5기통

5기통은 실린더가 5개로 이루어진 엔진이다. 단일 엔진 블록과 크랭크 케이스를 공유하는 5개의 실린더가 한 줄 또는 평면에 정렬되어 있다. 4기통 엔진만큼 콤팩트하고 6기통 엔진만큼 부드러운 것이 특징이다.

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개요

5기통은 말 그대로 5개의 실린더를 사용한 엔진으로, 비주류인 홀수 기통 엔진 중에서 3기통과 함께 사용 빈도가 그나마 높은 엔진 방식이다. 5기통 엔진은 대체로 직렬 5기통과 V형 5기통의 두 가지의 형태를 띈다. 가장 일반적인 예는 직렬 5기통 레이아웃이다. 직렬 5기통은 5개의 실린더를 일렬로 배치한 형태로, 직렬 4기통 엔진과 직렬 6기통 엔진의 중간에 가까운 형태와 특성을 지녔다. 직렬 5기통 엔진은 직렬 4기통에 비해 회전질감이 우수한 대신 직렬 6기통보다는 부족하다. 또한 홀수 기통 엔진에서 나타나는 독특한 구동 및 배기음이 매력 포인트로 작용하기도 한다.

역사

5기통 엔진의 역사는 아우디(Audi)와 시작되었다. 아우디의 콰트로보다 더 먼저 세상에 빚을 본 것이 있다면 바로 가솔린 5기통 엔진이었다. 1976년 아우디 100(C2) 모델에 장착되었는데, 이 기술은 당시 아우디 기술 이사였던 페르디난트 피에히(Ferdinand Piech)에 의해 탄생했다. 피에히는 페르디난트 포르쉐(Ferdinand Porsche)의 외손자로, 집안의 포르쉐 경영 참여 문제로 갈등을 빚으며 회사를 떠나게 된다. 그리고 아우디에 입사하기 전, 30대 초반의 젊은 피에히는 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)에 잠시 머물며 디젤 5기통 엔진 개발을 제안하고 시제품까지 만들어 놓는다. 이후 메르세데스-벤츠는 1974년 5기통 디젤 엔진이 장착된 모델을 내놓고 판매에 들어가는데, 이때 시작된 메르세데스-벤츠의 5기통 디젤 엔진은 이후 쌍용자동차㈜에 한동안 적용되기도 했다. 피에히가 포르쉐에서 일하던 시절 처음 눈뜬 5기통 엔진은 디젤이 아닌 5기통 가솔린 엔진으로 아우디에서 꽃을 피우게 된다. 피에히는 5기통 엔진이 4기통 엔진보다 출력이 좋고, 6기통보다 작고 저렴해 효율적인 엔진이라고 믿었다. 반대로 보자면 4기통보다 연비나 배출가스에 손해이고, 6기통에 비해 부드럽지 못하고 밸런스가 좋지 못하다고도 할 수 있는 엔진이기도 하다. 2016년 11월에는 5기통 엔진 40주년을 기념하는 행사가 독일에서 열리기도 했다. 5기통 엔진은 주로 2.5리터급 배기량을 보이는데, 이는 효율이 좋은 조합이었다. 하지만 연비 문제가 화두가 되면서 작고 출력이 강한 2.0리터급 4기통 엔진에 밀리기 시작했다. 독특한 5기통만의 사운드나 토크감은 더는 매력적인 요소가 되지 못하는 시대가 도래하면서 5기통 엔진의 입지는 점점 줄어들고 있다.

