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6기통
6기통(six-cylindered engine)은 6개의 실린더를 갖춘 왕복 내연기관이다.
개요
6기통은 실린더(기통)이 6개로 이루어진 엔진이다. 보통 2.7~4.0L 사이의 배기량을 커버하는 편이다. 1990년~2000년대 초중반까지만 해도 6기통 2L 엔진을 많이 볼 수 있었지만, 열 손실이 많이 일어나고 저 RPM 대역에서 토크가 부족해 친환경적이지 못한 측면 때문에 요즘은 최소 2.7L 정도부터 6기통 엔진을 사용한다. 현재 4기통처럼 다운사이징 바람을 맞아서 5.0L 이상 및 8기통 이상의 실린더를 가졌던 차종들이 터보차저를 적용하여 3.0~3.8L 정도의 터보 엔진으로 바뀌는 추세다. 디젤엔진에서는 승용 한정으로 4기통이 범접 불가능한 영역으로 평가받고 있는데, 4기통 디젤엔진보다 6기통 디젤엔진은 질감은 말할 것도 없고 진동, 소음 등에서 월등한 장점을 보유하고 있기 때문이다.[1]
기통
기통 수와 관련된 내용은 엔진의 구조와 관련이 되어 있다. 엔진 분해도를 보면 가장 처음 보이는 부분을 실린더 블록이라 불리며 가운데 뚫려 있는 구멍을 실린더라 지칭한다. 해당 실린더의 개수가 4개면 4기통 엔진이고 6개면 6기통 엔진이 된다. 이렇게 실린더 개수만 늘어난다고 해서 4기통, 6기통처럼 분류되는 것이 아니다. 보통 엔진 설계를 할 때는 한 개의 실린더당 차량의 배기량보다 높은 출력을 견딜 수 있도록 설정해 놓는다. 다만 필요 이상의 배기량을 실린더가 감당하게 되면, 배기가스 배출이 많이 이루어져, 환경규제가 걸림돌로 작용한다. 그 때문에 대부분의 4기통 엔진은 1.6L~2, 0L급 엔진이 채택되며 6기통 엔진은 3, 0L급 엔진으로 설정된다. 어쩌다 4기통 엔진임에도 불구하고 2, 4L~2, 5L 배기량을 갖추기도 하는데, 이는 출력을 더욱 안정적으로 유지할 수 있도록 하기 위한 조치다. 배기량이 여유가 있으면 엔진이 여유 있게 가동되기 때문에 출력 널뛰기 없이 꾸준히 유지된다. 이제 4기통과 6기통 엔진의 차이점을 살펴보자. 두 종류의 가장 큰 차이점으로 소음과 진동이 있다. 같은 배기량의 차량이 있다고 가정한다면, 4기통 엔진은 실린더의 지름이 더욱 커질 수밖에 없다. 이는 곧 한 개의 실린더당 더 강한 폭발력이 생기는 것을 의미하고 이로 인해 운전자에게는 더욱 큰 소음과 진동이 전해지게 된다. 한편 6기통 엔진은 4기통보다 폭발이 자주 일어나며 동일 배기량이라 가정했을 때 실린더 용적이 적기 때문에 실린더 내 폭발로 인한 충격이 덜하다는 장점이 있다. 이는 엔진 회전 질감을 높이고 승차감을 개선하는 데 도움이 된다. 하지만 엔진 부피, 가격 등을 고려했을 때 모든 차량에 적용될 수 없으며 주로 고급 세단만 탑재되는 경우가 많다. 최근에는 세계 각국의 배기가스 규제가 강화되면서 여러 제조사에서는 4기통 엔진을 주로 사용하는 중이다. 기존에 적용되던 6기통 이상의 엔진들은 대부분 3,000cc가 넘는 고배기량 엔진이기 때문이다. 배기량이 많다는 것은 그만큼 내뿜는 배출가스 또한 상대적으로 많아진다는 의미이기 때문에 이를 해결하고자 기통 수를 낮추는 추세다. 이러한 흐름을 '다운사이징'이라 부르기도 한다. 이처럼 배기량을 낮추는 대신 터보차저와 같은 부품을 추가하여 낮아진 출력을 보강하는 것이 자동차 산업의 기술 트렌드다.[2]
