엔진에서 흔히들 4기통이냐... 6기통이냐 이런류의 이야기들을 많이 듣게됩니다. 그래도 다양한 나름대로의 전문가들에 의해서 4기통과 6기통의 장/단점에 대해서는 일반적으로 많이 알려져있지만, 그 뒷편에 숨은 이야기들도 같이 해볼까 합니다.
대부분 자동차에서 평범한 일반세단에는 4기통을 선호합니다. 그리고 고급모델이나 대배기량 세단들이 주로 6기통엔진을 선호하지요. 이유는 다음과 같습니다. 엔진은 현재 실린더의 최대용적이 600cc로 보고 있습니다. 즉 4기통 엔진으로 만들어낼수있는 최대배기량은 2400cc 엔진이 한계인것이지요.
이유는 다음과 같습니다. 실린더당 최대용적이 600cc를 넘어가게 되면 화염전파속도에 차이가 발생하게 됩니다. 엔진내부에서 압축행정후에 폭발행정으로 혼합기를 폭발시키게 되지만, 엄밀히 말하면 폭발이 아닌 연소입니다. 연소하면서 발생되는 압력으로 피스톤을 밀게되고, 그 힘으로 엔진이 구동되지요.
만일 실린더내부에서 폭발이 발생했다면 자기착화또는 노킹현상으로 피스톤에 구멍을 내거나할수가 있습니다. 그런데 실린더당 용적이 600cc를 넘어서게되면 자연스럽게 피스톤의 직경(보어)가 커지거나, 피스톤의 움직임거리(행정)이 커져야 합니다. 직경이 커지게되면 정중앙에 있는 플러그에서 불꽃을 튀길때 연소가 한방이 진행되지 못하고, 실린더의 제일 가장자리 부분까지 화염이 전파되는 속도의 차이가 발생하여 오히려 엔진효율이 급격하게 떨어지게 됩니다.
그래서 보어를 줄이고, 스트로크(행정)을 늘리게 되면 이젠 최고회전수에서 제약을 받게 됩니다. 엔진은 엔진의 특성상 어느 일정한 수준의 회전수에서 최대회전력 즉 최대토크를 냅니다. 그 이후부터는 엔진각부의 마찰 및 연소속도에 의한 흡배기 효율의 저하로 인해서 토크가 떨어지게 되고, 더 높은회전수를 낼때는 더더욱 효율이 떨어지게 됩니다.
하지만 마력수는 회전수와 토크의 곱으로 얻어지는 수치이기 때문에, 토크가 떨어진다고 하더라도 회전수가 올라가면 마력수도 상승하기 때문에 어느일정선까지는 마력수가 꾸준히 증가합니다. 그러다가 더이상 회전수를 올려도 토크가 너무 떨어져있어 마력수가 증가하지 않는 시점에서 엔진은 연료차단을 거는 방식으로 생산이 됩니다.
회전수가 높아지면 높아질수록 마력수는 증가합니다. 하지만 장행정(스트로크가 긴)엔진들은 회전수를 올리면 올릴수록 비약적으로 마찰저항이 커지게되고, 피스톤의 왕복 한계속도인 22m/s가 훨씬 낮은 회전수에서 나오게 됩니다. 피스톤이 약 22m/s 이상의 속도로 상하운동을 반복하게되면 실린더내벽간에 유막이 깨지게되고, 엔진이 심각한 피해를 주게 됩니다.
물론 피해를 주기이전에 토크가 너무 떨어져서 엔진은 아주 비효율적인 상태로 동작하게 됩니다. 따라서 배기량을 늘리면서 행정을 길게만해서는 고회전에서 배기량증가에 따른 잇점을 다 까먹게 됩니다. 따라서 효율이 좋은상태의 최고배기량 기통당 500cc를 고수하게 되는것이지요.
그렇다보니 표준적이고 평범한 엔진들은 기통당 500cc를 유지하려합니다. 따라서 2000cc 엔진들은 4기통으로 그이상 되는 엔진들은 6기통으로 설계를 합니다. 따라서 2500cc 엔진을 4기통으로 하거나, 3000cc 엔진을 4기통을 하는엔진들은 존재하지 않게 되는것입니다. (휘발유엔진에서)
디젤엔진이야, 워낙에 사용가능한 회전수가 낮고, 고압축 엔진이다보니 피스톤의 보어보다는 스트로크를 길게하는 것이 오히려 유리하고, 플러그에서 연소를 하는것이 아닌 압축자기착화 방식이기 때문에 디젤엔진들은 기통당 배기량에 제약이 없습니다.