점화 순서

5기통 직렬 엔진의 일반적인 발사 순서는 1-2-4-5-3 및 1-5-2-3-4이다. 균등 발사 엔진만을 고려하면 4 행정 직선 4, -6 또는 -8 실린더 엔진과 달리 각 5 기통 크랭크 구성은 단일 발사 순서 및 역방향만 지원한다. 대조적으로, 표준 직선형 6 개 크랭크 샤프트 디자인은 밸브, 점화 및 연료 공급에 필요한 변경을 가정하여 4개의 다른 발사 순서 중 하나에서 실행할 수 있다. 즉, 1-5-3-6-2-4에서 제공하는 깔끔한 흡기 및 배기 포장으로 인해 거의 벗어나지 않는다. 720도를 5로 나눈 값은 360의 제수가 아닌 144이므로 항상 5개의 크랭크 핀 위상을 가져야 하기 때문에 4 행정 인라인 5는 실린더 사이에 피스톤 위상을 공유할 수 없다. 이런 식으로, 5기통 직렬 엔진의 균형은 특별히 그리고 본질적으로 발사 순서와 연결되어 있으며, 그 반대의 경우도 별도로 선택할 수 없다. 2행정 엔진의 경우, 모든 인라인 엔진은 주어진 크랭크 구성에 대해 단일 발사 순서를 갖는 점에서 유사하게 제한된다. 360도마다 완전한 사이클이 발생하기 때문에 동시 점화 없이 피스톤 위상을 공유할 기회가 없으므로이 경우 인라인 5는 불리하지 않는다. 가능한 총 발사 주문 수를 계산하려면 순환 순열의 간단한 조합만 필요하다. 발사 순서는 주기적이거나 순환적이다. 따라서 1-2-3은 2-3-1 및 3-1-2 등과 동일하다. 이는 총 순열 수를 실린더 수의 계수로 줄일 수 있음을 의미한다. 이 경우 5가 나온다. 따라서 총 잠재적 발사 명령 수는 다음과 같다.

${\frac {5!}{5}}\;=\;4!\;=\;4\times 3\times 2\times 1\;=\;24$

형질

포장 및 성능

5기통 엔진은 비교 가능한 4기통 엔진보다 제조하는 데 더 길고 비싸지만 볼보와 같은 일부 제조업체는 6기통보다 작은 공간에서 더 큰 용량이 이러한 비용보다 더 크다고 생각한 적이 있었다. 포드 포커스 RS Mk2 고성능 자동차는 매우 유사한 출력 수준으로 포드가 개발한 동일한 볼보 5기통 엔진을 사용하며 지금까지 만들어진 가장 강력한 전륜구동 생산 자동차 중 하나이다. 고출력 5기통 자동차의 또 다른 예는 2.2 터보 차저 엔진이 311마력을 가지고 있는 아우디 RS2이다.

밸런스

6기통 수평 엔진에 비해 5기통 수평 엔진의 단점은 5기통 직렬 엔진이 본질적으로 균형을 이루지 못한다는 것이다. 모든 균등 발사 직선 5차 설계는 1차 및 2차의 자유 모먼트를 가지며, 직선 6차는 1차 또는 2차에서 효과적으로 불균형이 없다. 이는 직선 6개에서 추가 밸런스 샤프트가 필요하지 않음을 의미한다. 비교해 보면 4기통 직렬 엔진은 1차 또는 2 차의 자유 모멘트가 없지만 2차의 큰 자유력이 있어 불균형한 4차 설계에서 발견되는 진동에 기여한다.

대표 엔진

볼보 D5 엔진

볼보 D5 엔진은 직렬 5기통 구조의 승용 디젤 터보 엔진이다. 볼보(Volvo) 최후의 직렬 5기통 엔진이라 할 수 있는 이 엔진은 실린더 헤드와 블록이 모두 알루미늄으로 만들어진 DOHC 엔진으로, 사양에 따라 2.0리터 사양과 2.5리터 사양으로 나뉘어진다. 2001년부터 선보인 이 엔진은 가변지오메트리 터보차저와 피에조 인젝터를 적용하여 뛰어난 성능을 자랑했다. 총 3세대에 걸쳐 만들어진 볼보 D5 엔진은 볼보의 승용 디젤 엔진 중 수작으로 평가받는다. 현재는 2013년부터 투입되기 시작한 완전 신형의 4기통 드라이브-E 엔진에게 자리를 물려주었다. 볼보 D5 엔진은 일부 변경을 거쳐서 선박용으로도 사용되고 있다. 2019년부터 볼보는 2.0리터 4기통 가솔린 단일 엔진으로 통일해 엔트리급인 XC40에서 플래그십인 XC90까지 모두 같은 엔진을 사용한다. 엔진의 부족한 출력은 터보차저, 슈퍼차저, 전기모터 등을 결합해 해결했다. 이전에는 트림과 성능에 따라 4기통에서 8기통까지 매우 다양한 엔진을 사용했다. 그 중 가장 유명하고 주력이었던 엔진이 바로 5기통 엔진이다.