원리
먼저 원리를 알기 전, 행정이라는 것을 알아야 한다. 피스톤이 한 번 올라가거나 내려가는 것을 1행정이라고 하고, 가장 대표적인 방식은 4행정 방식이며, 2행정, 5 행정, 6행정 방식도 있다. 예를 들어 2행정 방식은 피스톤이 한 번 왕복하는 동안 즉, 2행정 하는 동안 한 주기가 끝난다. 4행정 방식은 흡입, 압축, 폭발, 배기를 반복한다. 먼저, 두 밸브가 닫혀 있고 피스톤이 가장 위에 있는 상태에서 시작하는데, 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 열려 혼합기체가 실린더 안으로 주입된다. 그리고 피스톤이 아래로 내려가면서 흡입밸브가 닫히고 흡입이 끝이 난다. 그리고 플라이휠의 회전운동으로 피스톤이 다시 위로 올라가면서 주입된 혼합기체를 압축한다. 압축된 혼합기체는 부피가 줄어들며 밀도가 높아져 폭발력이 강해진다. 피스톤이 맨 위에서 불꽃방전을 일으켜 밀도가 높아진 혼합기체가 순간적으로 연소하는데, 연소하면서 생기는 폭발로 피스톤을 밀어 내린다. 여기서 연소 기체의 열에너지가 플라이휠의 회전운동 에너지로 바뀌게 되고 피스톤이 아래로 내려가는 동안 실린더 안에는 배기가스가 남는다. 플라이휠의 회전운동에 따라 아래로 내려간 피스톤이 다시 올라올 때 배기밸브가 열리면서 연소 기체를 밖으로 내보내게 되고, 피스톤이 맨 위로 올라갔을 때 배기밸브가 닫히고 흡기밸브가 열리면서 흡입 과정이 다시 시작된다. 즉, 엔진의 실린더에 연료를 흡입하여 폭발시킨 힘으로 피스톤을 밀어내고 밀려난 피스톤이 축을 회전시켜 그 힘이 바퀴에 전달되어 자동차가 구동되는 것이다.[3]
종류
I6
I6(inline-six engine)는 직렬 6기통 엔진으로 6개의 실린더가 직렬로 나열된 방식이다. 직렬 6기통의 장점에는 무엇보다 매끄러운 부드러움에 있다. 진동은 피스톤처럼 왕복 운동 하는 부품들과 플라이휠이나 크랭크 샤프트처럼 회전하는 것들 때문에 생긴다. 엔진 균형은 극도로 복잡하지만, 주된 진동은 크게 엔진 회전에 맞춰 일정한 주파수로 발생하는 일차 진동과 이차 진동이 있다. 일차 진동은 정신없이 위아래로 오르내리는 피스톤의 관성과 폭발력 때문에 생긴다. 이차 진동은 더 복잡한데, 고르지 않을 뿐 아니라 근본적으로 엔진의 내부 구조 때문에 생긴다. 즉 피스톤이 행정 아래쪽에서 움직일 때보다 위쪽에서 움직일 때 더 빠르게 가속한다는 뜻이다. 엔진 구성은 두 가지 형태의 불균형에 큰 차이를 만든다. 피스톤이 크랭크 샤프트에 180도 간격으로 연결된 직렬 4기통 엔진에서는 1번과 4번 피스톤이 위쪽으로 움직일 때 2번과 3번은 아래쪽으로 움직인다. 동력 행정은 겹치지 않고 일차 불균형과 큰 이차 불균형이 있다. 직렬 6기통 엔진에서 피스톤은 크랭크 샤프트에 120도 간격으로 연결되어 있고, 동력 행정이 겹치면서 피스톤마다 반대 방향으로 움직이는 것이 있기 때문에 불균형을 상쇄한다. 그래서 여전히 이차 불균형이 있음에도 일차 균형은 완벽하다. 