| 실린더 수에 따른 엔진의 분류 | ||||
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1. 개요
실린더가 4개인 엔진을 의미한다.현재 대부분의 엔진이 4행정 기관인 만큼 3개의 실린더가 유휴 중일 때도 반드시 하나의 실린더는 점화 행정진행중이므로 3기통 이하의 엔진에 비해 출력 향상이 가능한 범위가 넓다.
2. 종류
2.1. I형&L형
본래 직렬 엔진의 영문 약자표기는 Inline 4이며 I(아이) 형이 올바른 표현이나 L로 검색해도 검색은 가능하다. Linear 4라고 해도 같은 뜻이기 때문이다.
자동차 중 반 이상 정도가 직렬 4기통 엔진을 사용하고 있을 정도로 매우 많은 빈도를 자랑하는 형식이다.
사진으로 보다시피 실린더가 직렬 1자로 나열된 형식이며, 크랭크당 위상차는 180도이지만 크로스 플레인이라는 크랭크 형식의 직렬 4기통 엔진은 위상차가 8기통처럼 90도이다.
자동차 역사상 가장 오래된 엔진 형태이며,1.4L 이상 2.5L 이하의 대부분의 엔진에서 볼 수 있고 현 시점으로 제일 많이 쓰이는 엔진 배기량 또한 1.4~2.5L이기 때문에 가장 흔하게 볼 수 있고, 엔진 하면 떠오르는 이미지 또한 4기통이라 할 수 있다.[1] 전륜구동 승용 디젤은 2.2L가 사실상의 상한선인데, 이는 변속기의 최대 허용 토크(48kgf*m 정도)를 맞추기 위함이다.
가솔린 엔진의 경우 실린더당 배기량이 500~600cc를 넘어가면 비효율적이기도 하고 동 배기량 대비 필요한 만큼의 회전력이나 출력을 얻을 수 있는 데다가 적절한 코스트에 적절한 유지비 등으로 인기를 얻고 있다고 볼 수 있다.
6기통 자연흡기 엔진이 올라가던 차량에 친환경 및 다운사이징의 열풍으로 4기통 터보 엔진이 올라가는 경우 증가하고 있기 때문에 사용 빈도수는 더 올라갈 것이라 추측된다.
고성능 이륜차의 상징과 같은 엔진 형식이기도 하다. 최초로 양산된 4기통 오토바이인 혼다 CB750을 시작으로 수많은 메이커에서 생산해왔으며 69년 이후로 고출력, 고성능 바이크의 엔진에는 대부분 가로배치 직렬 4기통 엔진이 장착 되었다. 혼다 CBR1000RR, BMW S1000RR, 야마하 YZF-R1 등의 슈퍼 스포츠바이크 뿐만 아니라 혼다 CB400, 가와사키 닌자 H2, 스즈키 하야부사, BMW S1000XR 등의 네이키드 바이크 또는 스포츠 투어러에도 장착된다.
이는 단기통 및 I2, V2 엔진에 비해 출력, 내구성, 진동 등이 매우 우수하기 때문에 슈퍼스포츠 및 스포츠 투어러에서 요구하는 성능을 충족시킬 수 있고 V4에 비해 생산 단가 및 정비 비용이 낮고 차체를 짧게 설계 할 수 있기 때문이다. 단점으로는 단기통, 2기통에 비해 낮은 토크, 연비 및 무거운 엔진 중량 등이 있다. 또한 저배기량 엔진으로 제작이 어렵다.[2] 특히 V4 및 고성능 V2에 비해 많은 공기저항을 받으며 코너에서 트랙션이 약한 편이다.[3]
최근에는 모토GP 등의 서킷 레이스에서 V4 엔진이 대세가 되고 파익스 피크 인터내셔널 힐 클라임 등의 와인딩 레이스에서 V2[4], V4[5]에게 밀리고 있지만 아직도 적지 않은 메이커에서 자사 최고 성능 차량에 I4 엔진을 얹어 시판하고 있으며 공도에서 스포츠 바이크로 I4가 가장 많이 보인다.
여담이지만 2013년에 포뮬러 1 경주차의 엔진규정을 바꿀때 원래 계획이 1,600cc I4 터보 엔진이었다.[6] F1은 이미 80년대에 1.5리터 L4 엔진에 트윈터보를 꼽고 로켓연료를 부어서 일회성 사용으로 1500마력, 레이스에서 800마력 정도로 운용한 적이 있다.