볼보는 1992년 볼보 S60의 전신인 850부터 5기통 엔진을 사용하기 시작해 2016년, 그러나 볼보의 모듈화로 2세대 볼보 S60을 끝으로 단종됐다. 배기량은 2.0리터, 2.3리터, 2.4리터 2.5리터 등으로 다양했다. 2.0리터의 경우 자연흡기는 126ps, 터보차저 사양은 220ps를 발휘했다. 2.3리터 엔진은 주로 고압 터보차저와 함께 맞물려 당시 볼보의 고성능 모델 850 R과 V70 R에만 탑재됐으며 최고출력은 250ps에 달했다. 2.4리터 5기통 엔진은 1세대 S60, 1세대 S80 등 비교적 신형 차량들에 적용됐다. 특히 당시로는 배기량 대비 높은 260ps의 최고출력을 발휘했다. 2.5리터 사양은 볼보 외에 포드(Ford) 자동차에도 사용됐는데, 이는 당시 볼보가 포드 산하에 있었기 때문이다. 2.5리터 5기통 엔진은 포커스 ST와 포커스 RS 같은 고성능 모델은 물론 몬데오, 쿠가 등 일반 차량에도 두루 사용됐다. 물론 볼보 2세대 S60과 2세대 S80 등에도 탑재됐다. 이 엔진은 볼보의 5기통의 끝판왕이었기 때문에 최고출력이 300ps로 상당히 높은 퍼포먼스를 발휘했다.

폭스바겐 VR5 엔진

폭스바겐 VR5 엔진은 초협각 V6 엔진인 VR6이라는 엔진을 모체로 하고 있는 5기통 엔진이다. 폭스바겐 VR5의 모체인 VR6 엔진은 통상 60~90도 사이의 뱅크각을 가지는 일반적인 V6 엔진을 대폭 소형화하면서 직렬 6기통에 가까운 특성을 얻기 위해 개발한 엔진이다. 고작 15도에 불과한 뱅크각으로 인해 V형 엔진임에도 불구하고 하나의 실린더 헤드를 가지며, 골프와 같은 해치백 차종에도 탑재할 수 있을 정도로 소형화된 것이 특징이며, 여기서 실린더 1기를 제거하여 5기통으로 변환한 것이 바로 VR5 엔진이다. 폭스바겐 VR 엔진은 2.3리터의 배기량으로 150마력의 최고출력을 발휘할 수 있었다. 또한 일반적인 V형과 달리 실린더헤드가 한 개만 있어 V형 엔진의 장점을 취하고 제작 단가도 상대적으로 저렴했다. 그러나 현재까지 생산하고 있는 VR6와 달리 VR5는 1997년에서 2006년까지 9년간 제작됐다. 주요 탑재 차량들로는 4세대 골프, 1세대 뉴비틀, 파사트 등이 있다. 배기량 2.3리터이며 뱅크각은 15˚에 불과했다.

