직렬엔진
직렬엔진(in-line engine)은 실린더가 엔진의 앞뒤 방향으로 나란히 직각 방향(수직)인 엔진이다. 일반적으로 가장 널리 볼 수 있는 엔진 배열 방식으로, 4실린더 및 6실린더 엔진에 많다. 약자로 일렬로 늘어서 있다는 의미의 inline의 'I'(엘)을 사용한다. 예를 들어 4기통 직렬엔진일 경우 L4(Linear)나 I4로 표기한다.
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목차
개요[편집]
직렬엔진은 모든 실린더를 일렬 수직으로 배열한 엔진이다. 엔진의 가장 전통적인 방식이며 기본 형태로, 소형차부터 중형차까지 널리 이런 형식을 주로 사용한다. 엔진에서 실린더의 배열 방법은 공간을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 직렬 배열은 4기통까지는 문제가 없으나 6기통 이상이 되면 엔진이 길어지고, 자동차의 앞부분도 이에 비례해서 함께 길어진다. 그러나 V형엔진 등에 비하면 메커니즘이 간단하여 소형차 엔진에서는 주류를 이룬다.[1] 한때 직렬엔진이 가진 단점으로 자동차 제조사들이 직렬엔진보다 공간 효율성이 높은 V형엔진으로 전환하는 시기가 있었다. 하지만 3기통과 4기통은 정비성과 생산성이 좋아 여전히 승용차 엔진으로 쓰이고 있다. 차체 길이가 긴 트럭이나 중대형 버스에는 승용차에 비해 엔진룸이 넓어 공간 배치의 단점이 사라지기 때문에 6기통 엔진도 사용한다.[2]
역사[편집]
과거 프리미엄 브랜드들은 3리터 급의 직렬 6기통 엔진을 기본 사양으로 구성하고, 이보다 한층 높은 출력을 원하는 소비자들을 위해서 더 큰 배기량의 V8 엔진과 V12 엔진을 구성하는 것이 일반적인 엔진 라인업이었다. 하지만 1990년대 후반부터 직렬 6기통 엔진은 점차 V형 6기통 엔진으로 대체되어 갔다. 가장 큰 이유는 V6는 길이가 짧기 때문에 충돌 안전 성능을 향상시키기 쉬웠기 때문이다. 엔진의 길이가 짧으면 그만큼 충격을 흡수할 공간이 늘어나서, 충돌 안전 성능을 향상시키기 위해서는 직렬 6기통 엔진보다 길이가 짧은 V형 6기통 엔진이 훨씬 유리하다. 또한 V6 엔진의 경우 전륜구동 차량에도 탑재 할 수 있다는 장점을 가지고 있었다. 이러한 이유로 2000년대 이후 직렬 6기통 엔진은 점차 사라져 갔다. 꾸준히 직렬 6기통 엔진을 탑재했던 제조사는 비엠더블유(BMW) 정도이다. 그런데 2019년 즈음부터 다운사이징 엔진이 보편화되면서 직렬 4기통 엔진을 중심으로 많은 제조사들이 직렬엔진으로 돌아서고 있다. 이렇게 직렬 4기통 엔진이 부활하면서, 자연스럽게 비용 절감을 이유로 직렬 6기통 엔진도 속속들이 부활했다. 메르세데스-벤츠도 V6 엔진을 대체하는 직렬 6기통 엔진을 개발해 탑재 중이다. 랜드로버도 새로운 직렬 6기통 엔진을 발표했으며, 마쓰다도 자체적으로 새로운 직렬 6기통 엔진을 개발 중이다.[3][4]
특징[편집]
직렬엔진의 모든 부품은 일관된 방향으로 배치되어 있어, 다른 방식의 엔진과 비교했을 때 설계가 단순하며 비교적 간단한 구조를 가지고 있다. 그렇기 때문에 진동에 대한 변수가 적어 진동을 억제하는 방법을 찾기 쉬운 장점이 있다. 직렬 6기통 엔진은 사이클 과정에서 1번과 6번 피스톤, 2번과 5번 피스톤, 3번과 4번 피스톤이 똑같은 위치에 있게 된다. 즉, 서로 진동을 흡수하는 구조로 이루어져서 진동만 고려했을 때 가장 이상적인 엔진이 된다. 엔진의 실린더가 일정한 직렬로 배열되어 있어 일정한 각도에서 폭발할 수 있고 수직으로 배치되어 있어 중력 방향으로 직접 충격을 주어서 횡진동을 유발하지 않는다. 그로 인해 엔진마다 조금의 차이는 있지만, 회전이 부드러워진다. 