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4기통
4기통은 실린더가 4개인 엔진이다. 현재 보편적인 엔진 중 하나이기 때문에 엔진하면 떠오르는 이미지 또한 4기통이라 할 수 있다. 엔진은 실린더로 이루어지고 실린더 안 연료와 공기를 혼합 후 주입하고 압축한 후 폭발을 일으키고 발생한 힘을 동력계통에 전달하고 차가 주행이 가능해진다. 이 실린더 개수가 4개인 것이다. [1]
개요
4기통은 실린더의 수와 배열 모양에 따라 엔진을 분류한 것으로, 기통은 실린더를 의미하는데 4기통 엔진은 4개의 실린더로 된 엔진을 의미한다. 배열 모양에 따른 분류로는 4기통 직렬 엔진, V4, F4(4기통 수평 엔진), 스퀘어 포 엔진(Square four engine) 등이 있는데 4기통 직렬 엔진은 배열이 직선으로 되어있는 형태이고, V4는 4개의 실린더를 V형으로 배치한 형식, F4는 4기통 수평 엔진으로 평면 4개 엔진이 각 쌍의 대향 실린더가 동시에 안쪽과 바깥쪽으로 움직이는 형태이다. 그리고 스퀘어 포 엔진(Square four engine)은 형태가 사각형인 엔진이다.[2]
원리
4행정 기관을 갖는 엔진을 4기통 엔진이라고 한다. 먼저 4행정이란, 흡기, 압축, 폭발, 배기라는 네 가지의 피스톤 움직임을 1 사이클로 하여 크랭크축이 2번 회전할 때 이 모든 행정이 마무리되어 1 사이클이 되는 것을 일컫는다. 이러한 구조로 엔진은 작동하게 되는데, 먼저 흡기행정은 피스톤이 아래로 내려가면서 실린더 내부에 연료가 혼합된 공기(혼합기)를 넣은 후 밸브를 닫아 밀폐시킨다. 그리고 압축행정은 내려갔던 피스톤이 위로 올라오면서 혼합기를 압축시키는 것이고, 폭발행정은 점화플러그에서 스파크를 일으켜 압축된 연료와 공기를 연소시킨다. 이때 생겨난 폭발력으로 피스톤은 아래로 내려가고 동력을 얻게 된다. 마지막으로 배기행정은 내려간 피스톤이 다시 올라오면서 배기밸브가 열리고 배기가스가 배출되는 것이다. 그런데 이러한 4행정은 실린더 1개만으로는 원활히 구동할 수는 없다. 마지막 배기행정에서 피스톤이 올라오려면 다른 피스톤에서의 힘이 필요하기 때문이다. 각 실린더에서 연쇄적인 폭파행정이 일어나면서 다른 실린더에 힘을 전달하여 계속해서 행정이 유기적으로 일어날 수 있게 돕는다. 각 실린더는 크랭크축이 2번 회전할 때 모든 행정을 끝낼 수 있기 때문에 이것을 1 사이클이라고 보는 것이다.[3]
종류
I4
I4(inline-four engine)은 4기통 직렬 엔진으로(Straight-four engine)이라고도 하는데, 이 4기통 직렬 엔진은 실린더가 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾸거나 그 반대의 일을 하는 공통의 크랭크축을 따라 일렬로 배열된 4기통 피스톤 엔진이다. 피스톤은 수직 방향으로 상하 운동을 한다. 배열이 직선 형태로 되어 있다고 했는데 이렇게 배열 같은 것들이 직선 형태로 한 방향으로 배치가 되어있으면 엔진 설계가 단순하고 그에 따라 일반적으로 제조 비용도 다른 형태에 비해 적게 들게 된다. 하지만 회전운동을 할 경우 진동이 발생하는데, 이 엔진의 진동은 크진 않아도 작다고 할 수는 없지만, 앞에 말했듯 배열이나 설계 또는 부품이 단순하기도 하고 진동에 대한 변수가 적어서 진동을 억제할 방법을 찾기도 쉽다. 그래서 차량 전체를 생각했을 때 직렬 엔진의 진동은 다른 방식의 엔진에 비해서는 적은 편이라고 볼 수 있다. 이 진동을 억제하려면 실린더의 수를 늘려서 균형을 맞추는 형식으로 억제하는데 배기량이 같은 엔진일 경우 실린더 수가 많은 쪽이 힘을 키워주는 데 유리하기 때문에 일반적으로 승용차에는 4기통 엔진에서 6, 8기통 엔진을 주로 사용한다. 따라서 단기통이나 2기통보다 진동이 적다. 하지만 이 직렬 엔진은 단점이 있는데 2,000CC급 전후의 중형 또는 소형 엔진에서 생산성과 정비성 정숙성이 모두 뛰어나지만, 그 이상의 큰 배기량에는 적합하지 않다. 모든 실린더가 일렬로 자리하고 있기 때문에 엔진의 길이가 길어지고 8기통이나 12기통 같은 대형 승용차용 엔진을 이렇게 배치하게 되면 가로 배치로는 버스 정도의 폭이 나오고 세로 배치는 엔진룸이 매우 튀어나오는 형태가 되기 때문이다. 그리고 단기통, 2기통에 비하여 토크가 낮고, 연비가 비싸며 엔진의 중량이 더 무겁다는 점 등이 있다. 또한 저배기량 엔진으로 제작이 어렵다. V4 나 성능이 좋은 V2에 비해서 공기저항을 많이 받는 편이고 코너에서 트랙션이 약한 편이다.