점화순서는 1-3-4-2 또는 1&4-2&3이다.
2.2. V형
4개의 실린더를 V형으로 배치한 형식
60~70년대까지만 하더라도 포드 에섹스 V4 엔진을 비롯해 많이 볼 수 있었지만 지금은 양산차에서는 절대 볼일은 없다. V형의 구조 자체의 단점으로 인하여 진동이 발생하기 쉽고[7] 직렬형보다 부피가 커지기 때문에 현재 자동차에선 거의 쓰이지 않는 상태. 가장 최근에 포르쉐 919 하이브리드 경주차에 쓰인 예가 있으나 일반인에게 판매되는 양산 승용차량에는 거의 없다.
이는 V4 엔진의 특성상 밸브트레인, 캠샤프트 등 인라인 엔진에는 하나만 필요한 부품이 2개가 필요하기 때문에 무게가 증가하고, 엔진 자체의 무게중심도 높아지는 편이며, I4 대비 절반 길이밖에 안 되는 크랭크샤프트에 피스톤 4개를 달아야 하기 때문에 비용과 엔진의 복잡도가 증가해서 생산 효율이 떨어지는 탓이다.
그나마 장점으로는 V형 엔진의 밸런스적 이점 덕분에 I4 엔진에 비해 더 높은 RPM을 확보할 수 있고, 엔진 블럭의 크기를 늘리지 않고도 보어를 늘릴 수 있어서 토크 확보가 용이하다. 또한 이와 더불어 공기 흐름을 효율적으로 제어하기에 유리하기 때문에 출력을 더 높일 수 있다. 또한 I4보다 좌우로 짧아서 더 좁은 공간에 넣을 수 있다.
그러나 차량의 경우 소형차도 I4정도 넣을 공간은 충분히 나오는데다가 출력은 터보차저 등의 과급기로 확보가 가능하며, V4 엔진 자체의 소음이나 진동이 높다는 점 때문에 양산차에서는 굳이 쓸 이유가 없다.
다만 이륜차는 사정이 다른데, 양산 차량에도 여전히 일부 고급 바이크들에 쓰이고 있다. 공간이 매우 부족한 바이크 차체의 자체적인 특성상 I형 대비 폭이 좁다는 점이 꽤 큰 장점이 되고, 무게중심이 상대적으로 위에 위치하게 되면 코너링 시 무조건 눕혀야 하는 바이크 특성상 눕히기가 쉬워져서 매끄러운 코너링이 가능하다.[8] 또한 강성이 높고 I4 엔진에서 발생하는 2차 관성의 불균형을 반 이하로 줄여주기 때문에 과급기를 달 공간도 부족하고 여유도 없는 바이크 입장에선 고RPM을 통한 출력 확보도 쉽다. V형 레이아웃 특성 상 보통 점화 타이밍을 다르게 잡기 때문에 I형의 뽀오오옹 소리가 아닌 고유의 배기음을 가진다. 현재 4기통 바이크는 극히 일부의 투어링 모델을 제외한 대부분이 스포츠 레저용 차량인데, 바이크에 터보차저나 슈퍼차저 등의 과급기를 장착하기는 매우 힘들기 때문에[9] 빅 보어와 고RPM으로 출력을 조금이라도 더 확보할 수 있는 V4가 유리하다. 스포츠 바이크라는 특성상 진동이나 소음도 어느정도 무시가 가능하고, 엔진의 강성이 탁월하다는 점 덕분에 엔진을 프레임의 일부로 사용함으로써 경량화를 할 수도 있다. 덤으로 바이크 엔진은 배기량이 작은데 상당한 고회전형이라 마력에 비해 토크가 부족한 편인데, V4 엔진은 토크 밴드가 더 넓게 나와서 초반 토크 확보에도 이점이 있다.[10] 허나 정비성이 다소 나쁘고 부품의 가공 수준이 올라가기 때문에 차량 금액이 비싸지는 단점이 있다. 직렬형 대비 하나로 끝날 실린더 헤드 및 관련 부품들도 두 개로 늘어나니 당연히 코스트도 늘어난다고 봐야하고, 이륜차의 경우 엔진의 전후방향 길이가 직렬형보다 길어져 휠베이스도 조금 더 길어지게 되므로 무게중심과 좌우 폭 절감으로 확보한 코너링 성능에서 어느정도는 다시 손해를 본다.