회전이 부드러워지면 에너지 효율이 높고 비교적 출력도 높아진다. 이론적으로 가장 균일한 힘을 제공하여 진동이 적다. 또한, 다른 병렬엔진에 비해 엔진헤드가 적어 엔진헤드와 관련된 부품 수가 적어지면서 가격이 저렴해진다. 또한 직렬엔진은 뜨거운 쪽과 차가운 쪽이 있다. 한쪽에는 뜨거운 배기가스를 내보내는 배기 매니폴드가 있고, 반대쪽에는 연료 분사 시스템이 있다. 엔진을 세로로 배치하면 뜨거운 쪽 공간이 넓어 싱글 터보나 점점 일반화되고 있는 트윈 터보, 전동 부스터(e-booster)와 보닛 아래 열기를 제어할 수 있는 장치를 달기에 좋다. 또한, 공간 면에서 마일드 하이브리드 시스템의 벨트 구동 스타터 제너레이터처럼 빠르게 늘어나고 있는 기술을 담기에도 유리하다. 벨트 구동 스타터 제너레이터는 일반 알터네이터보다 더 크기 때문이다.[5]
하지만 직렬엔진은 보통 2,000cc급 전후의 소형 또는 중형 엔진에서는 정숙성과 정비성, 생산성이 모두 뛰어나지만 그 이상의 배기량에는 적합하지 않다. I3, I4, I6이 대표적이며 진동성과 경제성을 고려한 4기통과 6기통이 많다. 이러한 엔진은 하나의 실린더 블록으로 충분하며 캠샤프트, 실린더 헤드 등 부품의 개수를 줄일 수 있기 때문에 경제적이다. 하지만 실린더가 수직으로 장착되기 때문에 수평대향 엔진이나 비스듬히 누워 있는 다른 엔진들보다 무게 중심이 높아 차량의 동력 성능이 저하되는 점도 있다. 직렬엔진의 한계는 보통 최대 6기통이다. 6기통 이상은 실린더가 일렬로 배열된 직렬엔진의 특성상 엔진의 길이가 길어지기 때문이다. I4를 위해 설계된 엔진룸은 약간의 변경으로 V6 엔진을 장착할 수 있지만, 직렬 6기통이 들어가기 위해서는 엔진룸을 길고 넓게 다시 설계해야 하고, 큰 엔진룸은 커다란 차체를 만들어 무겁고, 큰 차체는 많은 연료가 필요해진다. 만약 블록의 격벽을 얇게 만들어 부피를 줄인다고 해도 엔진의 내구성이 낮아지는 문제가 생긴다. 또한, 기통수가 많아지면 크랭크축에 비틀림 하중이 증가하여 축에 많은 무리가 가므로 비교적 고속을 요구하는 자동차 엔진에서는 6기통을 초과하지 않는다. 그럼에도 불구하고 BMW를 포함한 여러 자동차 제조사에서는 여전히 직렬 6기통 엔진을 고수하고 있다. 왜냐하면 기술의 발달로 직렬 6기통의 장점은 극대화하면서 단점은 극복했기 때문이다. V형엔진의 진동 흡수력도 밸런서 기술의 발달로 개선되었다지만, 직렬 6기통의 구조적인 장점을 뛰어넘을 수는 없기 때문이다. 직렬 6기통 엔진은 횡방향의 진동을 상쇄해 완전 밸런스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 고회전에서도 조용하고 섬세하게 움직이는데, 이러한 장점은 엔진이 노후하면서 더 큰 장점이 된다.[2]
관련 엔진[편집]
V형엔진[편집]
V형엔진은 엔진의 실린더를 V형으로 배열한 기관이다. 직렬엔진 2개가 V자로 연결된 형태이다. 직렬엔진 다음으로 내연기관자동차에 자주 사용되는 방식이다. 일반적으로 각 뱅크에 동일한 수의 실린더가 공통 크랭크 샤프트에 연결된 두 개의 실린더 뱅크로 구성되어 있다. 이 실린더 뱅크는 서로 비스듬히 배열되어 있어서 엔진 전면에서 볼 때 뱅크가 V 모양을 형성한다. V6, V8 및 V12 엔진은 각각 6개, 8개 또는 12개의 실린더가 있는 자동차 엔진의 가장 일반적인 레이아웃이다.[6] 6기통 이상의 차량은 대부분 V형 엔진을 사용한다. 흔히 볼 수 있는 V6 배지는 엔진 실린더가 V자이며 6기통 사양임을 의미한다. 일반적으로 V6 엔진은 3.0~3.8리터 배기량을 갖고 있으며, 4.0리터 이상일 경우 8기통인 V8 엔진을 사용한다. 고성능 스포츠카는 V10, V12 엔진을 사용하며, 1930년대에는 자동차용 V16 엔진도 존재했다. V형엔진의 특징은 인상적인 출력과 성능이다. V자 구성은 더 많은 수의 실린더를 수용하면서 보다 콤팩트한 디자인을 형성할 수 있다. 그 결과 상당한 마력과 토크가 발생하여 짜릿한 가속과 최고속도를 제공한다. 또한 다양한 구성으로 제공될 수 있는 장점이 있어 자동차 제조업체는 스포티하고 반응성이 뛰어난 V6 엔진에서 슈퍼카에서 볼 수 있는 엄청난 힘을 가진 V12 엔진에 이르기까지 다양한 성능 선호도를 충족할 수 있다.[7][8]