그래도 4기통 엔진은 가솔린 엔진의 경우 실린더당 배기량이 500~600cc를 넘어가면 비효율적이기 때문에 실린더당 배기량이 500~600cc를 넘지 않는 4기통 직렬 엔진은 효율적이기도 하고 동 배기량 대비 필요한 만큼의 회전력이나 출력을 얻을 수 있는 데다가 적절한 생산비와 적절한 유지비 등을 겸비하여 널리 쓰인다. 디젤 엔진은 3.2L 미쓰비시 엔진과 3.0L 토요타(Toyota) 엔진과 같은 더 큰 배기량으로 생산되었다. 그리고 앞에 잠시 말했듯 기통 및 I2, V2 엔진보다 진동뿐만 아니라 출력, 내구성 등이 매우 우수하므로 슈퍼스포츠 및 스포츠 투어러에서 요구하는 성능을 충족시킬 수 있고 V4보다 생산 단가 및 정비 비용이 낮고 차체를 짧게 설계할 수 있다. 그리고 사용자수는 점차 지금보다 올라갈 것이다. 4기통 엔진에 터보를 장착한 차들이 증가하고 있기 때문이다.[4][2][5]
V4
V4는 4개의 실린더를 V형으로 배치한 형식이다. V형 4기통 엔진의 장점은 직렬 4기통 엔진보다 크랭크 샤프트 길이가 짧고, 무게 중심을 낮출 수 있으며, 균형을 맞추기가 쉬워, 진동이 거의 없는, 깔끔한 회전 질감이다. 현대 시대에는 직렬 4기통 엔진 기술이 더 발달함에 따라 또는 제작 단가가 직렬 4기통 엔진보다 높다는 단점으로 인해, 이륜자동차에서나 일부 사용되고 있는 엔진 형태다. 1960년대에서 1970년대에는 포드(Ford Motor Company) 에식스 V4 엔진을 포함한 양산 차에서 볼 수 있었지만, 현재 양산차에서는 보기 힘들다. V4 형태의 단점 때문인데 진동이 발생하고 직렬 구조 형태보다 부피가 커지기 때문이다. 따라서 현재 자동차에서는 보이지 않고 있다. 한때 포르쉐 919 혼합형 경주차에 쓰였었지만, 이것은 경주차였고 일반인에게 판매되고 있는 승용차에는 쓰이지 않는다. 현재는 오토바이 같은 이륜차에 어느 정도 쓰인다고 했는데, I4형 대비 폭이 좁아 매끄러운 코너링이 가능하기 때문에 사용한다. 특징으로는 이 엔진만 가지는 배기음이 난다는 점이 있다. V4를 만약 차량에 적용한다면 정비를 할때도 불편하고 직렬형과 비교해봤을때 직렬형은 엔진헤드가 하나이지만 V4형은 엔진헤드가 두 개로 늘어나므로 비용이 늘어나고 차량금액도 비싸진다. 이륜차의 경우 엔진의 전후 방향 길이가 직렬형보다 길어져 휠베이스가 덩달아 길어지게 되므로 코너링 성능이 더 안 좋아지게 된다. 그렇긴 하지만 V형 2기통 트윈 엔진보다는 진동이 적어 장거리에서 피로하지 않고, 크루징 때 특유의 맥동음을 비롯한 감성을 좋아하는 소유주들이 있다. 그래서 스포츠 바이크보다는 투어러 쪽에 많이 쓰였었다. 하지만 2020년 현재 두카티(DUCATI), 혼다(Honda Motor), 아프릴리아(Aprilia), KTM(KTM-Sportmotorcycle AG) 등 많은 제조사가 모토 GP 머신 및 자사의 시판용 슈퍼스포츠 바이크의 엔진 형식으로 채택한다.