그렇지만 V형 2기통 트윈엔진 보다는 진동이 적어 장거리에서 피로하지 않고, 크루징 때 특유의 맥동음을 비롯한 감성을 좋아하는 오너들이 있다. 그래서 스포츠바이크보다는 투어러 쪽에 많이 쓰였었다. 하지만 2020년 현재 두카티, 혼다, 아프릴리아, KTM등 많은 제조사가 모토GP 머신 및 자사의 시판용 슈퍼스포츠 바이크의 엔진 형식으로 채택한다.[11] 부등간격 점화등 여러가지 이유로 I4에 비하여 코너링 시 트랙션이 우수하며 전면 면적이 줄어들어 뱅킹각 한계와 공기저항에서도 많은 이득을 볼 수 있기 때문이다.
대표적인 V4 엔진 이륜차는 혼다 VFR/RVF 시리즈, RC213V, 야마하 V-MAX, 아프릴리아 RSV4, 두카티 파니갈레 V4 등이 있다.
특히 두카티와 아프릴리아 등의 이탈리아 메이커들이 V4를 적극적으로 채택하는 편인데, 아무래도 이륜차에선 성능적인 이득이 크다보니 효율이나 편의성보단 성능과 감성을 중요시하는 이탈리아 브랜드 특성상 고가의 고성능 바이크에 V4를 자주 사용한다. 특히 고성능 레이스 바이크로 유명한 두카티의 경우 90도 V4 레이아웃을 써서 엔진의 진동을 억제하고 멀티스트라다 V4에 탑재된 그란투리스모 V4 엔진은 정기점검 주기를 60,000km로 잡는 등 내구성도 어느정도 확보한 것으로 보인다. 기함인 파니갈레 V4S, V4R의 경우 특유의 V4 레이아웃과 윙렛을 필두로 한 공기역학, 고급 서스펜션, 그 외 각종 경량 파츠가 조합되어 완성품의 성능 또한 동급 중에서도 순수 주행성능만큼은 가장 우수한 수준이라고 평가받지만, 그만큼 생산비 올릴 짓은 전부 다 했기에 판매 가격이 4천만원 중후반이 넘는 초고가의 바이크이기도 하다.
연비를 위하여 일부 V8차량들이 부하가 적은 정속운행 때 실린더 4개를 꺼 소프트웨어적으로 V4를 구현한다. 가변실린더 시스템으로 구현되며 2000년대 이후부터 배기가스 및 연비 규제에 대응하기 위해 많은 V8 엔진에 적용되었다. 비슷하게 위에 언급된 파니갈레 V4는 N단 및 클러치 분리 시 2기통으로 작동한다.
가장 특이한 사례는 혼다 NR의 엔진이 있다. 이쪽은 기통 두개를 하나로 합쳐서 V4를 만든 경우이다.
2.3. F형
토요타 86의 박서 4기통 엔진
Flat 4/Boxer 4라고 불리는 수평대향형 4기통 엔진.
대표적으로 스바루의 대부분의 차량들이나 포르쉐 911 등이 사용하며 있고, 그 외의 제조사로는 스바루-도요타 합작인 토요타 86가 F형 엔진이다. 포르쉐는 최근까지는 F6를 고집하다[12] 터보를 조합하여 718 카이맨/박스터에 F형 엔진을 쓰기 시작했다.
첫 도입은 폭스바겐 비틀의 수평대향형 4기통이었고 포르쉐 356 또한 비틀의 섀시와 엔진을 이용한 차량이기 때문에 볼 수 있었다.