가장 평범하고 보편적인 엔진중에 하나인 2리터 4기통엔진과 6기통엔진을 보고 이야기를 해보겠습니다. 대부분의 2리터 엔진들은 4기통을 주로 선호하게 됩니다. 특히나 국내에서는 절대적인 우위를 보이고 있습니다. 이유는 제작단가도 싸고, 정비비용도 싸고, 기계장치가 간단하다는데 있지요.
여기서 6기통으로 설계를 하려면 대부분 V형 엔진을 사용하게 됩니다. V형 엔진은 3개의 실린더를 알파벳의 V모양으로 배치하여 양쪽에 3개씩 설계한 엔진을 말합니다. 가장 효율이 좋은 설계각도는 60도 정도입니다. V형 엔진으로 설계를 하게되면 일단 캠샤프트의 갯수가 직렬엔진에 비해서 두배가 되어야 합니다. 직렬 4기통엔진은 듀얼캠인경우에 흡기캠 1개, 배기캠 1개가 되지만 V6형 엔진은 듀얼캠인경우에는 흡기캠 2개, 배기캠이 2개가 되어야 하지요.
게다가 타이밍벨트의 길이가 길어지게되고(이는 텐션베어링을 많이 사용하여 타이밍벨트를 눌러줘야 하므로 역시 동력효율이 떨어집니다), 엔진이 무거워지게 되지요.
그럼에도 불구하고 다기통 엔진을 선호하는 이유중의 하나가 4기통에 비해서 엄청나게 부드러워진 회전질감 때문입니다. 4행정 내연기관들은 크랭크축이 2회전을 할때서야 한회전주기가 끝납니다. 2회전을 하는동안 4기통이므로 4회의 폭발행정이 이뤄지게 되고, 결국에는 180도마다 한번씩 폭발행정으로 크랭크축을 돌리게 됩니다.
반면에 6기통 엔진들은 2회전을 하는동안 6번의 폭발행정이 발생하여 120도마다 한번씩 크랭크축에 힘이 실리게 되지요. 그리고 동일배기량이라면 4기통보다 6기통에서 한개의 기통당 폭발하는 압력이 크지 않아서 엔진의 고유 진동이 적습니다. 그래서 조금이라도 정숙성을 중시한 고급차에서는 자연스럽게 6기통을 선호하게 되는것입니다.
그렇다해서 무작정 6기통이 좋은것만은 아닙니다. 6기통은 앞서 말씀드린대로 기계적인 마찰이 4기통엔진에 비해서 크게 발생합니다. 4기통 엔진에 비해서 캠축이 2개가 더 있기때문에, 캠을 돌리기위한 장치들이 추가되어야하고 이는 결과적으로 마찰이 커지게 됩니다. 그리고 늘어나는 엔진의 무게때문에 운동성이 떨어지게 되지요
게다가 2리터 4기통과 2리터 6기통의 경우라면... 2리터 4기통은 한개의 기통이 500cc만큼의 힘을 크랭크축으로 전달하는 반면에, 6기통은 약 333cc만큼의 힘을 크랭크축에 전달합니다. 크랭크축에 걸리는 힘을 봤을때는 2리터 4기통엔진의 힘이 더 크게 걸리는것입니다.
다시말하면, 강펀치로 4방을 맞는것과 그보다 약한펀치로 6방을 좀더 빠르게 맞는것의 차이로 이해를 하시면 이해가쉽습니다. 펀치를 다 맞은후에 멍들고 아픈것은 동일하지만 한방씩 맞을때는 4번으로 나눠맞은쪽이 더 아프지요..
그리고 피스톤이 왕복운동을 하는 스트로크가 지면과 수직이 아니라서 약간의 진동이 발생하게 됩니다만, 한개의 기통당 폭발력이 작고, 다른 피스톤에 의해서 상쇄가 되므로 실질적으로는 4기통엔진보다 정숙성측면에서는 아주 우수합니다. 다기통엔진들이 이런 장/단점을 가지고 있으므로... 현재로서는 최정점에 있는 다기통엔진들은 직렬 6기통엔진이라고 할수가 있습니다. 일반적으로는 I6 엔진이라고 합니다.
직렬6기통 엔진들은 4기통엔진과 동일하게 캠축이 두개이므로 동력손실이 V6에 비하면 적습니다. 게다가 엔진무게도 경량화하면서 V6엔진이 가지는 회전질감을 그대로 가질수가 있습니다. 하지만 국산차에 이런 직렬 6기통엔진을 선뜻적용할수가 없는것이 구동방식의 제약조건이 있어서 선택할수가 없었습니다.
전륜구동방식은 특별한 경우를 제외하고 엔진을 가로배치해야 합니다. 그리고 그 엔진옆에 바로 변속기가 위치해야만합니다. 지금 타시는 차의 본넷을 열어보면 엔진이 오른쪽이든지, 왼쪽이든지 한방향으로 치우쳐있고, 엔진바로 옆에변속기가 위치하고 있을것입니다.