협각 엔진은 무게 중심이 높아지는 단점은 있지만 혼합기의 소용돌이를 빠르게 해 출력을 개선하는데 도움이 된다. 여기에 폭스바겐은 밸브 수도 늘려 그 연소 효과를 개선했다. 전기형의 경우 실린더당 2밸브 즉 10V 방식을 적용해 최고 출력이 150ps 수준이었는데, 2000년부터 제작된 후기형의 실린더당 밸브는 4개로 총 20V 방식이 됐다. 이를 통해 20ps 즉 13% 개선된 170ps의 최고 출력을 발휘하도록 했다. 참고로 VR5는 VR 방식이긴 하지만 V형 5기통으로 분류되기 때문에 역사상 최초로 개발된 V5 엔진이다. 물론 폭스바겐의 VR5 이전에도 V5 엔진을 시도한 사례는 있었다. 1980년대 GM개발하려헸지만 결국 실패로 끝났다. 그리고 모터사이클 분야에서는 혼다가 2002년부터 2006년까지 혼다가 모토GP 출전용 머신 RC211V에 탑재했지만 대회 규격이 바뀌면서 사라졌다.

아우디 직렬 5기통

아우디 직렬 5기통 엔진은 아우디의 기념비적인 첫 양산형 엔진으로, 총배기량 2.1리터(2,144cc)로 136마력의 힘을 냈다. 아우디 최초의 5기통 가솔린 엔진으로, 1978년 2세대 아우디 100에 탑재되었다. 최고출력은 카뷰레터 방식이 115ps, 터보+인젝터 방식이 170ps에 달했다. 그리고 모터스포츠에 출전하는 경주차에도 이 엔진을 토대로 설계한 5기통 엔진을 적극적으로 사용했다. 가장 유명한 사례로는 1987년 파이크스피크(Pikes Peak)에 출전한 아우디 스포츠 콰트로 S1(Audi Sport Quattro S1)에 장착된 엔진이 있다. 2.1리터의 배기량으로 598마력/8,000rpm에 달하는 괴물 같은 힘을 내는 엔진을 보닛 아래 품은 아우디 스포츠 콰트로 S1은 파이크스피크에서 10분 47초 85라는 신기록을 수립했다.

그리고 이 엔진은 1980년 아우디 100을 기반을 제작한 2도어 쿠페 아우디 콰트로에도 적용됐으며 1985년에는 역사상 가장 위대한 그룹 B 랠리 머신으로 기억되는 아우디 스포트 콰트로 S1에도 사용됐다. 아우디 스포트 콰트로 S1에 탑재된 2.1리터 5기통 엔진은 터보차저를 비롯해 시대를 초월하는 개조를 통해 현재 기준으로도 높은 480ps를 발휘했다. 그리고 그룹 B랠리가 폐지된 후 아우디는 1987년, 무려 600ps까지 최고출력을 끌어올려 파이크스 피크 힐클라임 대회서 10분 47초라는 신기록을 세우기도 했다. 아우디의 5기통 엔진은 1994년 아우디 RS4의 전신인 RS2에도 사용됐다. RS2의 2.2리터 5기통 엔진은 포르쉐가 튜닝해 최고출력이 315ps에 달했다. 또한 2011년부터는 2세대 아우디 RS3 및 TT RS에 2.5리터 5기통 엔진을 사용하기 시작했다. 이 엔진은 람보르기니 및 아우디에 탑재되는 5.0리터, 5.2리터 V10 엔진을 반으로 자른 것으로 최고출력이 340ps에 달했다. 이후 3세대 RS3부터는 최고출력이 400ps로 대폭 향상됐으며 2020년 421ps를 발휘하는 A45 AMG가 출시되기 이전까지 가장 강력한 해치백이었다.