수평대향 엔진[편집]
수평대향 엔진은 V형엔진의 뱅크 각도를 최대한 넓힌 수평 형태의 엔진이다. 엔진이 누워 있기 때문에 보통의 엔진처럼 피스톤 운동이 상하가 아닌 좌우로 움직인다. 피스톤이 움직이는 모습이 마치 복싱선수가 두 주먹을 날리는 모습을 닮아 박서(boxer) 엔진이라고도 불린다. 또한 F형 엔진이라고도 불리기도 하며, 수평대향 엔진만의 독특한 배기음이 특징이다. 자동차에 탑재되기 시작한 건 1903년부터이며, 개발 당시에는 피스톤이 누워 있는 상태에서 좌우로 움직이기 때문에 편마모에 취약하다는 내구성 문제가 있었다. 엔진룸의 구조 자체가 복잡하여 정비성도 좋지 못했다. 수평대향 엔진은 높이가 낮고 가로 길이가 넓다 보니 엔진의 무게중심이 낮아지면서 차량의 무게와 균형을 잡아 핸들링이 뛰어나다. 또한, 기존의 피스톤 엔진은 회전력을 일정하게 하기 위해 카운터 웨이트와 같은 평형 추가 붙어 무게가 증가하며, 크랭크축이 필요 이상의 강성을 요구받기 때문에 엔진의 효율성이 떨어지고, 엔진 전체 무게를 증가하는 원인이 된다. 하지만 수평대향 엔진처럼 실린더를 눕혀서 배치하게 되면 양쪽 실린더의 폭발력이 상쇄되어 카운터 웨이트를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 수평대향 엔진을 탑재하는 자동차로는 스바루와 포르쉐가 있다. 스바루는 4기통 엔진을, 포르쉐는 6기통 엔진을 사용한다. 페라리는 12기통 엔진을 수평대향 엔진으로 제작하기도 했고, 토요타의 쿠페인 토요타 84에도 4기통 수평대향 엔진을 장착했다. 또한 혼다의 바이크와 BMW에서도 활용된다.[2]
관련 제조사[편집]
메르세데스-벤츠[편집]
메르세데스-벤츠는 다임러(Daimler AG)의 계열사이자 독일의 자동차 제조 기업이다. 1927년부터 직렬 6기통 엔진을 탑재하여 다양한 엔진 라인업을 보여 주었다. 하지만 1900년대 후반부터 V형 6기통 엔진으로 대체하는 행보를 보였다. 그러다 2010년대 후반부터 다시 직렬엔진을 탑재하는 조짐을 보였는데, 2017년 공개된 S클래스의 국내 엔진 라인업에 디젤엔진을 직렬 6기통으로 구성한 것을 확인할 수 있다. 또한 2018년 1월 디트로이트 모터쇼에서 공개된 메르세데스-AMG53에도 직렬 6기통 엔진이 탑재되었다. 여기에 CLS와 E클래스 쿠페, E클래스 카브리올레에도 직렬 6기통 엔진이 탑재되면서 점차 확대되고 있는 추세이다. 메르세데스-벤츠가 직렬 6기통 엔진을 부활시킨 이유는 충돌 안전 성능을 위한 차체 기술이 꾸준히 진화해 왔기 때문이다. 또한 세대를 거듭할수록 자동차의 크기도 더욱 커지게 되었고, 이로 인해 길이가 긴 직렬 6기통 엔진에서 요구되던 충돌 안전 성능을 확보할 수 있게 된 것이다. 또한, 점차 엄격해지고 있는 배기가스 및 연비 규제에 대응하기 위해 배기가스 정화를 위한 장치들의 부피가 점차 커졌다. 이런 상황에서 V형엔진은 공간 확보에 어려움을 겪게 된다. 반대로 직렬 6기통 엔진은 레이아웃의 자유도가 높은 만큼, 이러한 상황에 대응하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 또한 터보가 적극적으로 도입되면서 현재의 직렬 6기통 엔진은 상위 등급인 V형 8기통 엔진에 버금가는 출력을 얻을 수 있게 되었다. 과거에 지적되었던 직렬 6기통 엔진의 단점들이 현재는 기술의 발전을 통해 대부분 해결할 수 있게 된 것이 바로 직렬 6기통 엔진 부활의 가장 큰 이유이다. 메르세데스-벤츠는 S450과 S500, AMG 등 기존 V형 8기통 엔진이 탑재되었던 차량들을 직렬 6기통 엔진으로 변경하면서 연비와 성능을 모두 만족시키는 변화를 진행하고 있다.[4]