엔진의 위치를 최대한 낮출 수 있기 때문에 무게중심이 낮아져서 코너링에서도 이득을 볼 수 있으며, 대부분 크랭크각이 180도라 서로 반대방향으로 운동하는 피스톤끼리 진동을 상쇄해 I형, V형에 비해 진동이 적은 것도 장점이다. 직렬엔진의 고음과 달리 특유의 소리가 존재한다. F형 엔진의 팬들은 이를 럼블사운드라 칭하며, 실제로 4기통 엔진으로는 상당히 독특한 소리가 나온다. 임프레자 2.0
다만 지면과 수평인 상태의 실린더 배치로 인해 실린더의 위쪽 내면이 보통의 엔진보다 빨리 마모되는 문제가 엔진 모델별로 가끔 발생한다. 중력에 의해 오일이 아래쪽에 모이기 때문. 가령 포르쉐의 수랭식 포트분사의 시발점인 M96이 스크래치 다발생으로 악명이 높은데 같은 코드네임의 메츠거엔진은 이슈가 거의 없는 편이다. 정작 까보면 M96 메츠거 엔진의 구조는 70년대에 쓰던 공랭식 엔진과 구조와 같다. 기어로 물려있는 인터미디어트 샤프트와 크랭크샤프트, 블럭과 일체형인 크랭크샤프트 베어링, 캠 샤프트체인 위치, 오일펌프 등 거의 모든 것이 다르다. 물론 중력이 존재하는 만큼 모든 문제가 해결되었다는 것은 아니다.
또한 앞서 언급된 V4와 같이 구조상 정비성이 직렬에 비해 나쁜 편. 헤드 한 번 떼려면 옆으로 공간이 안 나와 엔진 전체를 들어내야 하는 경우가 다반사이다. 엔진위치나 과급기 여부에 따라 아예 오너가 차고에서 손대는 수준으로는 아무것도 할 수 없는 수준도 있다.
모터사이클에서는 혼다 골드윙의 초기형에서 F4 형식의 엔진을 썼다가 지금은 6기통 엔진으로 나오고 있다.
점화순서는 1-3-2-4다.
2.4. S형
그러나 이런 설계는 소재기술의 발달로 리드밸브의 내구성이 좋아지자 디스크밸브를 쓸 필요가 없게 되어 곧 사장되었다.
3. 작동
혼다 S2000 (직렬 L4)야마하 R1 (직렬 L4-크로스 플레인)[14]
사브 소넷 (병렬 V4)
스바루 임프레자 STi (복서 F4)
4. 목록
4.1. 현대자동차 / 기아자동차
4.2. 제너럴 모터스
- 에코텍 LTG
[1] 물론 토요타나 제너럴 모터스, 기아 J 엔진 같은 예외적인 사례들 또한 있지만, J 엔진은 원래 상용 엔진으로 만들어졌음을 감안해야 한다.[2] 과거에는 18,000RPM까지 사용하는 CBR250RR 등 쿼터급 4기통도 볼 수 있었으나 환경규제로 인해 미들급 이하 4기통 바이크를 보기가 힘들다.[3] 야마하는 크로스 플레인 설계를 적용하여 I4가 V4와 유사한 트랙션 및 출력 특성을 보인다.[4] KTM 슈퍼 듀크, 데스모세디치 스트라달레 엔진을 탑제한 바이크를 제외한 모든 두카티 바이크[5] RSV4, 두카티 스트리트파이터 V4[6] 이게 감이 안 온다면 전 세계에 존재하는 경주차 중 가장 최고 수준의 경주차에 쏘나타 수준의 엔진을 집어넣으려고 했던 것이다. 다행히도 일부 팀들, 특히 페라리의 극렬한 반대로 결국 1년 연기된 2014년에 1600cc V6 터보로 완화되었다.[7] 엔진 자체의 밸런스와는 다르다. V4 자체는 I4보다도 엔진 밸런스가 좋다.[8] 허나 그런 만큼, 직진안정성은 희생하게 된다.[9] 터보차저 탑재 바이크는 크기의 한계나 터보랙으로 인해 드래그 레이스용 개조품 외엔 전례가 없고, 슈퍼차저 탑재 바이크는 가와사키에서 제작하고 있으나 필연적으로 무게가 크게 증가하여 레이스용으로 쓰기엔 직빨 말곤 장점이 없다.[10] 다만 바이크 자체가 워낙 무게가 가벼워서 I4 엔진도 토크가 부족한게 큰 문제가 되지는 않고, 성능적으로 이득을 보는 정도다.[11] 모토GP 머신 22대 중 20대가 V4를 사용하는 것으로 레이스에서 V4가 가지는 장점을 볼 수 있다.[12] 다만 과거에도 550 스파이더에 4기통 엔진을 만들어 탑재한 적이 있었다.[13] 그래서 위 사진을 보면 카뷰레터가 옆으로 장착되어 있다[14] 크렝크 위상차가 직렬 4기통임에도 90도로 배치해놓아서 180도 배치와는 사운드가 다르다