메르세데스-벤츠 OM602

메르세데스-벤츠 OM602 엔진은 메르세데스-벤츠가 1985년부터 생산했던 직렬 5기통 레이아웃의 10밸브 예연소실식 SOHC 디젤 엔진이다. 세계 최초로 승용차에 5기통 엔진을 탑재했다. W201, W124 등의 세단 모델은 물론, SUV 모델 G클래스와 상용차인 스프린터 등에 약간의 변경을 거쳐 두루 쓰였던 엔진이다. 이 엔진은 국내에서도 상당히 친숙한 엔진이기도 하다. 그 이유는 이 엔진이 쌍용자동차의 무쏘(MUSSO)를 통해 사용되었기 때문이다. OM602 엔진은 초기형 무쏘 601 모델의 낮은 평가를 뒤집는 원동력이 되었고 이후 렉스턴에도 채용되는 등 꾸준한 개량을 거쳐가며 사용했다. 그리고 이 엔진을 기반으로 한 2.7리터 XDI 엔진을 개발하기도 하는 등, 쌍용자동차의 엔진 개발에 있어 중요한 역할을 했다. 메르세데스-벤츠의 5기통 디젤 엔진은 내구성이 매우 좋기로 유명하다. 특히 OM617 3.0리터 디젤 엔진의 경우 1974년부터 1991년까지 살짝 개선만 했을 뿐 전체적인 구조는 그대로 사용했다. 또한 교체나 별도의 수리 없이 100만km를 완주하며 내구성을 증명하기도 했다. OM617 엔진이 탑재된 차량으로는 E클래스의 전신인 W114, W123, W124가 있다. 최고출력은 초기형의 경우 88ps이며 후기형은 125ps까지 발휘했다. OM617의 후속인 OM602는 2.5 및 2.9리터 5기통 디젤 엔진이다. 한편 메르세데스-벤츠는 이 엔진을 G클래스와 W210 E클래스에 사용했다. 최고출력은 2.5리터가 90ps 2.9리터가 129ps이었다. 이후 OM605, OM612를 거쳐 메르세데스-벤츠의 마지막 5기통 디젤 엔진 OM647을 개발했다. OM647은 배기량이 2.7리터이며 1세대 메르세데스-벤츠 ML클래스, W211 E클래스 등에 탑재됐다. 그리고 쌍용자동차는 이 엔진을 새로 설계해 렉스턴과 카이런에 사용하기도 했다.

랜드로버 Td5

랜드로버 Td5는 1998년 1세대 디스커버리 후기형에 탑재된 5기통 엔진이다. 랜드로버(Land Rover)의 2.5리터 5기통 디젤 엔진은 유로 3 규제 이후의 배기가스 기준을 만족시킬 수 없어 2007년에 단종됐지만 특별한 엔진으로 기억되고 있다. 이는 당시 랜드로버가 비엠더블유(BMW) 산하에 있던 시절 유일하게 자체 제작된 엔진이기 때문이다. 참고로 당시 랜드로버는 비엠더블유 엔진과 변속기, 플랫폼 등을 사용했다. 이 엔진은 디펜더와 디스커버리에 탑재하기 위한 것이었다. 내구성도 좋고 해당 차종들과의 궁합도 좋아 9년간 31만 개가 생산됐을 정도로 큰 인기를 누렸다. 당시 승용 SUV의 디젤 엔진으로서는 드물었던 전자식 인젝션을 사용하는 등 첨단적 면모도 자랑했다. 엔진의 퍼포먼스는 랜드로버 디펜더에 탑재된 사양이 124ps, 디스커버리는 138ps로 디젤 엔진임에도 준수한 성능을 보유했었다. 또한 지속적으로 개량을 거듭해 끝에는 최고출력이 182ps까지 향상됐다. 이처럼 Td5 엔진은 신뢰도가 높아서 당초 랜드로버 군용 차량에 탑재될 예정이었다. 하지만 전자식 인젠셕 등 전자장비가 많아 정비가 어려워 무산됐다. 그리고 2000년 회사의 주인이 BMW에서 포드로 바뀌면서 디펜더와 디스커버리에 탑재되던 Td5엔진은 포드의 2.4리터 4기통 디젤 엔진으로 교체됐다. 참고로 Td5 엔진이 탑재된 랜드로버 디스커버리는 지난 2000년 대한민국에 정식 수입됐었는데, 이는 국내 최초로 수입된 디젤 자동차였다.