직렬 엔진은 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. 부드러움이라는 타고난 장점과는 별개로, 직렬 6기통 엔진들은 실린더 헤드가 두 개가 아닌 하나고, 캠샤프트 수도 적을 뿐 아니라 흡기와 배기 시스템도 덜 복잡하므로 설계가 단순하다. 구조적 측면과 생산성 측면에서 모두 더 경제적인 이유다. 단점도 있는데, 피스톤이 수직으로 서 있기 때문에 무게 중심이 아무래도 높을 수밖에 없다. 레이스카는 반드시 지양해야 하는 구조이고, 스포츠카도 마찬가지이다. 물론 다양한 보완기술로 약간의 만회는 가능하지만, 레이스카 같은 경우 그러한 기술의 적용이 불가 하므로 직렬 6기통 엔진의 사용이 불가하다. 또 무게중심뿐만 아니라 가로 배치가 아닐 경우 엔진룸 패키징의 꽤 까다로워서 그런 점에서는 분명 단점이 존재한다. 그리고 엔진의 길이가 다른 엔진보다 더 길어서 엔진 자체의 강도가 많이 떨어지기도 한다. 직렬 6기통 엔진은 디젤이나 가솔린 따지지않고 직렬형 엔진을 볼 수 있는 마지막 단계이다. 왜냐하면 6기통쯤 되면 엔진 길이가 매우 길어지는데, 이로 인해 이 이상의 실린더 개수에서는 크랭크 샤프트나 캠샤프트가 너무 길어지기 때문에 고속 엔진에서는 직렬형 6기통을 초과하는 엔진을 볼 수 없다. 다만 저속기관에서는 볼 수 있다. 디젤의 경우 버스, 트럭 등 대형 상용차들도 대부분 직렬 6기통이다. 옛날 상용차용 V8, V10 디젤엔진들이 점차 직렬 6기통으로 대체되었기 때문이다. 국산차 중 I6 엔진을 도입한 차종은 한국지엠㈜ 매그너스(GM Daewoo Magnus)와 한국지엠㈜ 토스카(GM Daewoo Tosca), 쌍용자동차㈜ 체어맨(SsangYong Chairman), 대우자동차㈜ 임페리얼(Daewoo Imperial), 쌍용자동차㈜ 무쏘(SsangYong Musso) 5개 차종이지만 임페리얼은 오펠의 직렬 6기통 엔진 엔진이 영 좋지 못해 얼마 안 가 단종되었고, 무쏘 320 가솔린은 찻값도 비싸고 연비도 안 좋아 별로 안 팔렸고, 그나마 많이 볼 수 있는 차량이 한국지엠 매그너스, 한국지엠 토스카, 쌍용 체어맨이다. 특히 체어맨에 탑재된 메르세데스-벤츠(Mercedes Benz) M104 엔진은 10년 넘게 생산되며 3.6L로 배기량도 늘리고 사일런트 체인으로 나름대로 설계 개선까지 하며 장수하였다. 현재는 제네시스(Genesis) GV80의 3.0L I6 디젤엔진으로 다시 직렬 6기통이 부활하였으며, 현대자동차그룹 최초로 자체 개발한 승용차용 직렬 6기통 엔진 엔진이다. 매그너스와 토스카에 적용된 엔진의 경우 가로배치식 I6형 엔진이다. 유사한 형식은 볼보(volvo) S80 3.2L 엔진에서도 볼 수 있는데, 엔진 폭을 줄이려고 발전기 벨트를 플라이휠 쪽에서 꺼내서 돌린다. 대한민국에서는 실내공간을 중시하는 문화로 인해서 직렬 6기통 엔진 엔진을 많이 쓰지 않았다. 체어맨도 메르세데스-벤츠의 W124 플랫폼 자체가 세로 배치이지만, 국내 소비자 입맛에 맞게 휠베이스를 늘렸기 때문에 어느 정도 만족하는 실내공간을 뽑아냈다. 알다시피 비엠더블유(Bavarian Motor Works)는 직렬 6기통 엔진을 매우 애용하는 회사다.[4][1][5]