비엠더블유[편집]
비엠더블유는 독일의 자동차 제작 및 엔진 제조 회사이다. 비엠더블유의 '실키 식스'는 자사 엔진의 상징이라고 할 수 있는 직렬 6기통 엔진을 가리킨다. 비엠더블유의 직렬 6기통 엔진은 1936년부터 세상의 이목을 끌기 시작했다. 그 주인공은 BMW 238에 적용한 배기량 2.0리터 직렬 6기통 M328 엔진이다. M328 엔진은 시대를 앞서는 혁신 기술의 집합체였다. 지금으로부터 90년이나 이전 기술임에도 알루미늄 실린더 헤드를 사용했고, DOHC와 유사한 밸브 제어 기술도 적용한 게 대표적이다. 1973년은 실키 식스의 명성이 전 세계적으로 확장한 해다. 1968년 개발한 M30 직렬 6기통 엔진의 고성능 버전을 BMW 레이싱카 역사에 길이 남을 BMW 3.0 CSL 쿠페에 적용했던 것이다. 이 엔진의 가장 큰 특징은 기존 M30 직렬 6기통 엔진의 흡배기 밸브가 실린더당 4개였다는 점이다. 당시는 실린더 당 2개의 밸브를 쓰는 게 일반적이었던 것과 대비되는 지점이다. 덕분에 엔진 반응 속도는 빨라지고 고출력으로 세팅하는 데도 유리했다. 1978년에는 최초의 M 버전 직렬 6기통 엔진이 탄생했다. ㅏ바로 BMW M 최초의 전용 차이자 BMW 최초의 미드십 슈퍼카 M1에 탑재한 M88 직렬 6기통 3.5리터 엔진이다. 고성능 모델 전용 엔진답게 첨단 기술도 대거 적용했다. 2000년대에 접어들어 BMW는 직렬 6기통 엔진에 더욱 강력한 성능과 감성을 담아내기 위해 노력했다. 그중 대표적인 엔진은 E46 M3에 탑재한 S54B32 직렬 6기통 3.2리터 엔진이다. 1990년을 풍미한 과거 엔진과 비교해 배기량을 늘리고 캠샤프트와 밸브, 압축비, ECU, 스로틀 컨트롤러, 오일 펌프 등 세부적인 개량을 거쳐 완성했다. 2000년 이후 BMW 직렬 6기통 엔진의 발전 속도는 점점 가속도가 붙는다. 대표적인 예로 5세대 BMW M3에 탑재한 S55 직렬 6기통 3.0리터 트윈파워 터보 엔진을 꼽을 수 있다. S55는 N55의 고성능 버전으로 기본형으로도 충분한 매력을 담았다고 평가받는다. 현재 BMW 직렬 6기통 엔진은 B58, 그리고 S58 두 가지 버전으로 이어지고 있다. 둘 모두 3.0리터 배기량에 트윈파워 터보를 장착해 고성능을 지향한다. 실키 식스라고 불리는 비엠더블유의 직렬 6기통 엔진은 오랜 시간을 거쳐 완성된 결과물이다.[9]
대우자동차㈜[편집]
대우자동차㈜는 1955년 설립된 신진 자동차공업을 모태로 하는 대한민국의 자동차 제조사였다. 현재 한국지엠㈜의 전신이 되는 회사이다. 대우자동차가 남긴 역작 중 하나는 대한민국 최초의 직렬 6기통 엔진이다. 이러한 이유로 일부 마니아들은 대우자동차를 '한국의 BMW'라고 부르기도 했다. 대우 XK엔진은 1995년부터 개발을 시작해서 2002년에 매그너스 L6 모델을 시작으로 도입했다. 대우 XK엔진은 당시 볼보 S90과 함께 전 세계에서 2개뿐인 전륜구동형 직렬 6기통 엔진이었다. 또한 국내 완성차 업계에서 독자적으로 개발한 최초의 직렬 6기통 엔진이기도 하다. 1998년에 개발이 시작되어 1999년에는 생산 설비를 건설하기 시작했고, 2000년도에는 시제품이 나올 정도로 빠른 속도로 개발이 진행됐다. 