그런 제약조건이다 보니 엔진과 변속기를 설계할때 차체의 윤거(양 바퀴사이의 거리)에 상당히 민감해지게 됩니다. 만일 전륜구동에 FR에 사용되는 일반적인 직렬6기통엔진을 넣어버리게 되면 상당히 길어진 엔진때문에 변속기를 놓을공간이 없게됩니다. 결국 엔진을 가로배치해서 넣고나면 변속기를 넣을공간이 없게되는것입니다.
따라서 전륜구동에 6기통엔진을 선택하기 위해서는 어쩔수없이 직렬6기통보다 길이가 짧은 V6엔진들을 선호하게 되는것입니다. V6엔진은 앞뒤로 뚱뚱하지만 좌우길이는 3기통엔진과 동일하므로 충분히 전륜구동의 엔진룸에 넣을수가 있습니다. 게다가 엔진을 최대한 중앙에 위치시킬수가 있으므로 좌우 무게배분 측면에서도 오히려 유리한점이 많습니다.
최근에 GM대우에서 매그너스에 실리는 직렬6기통 엔진들은 피스톤과 피스톤사이의 간격을 최대로 줄여서 실제로 4기통 엔진보다 짧은 직렬 6기통 엔진을 만들었고, 이로인해서 전륜구동에 탑재가 가능하게 된것입니다. 매그너스의 L6 엔진을 타보면, 어차피 출력이야 그 배기량만큼 나오므로 직렬 4기통엔진과 다를바가 없지만, 엔진의 회전질감은 극상이라고 칭찬할수있을 만큼 매끄럽습니다. 대우라는 브랜드이미지 때문에 거부감을 가지거나 선입견을 가지는 경우가 상당히많은데, 엔진자체의 회전질감을 놓고보면 BMW의 실키식스엔진과 비슷할만큼의 매끄러운 회전질감을 선사합니다.
잘 모르는 사람들의 이야기는 실린더의 갯수가 동일한 2리터의 배기량이라도 직렬 4기통은 4개, 6기통은 6개이므로 힘이 더 좋다고 하는 사람들도 있지만 결국 출력은 배기량에 의존하기 때문에 잘못된 비유이겠습니다. 그리고 특별히 연비가 더 떨어진다고 하는것도 역시 비슷한 수준입니다. 물론 직렬 4기통에 비하면 마찰저항이 커지기 때문에 연비가 떨어질수도 있지만 기통수가 많다고해서 연비가 무작정 이해하지 못할만큼 떨어지는것은 아니지요.
피스톤의 지름이 크면 클수록, 그리고 왕복거리인 스트로크가 크면 클수록 고회전에서는 관성때문에 엔진의 효율이 떨어지게 됩니다. 그만큼 피스톤의 왕복속도가 급격하게 증가하고 증가한만큼 관성을 크게 받기 때문입니다. 이런 측면에서 동일한 배기량에 6기통엔진들은 월등히 유리한점이 있습니다. 순간펀치력은 직렬 4기통에 비해서 떨어지지만, 회전질감과 고회전에서는 오히려 직렬 4기통보다 적게 걸리는 피스톤의 관성때문에 토크하강폭이 적습니다.
고회전에서 토크하강폭이 적게되면 오히려 출력이 높게 나오게되고, 동일출력이라 할지라도 토크곡선이 비교적 플랫하기 때문에 운전을 실제로 하게되면 4기통엔진과 6기통엔진은 상당히 다른 느낌을 운전자에게 선사합니다.
4기통 2리터엔진이 쉬프트다운을 하여 쓰로틀을 활짝열었을때 상당한 펀치력으로 차를 견인하다가 5000rpm을 넘어서면 토크감이 꽤 떨어지는데 비해서, 6기통엔진은 동일한 동작에서 4기통만큼의 펀치력은 없지만, 꾸준한 힘으로 토크감이 많이 떨어진다는 느낌없이 시종일관 균일한 가속감을 선사하게 되지요.
스포츠성을 중요시한 엔진에서는 토크감이 아주 중요한 요인이 되겠지만, 일반적으로 부드러움을 강조한 세단에서는 강한 토크와 급격히 떨어지는 토크곡선대신 매끄러운 가속감이 오히려 잇점이 많습니다. 무작정 기통수가 많다고 해서 연비가 떨어지고 힘이 좋다는것이 아니라... 대부분 다기통엔진들은 배기량이 크기때문에 연비도 떨어지고 힘이 좋은 것이 사실입니다.
아직까지 전륜구동방식이 많은 국내에서는 4기통 2리터 엔진들은 그 존재가치가 분명하지요. |