V6
V6은 실린더가 V자를 그리며 지그재그 형태로 배열된 형태의 6기통 V형 엔진이다. 먼저 V형 엔진이란 엔진의 실린더 배열 방식의 하나로서 직렬 엔진 다음으로 자동차에 가장 일반적으로 사용되는 엔진 형식이다. V형 엔진은 수평대향 엔진과 직렬 엔진의 중간 형태를 띤다. 무게 중심은 직렬 엔진보다 다소 낮아지며 실린더를 지그재그 형식으로 배치하는 만큼 같은 두 통수의 직렬 엔진보다 엔진 길이가 짧아진다. 그래서 6기통 이상의 승용차용 엔진은 지금으로서는 대부분 V형 엔진 구조를 쓴다. 6기통 이상의 직렬 엔진은 일반적인 승용차나 소형 상용차에서는 엔진의 길이뿐만 아니라 구조적인 문제로 개발이 어려우며, 특히 가로배치 전륜구동 승용차용 직렬 6기통 엔진은 개발과 개량이 쉽지만은 않아 V형 6기통 엔진이 대부분을 차지하고 있다. 설계나 부품이 직렬 엔진보다 복잡해지는 약점은 있지만, 직렬 엔진으로 대배기량 엔진을 만드는 것이 어려운 이상 6기통 이상의 승용차 엔진은 싫어도 V형 엔진이 주류가 될 수밖에 없는 것이 현실이다. V형 엔진의 변형으로 W형 엔진이라는 것도 있는데, 이것은 구조 면에서는 V형 엔진 두 개를 합친 것과 비슷하지만, 엔진이 물리적으로 두 개인 것은 아니다. 구조를 거의 정사각형에 가깝게 만들 수 있어서 전면 면적을 줄일 수 있다는 이점 덕분에 수랭식 엔진은 보통 1인승이나 직렬형 2인승 프로펠러기에 장착된다. 6기통 이상 선박용 엔진 중 소형선박에 장착되는 엔진 역시 주로 V형 엔진을 쓴다. 더 자세히 v6에 대해서 더 자세히 설명하자면, V6는 엔진의 길이가 직렬 6기통 엔진에 비해 짧고 60~90도가량으로 뱅크 각이 주어져 있기 때문에 무게 중심이 낮다.
그래서 운동 성능 부분이 유리한 점이 더 많고 패키징 부분에서도 유리한 부분이 많은데, 특히 전류구동 차량을 만들 때는 거의 V6엔진을 많이 사용한다. 그리고 컴팩트하기에 얻는 이점은 보강을 많이 해야 할 필요가 없고 패키징에 여유가 있기 때문에 개발 비용이 줄어든다. 또한, 출력을 더 얻기 위해 희생해야 할 것들이 직렬 6기통 엔진보다 적은 편이다. 구조를 변경해야 할 것이 더 적기 때문이다. 하지만 단점도 있는데, 밸런스 부분에서 직렬 6기통 엔진보다 불리하다. 따라서 진동이 조금 더 심하다. 물론 눈에 띌 정도로 진동이 심하진 않다. 그 이유는 추가 부품 덕분인데, 이 추가부품 밸런싱 샤프트는 진동을 상쇄시키는 별도의 무게추를 달고 있는 샤프트인데, 이는 피스톤의 폭발 순서에 따라 발생하는 진동을 무게추를 회전시켜서 상쇄시키는 부품이다. 하지만 이 부품을 추가시키면 비용이 들기 때문에 비용 부분에서의 또 다른 단점이 있다.[6][5]
F6