부등 간격 점화 등 여러 가지 이유로 I4보다 코너링 시 트랙션이 우수하며 전면 면적이 줄어들어 공기저항에서 많은 이득을 볼 수 있기 때문이다. 대표적인 V4 엔진 이륜차로는 혼다 VFR/RVF 시리즈, RC 213V, 야마하(Yamaha Corporation) V-MAX, 아프릴리아 RSV 4, 두카티 파니 갈레 V4 등이 있다. 연비를 위하여 일부 V 8차량들이 부하가 적은 정속 운행 때 실린더 4개를 장착해 소프트웨어적으로 V4를 구현하기도 한다. 가변실린더 시스템으로 구현되며 2000년대 이후부터 배기가스 및 연비 규제에 대응하기 위해 많은 V8 엔진에 적용되었다.[6][1]
F4
F4 또는 4기통 수평 엔진(Flat four engine)은 수평 대형형 4기통 엔진, F4, 복서 4(Boxer 4)라고 불리기도 한다. 복서 4라고 불리는 이유는 피스톤이 움직이는 모습이 복싱선수의 행동 같아서이다. 가장 일반적인 유형의 4기통 수평 엔진은 대부분 평면 4개 엔진이 각 쌍의 대향 실린더는 동시에 안쪽과 바깥쪽으로 움직인다. 4기통 수평 엔진은 완벽한 1차 및 2차 균형을 가지고 있지만 2개의 실린더 헤드는 설계가 4기통 직렬 엔진보다 생산 비용이 더 비싸다. 수평 엔진은 일반적으로 엔진의 높이가 낮고 폭이 넓어서 엔진의 무게 중심이 낮아지고 차량의 무게와 균형을 잡아줘서 핸들링이 좋아지게 되고 코너링에서도 이득을 볼 수 있다. 뿐만 아니라 V형 엔진에 비해 같은 기통 수 대비 작은 크기이고 길이가 짧다. 그리고 차량의 설계를 낮게 할 수 있어서 공기저항을 줄일 수 있고 직렬엔진에 비해서는 차지하는 공간이 적어지게 된다. 그리고 공기 흐름이 4개의 실린더에 고르게 분산되어 효율적인 공기 냉각에 적합하다. 항공기에서는 중수 냉각 시스템을 휴대할 필요가 없다. 대부분 크랭크 각이 180도라 서로 반대 방향으로 운동하는 피스톤끼리 진동을 상쇄해 직렬형, V형보다 진동이 적은 것도 장점이다. 특징이 있는데, 직렬엔진의 고음과 달리 특유의 소리가 존재한다. 이를 럼블사운드라 칭하며, 실제로 4기통 엔진으로는 상당히 독특한 소리가 나온다. 그리고 단점으로는 실린더 헤드가 1개가 아닌 2개로 되고 폭이 추가가 되면서 구조가 복잡해지고 제조 비용이 비싸 만들고 구현하는 데 비용이 꽤 들 수도 있고, 이 복잡한 구조 때문에 정비도 어렵고 까다롭다. 그리고 실린더 내부에 지면과 수평인 상태의 실린더 배치로 인해 실린더의 위쪽 내면이 보통의 엔진보다 빨리 마모되는 문제인 편마모 현상도 엔진 모델별로 나타나기도 하다. 중력에 의해 기름이 아래쪽에 모이기 때문이다. 예를 들어 포르쉐(Porsche)의 수랭식 포트 분사의 시발점인 M96이 스크래치 다발생으로 유명한데 같은 암호명의 메츠거엔진은 문제 발생이 거의 없는 편이다. 메츠거엔진을 자세히 들여다보면, M96 메츠거엔진의 구조는 1970년대에 쓰던 공랭식 엔진과 구조와 같다. 기어로 물려있는 인턴 미디어스 샤프트와 크랭크 샤프트, 블록과 일체형인 크랭크 샤프트 베어링, 캠 샤프트 체인 위치, 오일펌프 등 거의 모든 것이 다르다. 물론 중력이 존재하는 만큼 모든 문제가 해결되었다는 것은 아니다. 이러한 점으로 4기통 직렬 엔진이 4기통 수평 엔진보다 더 일반적으로 사용되고 V6 엔진은 더 큰 배기량이 필요한 곳에 자주 사용되고 있다. 4기통 수평 엔진은 대표적으로 스바루(Subaru Corporation)의 대부분의 차들이나 포르쉐 911 등이 사용하고 있고, 그 외의 제조사로는 스바루-토요타 합작인 토요타 86이 F4형 엔진이다. 포르쉐는 최근까지는 F6를 고집하다 터보조합으로 포르쉐도 F4형 엔진을 쓰기 시작했다. 첫 도입은 폭스바겐 비틀의 수평대향형 4기통이었고 포르쉐 356 또한 비틀의 섀시와 엔진을 이용한 차량이기 때문에 볼 수 있었다.[1][7][8]