이는 엔진 부품, 시스템, 매그너스 탑재 대응, 생산 설비 등에 이르는 과정에서 혁신적인 동시공학(Concurrent Engineering)을 적용한 덕분이다. 하지만 2000년, 대우그룹이 해체되는 과정에서 생산이 지연되어 프로토타입 개발이 끝나고 2년 뒤인 2002년에 선보이게 되었다. XK엔진의 개발에는 총 510억 원이 투입되었다. 대우 XK엔진은 직렬 6기통 엔진이면서도 같은 배기량의 직렬 4기통 엔진에 못지 않은 소형화 설계가 가장 큰 특징이었다. XK엔진은 직렬 6기통 레이아웃을 사용하면서도 기존 홀덴의 2.0 직렬 4기통 엔진에 맞춰서 만들어졌던 매그너스의 엔진룸에 그대로 장착 가능하게 만들어질 것을 요구 받았다. 또한 변속기도 기존에 사용하던 것을 그대로 사용할 수 있어야 했다. 여기에 고급차와 수출의 주역으로 설계한 엔진이었기에 직렬 6기통의 우수한 감성품질까지 요구되었다. 이런 터무니없는 요구 사항을 충족하기 위해 XK 엔진은 당시 대우자동차 개발진이 투입할 수 있는 모든 것을 쏟아 부어 만들어진 엔진이기도 하다. 하지만 극단적으로 빠듯한 설계로 인해 차기 제품을 위한 출력 강화나 엔진 바리에이션을 구성하는 데 있어 걸림돌이 되고 말았다. 2002년 처음 선보인 대우 XK엔진은 2010년 생산이 종료되었다.[10]
각주[편집]
- ↑ 〈직렬형 엔진〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 2.2 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
- ↑ 데일리카, 〈자동차 업계, '직렬 6기통' 엔진에 집중..그 속내는?〉, 《네이버 포스트》, 2019-07-04
- ↑ 4.0 4.1 원선웅 기자, 〈메르세데스-벤츠가 직렬 6기통 엔진을 부활시킨 이유는?〉, 《글로벌오토뉴스》, 2018-02-20
- ↑ 제시 크로스(Jesse Crosse), 〈직렬 6기통 엔진이 다시 늘어나는 이유〉, 《오토카코리아》, 2020-12-07
- ↑ 〈V 엔진〉, 《위키백과》
- ↑ 자CAR르타, 〈고급 차량에 주로 쓰이는 V형 엔진의 특징에 대해 알아보자.〉, 《네이버 블로그》, 2023-10-04
- ↑ 뉴스팀, 〈[자동차 상식] 당신의 엔진은 어떻게 생겼습니까?〉, 《오토뷰》, 2015-06-03
- ↑ 모터플렉스, 〈BMW ‘실키 식스’ 직렬 6기통 엔진의 과거와 현재〉, 《모터플렉스》, 2023-04-06
- ↑ 모토야, 〈승용부터 스포츠카, 상용까지 아우르는 유연함! - 직렬 6기통 엔진들〉, 《모토야》, 2021-02-24
참고자료[편집]
- 〈V 엔진〉, 《위키백과》
- 〈직렬형 엔진〉, 《네이버 지식백과》
- 뉴스팀, 〈[자동차 상식] 당신의 엔진은 어떻게 생겼습니까?〉, 《오토뷰》, 2015-06-03
- 원선웅 기자, 〈메르세데스-벤츠가 직렬 6기통 엔진을 부활시킨 이유는?〉, 《글로벌오토뉴스》, 2018-02-20
- 데일리카, 〈자동차 업계, '직렬 6기통' 엔진에 집중..그 속내는?〉, 《네이버 포스트》, 2019-07-04
- 제시 크로스(Jesse Crosse), 〈직렬 6기통 엔진이 다시 늘어나는 이유〉, 《오토카코리아》, 2020-12-07
- 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
- 모토야, 〈승용부터 스포츠카, 상용까지 아우르는 유연함! - 직렬 6기통 엔진들〉, 《모토야》, 2021-02-24
- 모터플렉스, 〈BMW ‘실키 식스’ 직렬 6기통 엔진의 과거와 현재〉, 《모터플렉스》, 2023-04-06
- 자CAR르타, 〈고급 차량에 주로 쓰이는 V형 엔진의 특징에 대해 알아보자.〉, 《네이버 블로그》, 2023-10-04
같이 보기[편집]