F6 또는 6기통 수평 엔진(영어: Flat-six engine)은 중앙 크랭크 샤프트의 각 측면에 3개의 실린더가 있는 6기통 피스톤 엔진이다. 먼저 F형 엔진은 수평 대향형 엔진이나 복서 엔진이라는 더 잘 알려 있는데, 먼저 6기통 수평 엔진은 실린더의 볼록이 2개인 엔진으로 특징은 납작하다는 점이다. 이는 엔진이 차 안으로 들어갔을 때, 낮게 넓게 깔리게 되기 때문에 무게중심이 낮아지는 결과가 나온다. 따라서 F형 엔진은 무거운 부품들이 수평면으로 배치되어 있다. 그리고 수평면으로 넓게 부품이 깔려 있다 보니 전체적인 높이가 낮아져 차량의 후드 높이를 낮출 수 있다. 또한 핀 저널에 1개의 커넥팅로드가 조립되거나 기통 수가 많아질 경우 반대편 피스톤끼리 반대 방향으로 운동을 해서 피스톤의 반동이 반대편 피스톤에 의해 상쇄되므로 진동이 적고 회전이 부드럽다. 그렇게되면 회전이 부드러워져서 고회전이 밸런스가 우수해져서 고회전이 유리해진다. 크랭크축 방향으로 길이가 짧은 것도 특징인데, 2열 방열이므로 축 방향이 짧다. 단점으로는 실린더의 편마모 현상이 일어난다는 점이다. 피스톤이 누워 있는 상태이기 때문에 왕복운동이 중력 방향의 실린더 표면이 빨리 마멸된다. 그리고 피스톤이 누워 있음으로 크랭크를 잠기게 하려면 피스톤에 누수가 되므로 윤활이 어렵다. 또, 엔진의 주요부가 아래에 있으므로 위에서는 보기가 쉽지만 아래 있는 것들은 정비가 어렵다. 누워 있는 특성상 구조가 다른 형들의 비해 복잡하다는 점도 있다. 따라서 정비가 까다롭기도 하다. 수평 6기통 엔진은 독일의 포르쉐(Porsche)와 일본의 스바루(Subaru)에서만 볼 수 있는 형식이다.
이륜차 부분에서는 혼다(Honda Motor) 골드윙(Gold Wing)이 1.8L 박서 6엔진을 사용 중이다. 포르쉐 비트라면서 불리는 박서 6엔진 특유의 배기음이 인상적이며, 같은 실린더라도 직렬-V형-박서형에 따라 배기음이 미묘하게 달라지는데 박서 6기통 엔진은 그 개체 수가 극히 드물어서 배기음 면에서도 인기가 있는 편이다.[7][1]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 〈6기통〉, 《나무위키》
- ↑ VIEW H, 〈4기통, 6기통... 엔진 기통수가 많으면 어떤 점이 좋을까?〉, 《네이버 포스트》, 2019-06-24
- ↑ 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
- ↑ 제시 크로스(Jesse Crosse), 〈직렬 6기통 엔진이 다시 늘어나는 이유?〉, 《아이오토카》, 2020-12-07
- ↑ 5.0 5.1 마요네즈, 〈L6와 V6의 특징과 장단점〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-06
- ↑ 〈V형 엔진〉 , 《나무위키》
- ↑ 카덕후, 〈F형 엔진〉, 《네이버 블로그》, 2013-05-31
참고자료
- 〈6기통〉, 《나무위키》
- VIEW H, 〈4기통, 6기통... 엔진 기통수가 많으면 어떤 점이 좋을까?〉, 《네이버 포스트》, 2019-06-24
- 김서현, 〈내연기관 자동차의 심장, 엔진 이야기〉, 《타고》, 2021-02-18
- 제시 크로스(Jesse Crosse), 〈직렬 6기통 엔진이 다시 늘어나는 이유?〉, 《아이오토카》, 2020-12-07
- 마요네즈, 〈L6와 V6의 특징과 장단점〉, 《네이버 블로그》, 2017-02-06
- 〈V형 엔진〉, 《나무위키》
- 카덕후, 〈F형 엔진〉, 《네이버 블로그》, 2013-05-31
같이 보기
