하며, 잔여 토크 커플 두 개만 남는데 이는 크랭크샤프트 끝 저널의 카운터웨이트로 쉽게 해결됩니다. 이것이 미국 엔지니어들이 V8을 열정적으로 받아들인 큰 이유 중 하나입니다. 그들은 단순히 진동을 용납하지 않기 때문입니다.

V4 엔진은 드물었고 이제 자동차에서는 거의 사라졌습니다. 유럽형 포드 V4(타우누스, 카프리, 사브 96에 사용)와 자포로제츠의 독특한 V4 모두 1차 토크 커플을 위한 밸런스 샤프트가 필요했습니다. 소형화와 비용이 주요 요인이었으며 밸런스는 부차적이었습니다.

V10 엔진은 직렬 5기통과 동일한 밸런스 특성을 공유합니다. 그렇다고 포뮬러 1 엔진 설계자들, 닷지 바이퍼, 닷지 RAM이 이를 사용하지 못한 것은 아닙니다. 출력이 필요할 때는 진동을 관리하면 그만입니다.

더 이국적인 레이아웃으로는, 수평대향 8기통(포르쉐 917 레이싱 카에서 사용)은 사실상 공통 크랭크샤프트에 두 개의 수평대향 4기통을 결합한 것이며, V12 및 수평대향 12기통 엔진은 두 개의 직렬 6기통으로 환원됩니다. 이것이 바로 이들의 탁월한 부드러움을 설명합니다.

VR6, VR5, W형 엔진: 폭스바겐의 패키징 걸작

앞서 란치아 풀비아 같은 협각 V형 엔진을 언급했습니다. 수십 년 동안 이것은 기피 대상이었습니다. 60° 또는 90° 레이아웃보다 밸런싱이 더 어렵고, 패키징상의 이점이 그 번거로움을 감수할 만큼 충분하지 않아 보였기 때문입니다. 그러다가 우선순위가 바뀌었습니다.

두 가지 발전이 판도를 바꿨습니다:

• 유압식 엔진 마운트가 널리 보급되어 엔진의 이론적 밸런스와 무관하게 진동 전달을 극적으로 억제했습니다.
• 엔진 룸 공간이 점점 더 협소해지면서 소형화가 프리미엄 특성이 되었습니다. 평범한 해치백이 2.8리터 6기통 엔진을 숨기고 있다고 누가 상상이나 했을까요? 폭스바겐이 이것을 현실로 만들었습니다.

폭스바겐 VR6 — “VR”은 V-Reihen(V-인라인)의 약자 — 는 란치아가 시도했던 것보다 협각 개념을 더 발전시켜, 뱅크 사이에 단 15° 각도를 사용합니다. 결과는 매우 소형이어서 사실상 오프셋 직렬 엔진으로 기능하며, 놀랍게도 두 뱅크 모두에 단일 실린더 헤드를 사용합니다. 2.8리터 6기통 엔진으로 기존 V6가 들어가지 않을 공간에 탑재될 수 있으며, 3세대 폭스바겐 골프에서 처음 선보였습니다.

그 후, 폭스바겐의 엔지니어들은 이 개념을 더욱 발전시켰습니다:

• VR5는 VR6에서 실린더 하나를 제거한 것입니다.
• W8은 두 개의 단축된 VR 유닛(각 4기통)을 하나의 크랭크샤프트에 결합한 것으로, 플래그십 파사트 세단에 탑재되었습니다.
• W12는 1998년 W12 로드스터 콘셉트에서 처음 선보였습니다. 두 개의 VR6 엔진을 72° 각도로 하나의 크랭크샤프트에 결합한 것입니다.
• W16 — 4개의 터보차저를 탑재 — 은 부가티 베이론을 431km/h까지 구동하며, 이 아키텍처의 가장 극단적인 양산 적용 사례입니다.

이러한 레이아웃이 이전에 존재하지 않았던 이유는 무엇일까요? 현대의 컴퓨터 지원 설계(CAD)가 이를 가능하게 했습니다. 이렇게 복잡한 기하학 전반에 걸쳐 협각, 크랭크 핀 위치, 점화 순서, 밸런스 특성을 최적화하는 것은 1990년대부터 사용 가능해진 컴퓨팅 파워 없이는 사실상 불가능했을 것입니다. W12의 크랭크샤프트만 해도 기계 가공의 악몽으로, 컴퓨터가 모든 공차를 검증했을 때만 의미가 있는 부품입니다.

실제 엔진 설계에서 정말 중요한 것

이 모든 것에서 한 가지 핵심을 꼽자면, 이론적 밸런스가 엔지니어가 엔진 레이아웃을 선택할 때 결정적인 요소가 되는 경우는 거의 없다는 것입니다. 실제 우선순위는 다음과 같습니다:

• 패키징 — 엔진 룸에 맞는가?
• 중량과 출력 밀도 — 용도에 가장 적합한 비율은 무엇인가?
• 생산 비용 — 모델 라인업 전반에 걸쳐 부품을 공유할 수 있는가?
• 모듈성 — 점점 더 많은 제조사들이 공통 피스톤 및 보어 아키텍처에서 3기통 경제형 유닛부터 12기통 플래그십까지 전체 엔진 패밀리를 구축하고 있습니다

메르세데스-벤츠의 현재 엔진 라인업은 모듈식 접근 방식의 교과서적인 사례입니다. 공유 아키텍처가 매우 다양한 출력과 기통 수를 가진 엔진을 뒷받침합니다.

진동에 관해서는, 이론적 밸런스와 실제 밸런스는 매우 다른 것임을 기억할 가치가 있습니다. 완벽하게 균형 잡힌 직렬 6기통 엔진도 크랭크샤프트 어셈블리가 적절히 밸런싱되지 않았거나 피스톤과 커넥팅 로드의 무게가 눈에 띄게 다를 경우 떨릴 것입니다. 실제 생산 공차와 부하 하에서의 부품 변형은 어떤 엔진도 방정식이 제안하는 것만큼 실제로 부드럽지 않다는 것을 의미합니다. 그래서 엔진 마운트 설계, 즉 파워트레인을 차량 나머지 부분으로부터 격리하는 방식이 레이아웃 자체만큼이나 중요합니다. 때로는 더 중요하기도 합니다.

이것은 번역본입니다. 원문은 여기서 읽을 수 있습니다: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html