스퀘어 포 엔진
스퀘어 포 엔진은 스퀘어 4기통이라고 하며 스즈키 RG500 등의 1950년대에서 1970대쯤 높은 성능의 엔진들이 이런 형식이었다. 이렇게 설계를 한 이유는 2행정 엔진 특성상 크랭크케이스에서 피스톤 하강에 의해 발생한 압력으로 혼합기가 역류하는 것을 방지하기 위해 로터리 디스크 밸브가 크랭크샤프트와 동축으로 장착되어야 했는데, 2기통 이상의 대배기량 엔진을 직렬이나 V형으로 설계해버리면 디스크 밸브를 하나밖에 설치 못 하고 그에 따라 흡입 포트가 하나뿐이게 되어 배기량보다 포트가 좁아 원하는 만큼 공기를 빨아들일 수 없기 때문이다. 이런 설계는 소재기술의 발달로 리드 밸브의 내구성이 좋아지자 디스크 밸브를 쓸 필요가 없게 되어서 곧 활용되지 않게 되었다.[1]
비교
- 4기통 VS 6기통
4기통은 실린더가 4개인 엔진이고 6기통은 실린더가 6개인 엔진인데, 이러한 실린더의 차이는 각각 기통 수마다 다른 차이를 가져온다. 일단 첫 번째로 엔진의 소리인데 엔진의 소리는 진동에서부터 나오는 소음이다. 진동이 적다면 소리도 작을 것이다. 기통 수가 클수록 기통당 폭발하는 압력은 낮다. 따라서 6기통이 4기통보다. 즉, 폭발하는 압력이 작게 되는 것이다. 압력이 낮아지게 되면 엔진의 진동 또한 감소하고 소리도 작아지게 되는데, 따라서 6기통이 4기통보다 소음이 덜 내게 된다. 배기량이 많고 비싼 차량은 소음이 덜 내게 되는 걸 선호하게 되기 때문에 다기통을 사용하게 되는 것이다. 두 번째는 부드러운 가속력인데, 4기통은 축 회전이 180도마다 한번 폭발이 일어나는 데 비해 6기통은 120도마다 폭발이 한 번 일어난다. 자주 폭발이 일어날수록 토크가 균일해져서 부드러운 가속이 되는데 그 이유는 자주 폭발이 일어날수록 회전을 고르게 하도록 하면 같은 배기량에서 나오는 힘을 여러 번 나눠서 폭발하면 할수록 더욱더 토크가 균일해져서 부드러운 가속이 되는 것이다. 따라서 폭발이 더 자주 일어나는 4기통보다는 6기통이 더 부드러운 가속이 된다.[8][9]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 〈4기통〉, 《나무위키》, 2021-07-02
- ↑ 2.0 2.1 coolroly coolroly, 〈(자동차상식)직렬4기통에 대해서!〉, 《티스토리》, 2020-04-06
- ↑ 빈센트리, 〈기본적인 엔진 행정구조 이해하기!〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-16
- ↑ 마른모, 〈4기통 엔진의 모든 것, 《네이버 블로그》, 2009-11-27
- ↑ 〈4기통 직렬 엔진〉, 《위키백과》
- ↑ 박병하, 〈(차갑고도 뜨거운 심장, 엔진)란치아 V4 엔진 편〉, 《모토야》, 2017-07-06
- ↑ 〈4기통수평엔진〉, 《위키백과》
- ↑ 8.0 8.1 써니 정종선, 〈수평 대향형 엔진(복서 엔진)〉, 《네이버 블로그》, 2014-11-14
- ↑ 서우진, 〈4기통엔진과6기통엔진의 차이점)〉, 《다음블로그》, 2017.05.20
참고자료
- 〈4기통〉, 《나무위키》
- 〈4기통 직렬 엔진〉, 《위키백과》
- 〈4기통 4기통수평엔진〉, 《위키백과》
- 마른모, 〈4기통 엔진의 모든 것, 《네이버 블로그》, 2009-11-27
- 정종선, 〈수평 대향형 엔진(복서 엔진)〉, 《카푸어 써니의 모빌리티》
- 서우진, 〈4기통엔진과6기통엔진의 차이점)〉, 《다음 블로그》
- 박병하, 〈(차갑고도 뜨거운 심장, 엔진)란치아 V4 엔진 편〉, 《모토야》, 2017-07-06
- 빈센트리, 〈기본적인 엔진 행정구조 이해하기!〉, 《네이버 블로그》, 2017-08-16
- coolroly coolroly, 〈(자동차상식)직렬4기통에 대해서!〉, 《티스토리》, 2020-04-06
같이 보기