근황

경제가 어려워지면서 연비가 좋은 차가 인기를 끌게 되면서, 동급이면 배기량 적은 모델이 유행하기 시작했다. 또한, 각국 정부가 친환경 정책에 따라 다기통 엔진에 엄청난 세금을 부과하자 자동차 업계는 엔진 다운사이징으로 대응했다. 5기통 엔진의 대명사였던 볼보조차 4기통 엔진으로 변환하는 추세를 보이고 있다. 엔진 다운사이징은 실린더의 크기나 개수를 줄여 배기량을 낮추면서도 동일한 출력을 내는 기술이다. 이를 가능케 한 것은 터보차저라는 장치로, 엔진이 배출하는 가스 압력으로 터빈을 돌려 그 힘으로 실린더에 공기를 추가로 밀어 넣는다. 실린더의 원래 용량보다 더 많은 공기를 넣어 큰 출력을 낼 수 있기 때문에 효율과 연비가 좋아진다. 항공기 엔진으로 처음 개발됐지만, 지금은 자동차 엔진에 더 많이 쓰이고 있다. 한국기계연구원 그린동력연구실 오승묵 실장은 "연비를 높인 친환경 자동차에 대한 요구가 늘면서 배기량을 줄이는 다운사이징이 유행하는 추세"라며 2000cc 엔진을 터보차저를 탑재한 1600cc 엔진으로 대체해도 같은 힘을 낼 수 있기 때문에 더 이상 크고 무거운 5기통 엔진을 쓸 필요가 없다고 말했다. 따라서 기술이 발전하며 효율이 훨씬 개선된 4기통 엔진의 선방으로 자동차 업계에서 독특한 위치를 점유하며 마니아들의 사랑을 받아 온 5기통 엔진의 입지는 불명확해지고 있다. 이러한 흐름 가운데 5기통을 고집하는 회사가 있다. 바로 아우디이다. 다운사이징에 대한 국제적 흐름에도 불구하고, 아우디의 5기통 엔진은 마니아들에게 큰 사랑을 받고 있다. 일부 전문가들은 다가오는 유로 7 규정으로 인해 아우디가 2.5리터 5기통 엔진을 2.0리터 4기통 엔진으로 대체할 것이라고 예측했지만, 이러한 예측은 사실이 아닌 것으로 밝혀졌다. 아우디 고-패스터 사업부의 대표는 이미 충분한 기술을 확보하여 5기통 생산을 지속할 수 있을 것이라고 확신했다. 아우디는 차세대 자동차에 5기통 엔진을 장착하기 위해 꾸준히 규정에 맞추는 기술개발을 해 왔다. 이러한 5기통 엔진이 포함될 모델은 RS3 스포츠백, RS3 세단뿐만 아니라 Q3 RS와 RS Q3 스포츠백 또한 포함한다. 아우디가 2.5 리터 엔진을 계속 유지하겠다고 약속함에 따라, 폭스바겐이 5기통 골프 R을 출시할 가능성 또한 커지고 있다.

참고자료

• 박병하 기자, 〈4기통와 6기통 사이, 5기통 엔진들〉, 《모토야》, 2019-01-01
• 핀카스토리, 〈4와 6사이, 5기통 엔진은 오디가쓰까?〉, 《브런치》, 2017-01-20
• 우아영 기자, 〈역사 속으로 사라져 가는 5기통 자동차 엔진〉, 《드림USN》, 2015-04-19
• 장희찬 기자, 〈아우디, 2.5리터 5기통 엔진 생산 지속〉, 《글로벌오토뉴스》, 2019-07-25
• 온갖차, 〈4보다 크고 6의 장점을 담은 5기통 엔진〉, 《네이버 포스트》, 2020-08-05

같이 보기

• 2기통
• 4기통
• 6기통
• 7기통
• 8기통
• 10기통
• 12기통
• 16기통
• 18기통
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