12기통 수평 엔진
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1. 개요
12기통 수평 엔진은 180° V형 엔진의 크랭크축 구성을 사용하며, 낮은 무게 중심을 제공하지만 엔진 폭이 넓어 전방 엔진 차량에는 거의 사용되지 않는다. 크랭크축의 위상에 따라 협의의 수평대향 엔진(복서 엔진)과 180° V형 엔진으로 분류된다. 최초의 12기통 수평 엔진은 1947년 포르쉐가 제작했으며, 페라리는 1964년과 1965년에 포뮬러 원 레이스에 1.5 L 수평대향 12기통 엔진을 사용했고, 1970년대에는 포뮬러 원에서 성공을 거두었다. 레이싱에서는 섀시 바닥면에 공간이 필요한 윙카가 등장하면서 점차 사용되지 않게 되었다. 페라리는 1973년부터 1996년까지 여러 양산 모델에 12기통 수평 엔진을 사용했으며, 군용 차량 및 항공기 엔진으로도 활용되었다.
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| 12기통 수평 엔진 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 형식 | 수평 대향 |
| 실린더 수 | 12 |
| 밸브 트레인 | DOHC |
| 냉각 방식 | 수랭 또는 공랭 |
| 역사 | |
| 최초 생산 | 1960년대 후반 |
| 주요 제조업체 | 페라리 포르쉐 |
| 주요 사용 분야 | 모터스포츠 |
| 기술적 특징 | |
| 크랭크축 | 180도 또는 복잡한 각도 |
| 점화 순서 | 특정 엔진에 따라 다름 |
| 연료 공급 | 기화기 또는 연료 분사 |
| 주요 용도 | |
| 자동차 | 포르쉐 917 페라리 365 GT4 BB 페라리 512 BB 페라리 테스타로사 페라리 512 TR 페라리 F512 M |
| 경주용 자동차 | 포르쉐 917 페라리 312 PB |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 낮은 무게 중심 우수한 진동 균형 높은 출력 잠재력 |
| 단점 | 높은 제조 비용 복잡한 설계 넓은 폭 |
| 참고 | |
| 관련 엔진 형식 | 수평 대향 6기통 엔진 V형 12기통 엔진 |
2. 디자인
대부분의 12기통 수평 엔진은 복서 엔진 대신 180° V형 엔진의 크랭크축 구성을 사용한다. 이는 각 피스톤 쌍이 하나의 크랭크 핀을 공유하는 형태로, 진정한 복서 엔진과는 다르다.
자동차 경주에서 수평대향 12기통(180° V형 12기통) 엔진은 주로 F1 및 내구 레이스 참가 차량에 사용되었다.
V12 엔진과 비교했을 때, 12기통 수평 엔진은 더 낮은 무게 중심을 가지지만, 엔진 폭이 넓어 프론트 엔진 자동차에는 거의 사용되지 않는다.[1] 180° V형 12기통은 180° 이외의 V형 12기통보다 폭이 넓고, 엔진 높이를 상당히 낮게 만들 수 있다. 그렇기 때문에 엔진의 무게 중심은 상당히 낮아지지만, 실제로는 배기 매니폴드를 비롯한 배기 계통을 엔진 하단에 배치하는 경우가 많아, 이로 인해 탑재 위치가 높아져 반드시 저중심을 살릴 수 없다.[2] 자동차에서는 180° 이외의 V형 12기통은 엔진 탑재 위치에 관계없이 후륜구동 차량 전반에 탑재된 사례가 보이지만, 180° V형 12기통은 엔진 폭과 배기 계통의 공간 제약이 커서 프론트 엔진 차량에서는 사용되지 않는다.[3] 게다가 엔진의 진동에 관해서는, 어떠한 뱅크 각의 V형 엔진에서도 한쪽 뱅크의 6기통만으로 1차 진동·2차 진동·우력 진동 모두 균형을 이룰 수 있으므로, 복서 엔진이라도 V형에 비해 명확한 이점이 있는 것은 아니기 때문에, 일반 시판 차량에서는 거의 12기통 수평 엔진이 사용되는 일은 없다.[4]
크랭크축의 위상에 따라 12기통 수평 엔진은 두 종류로 분류된다. 협의의 수평대향 엔진은 대향 실린더 간에 180°의 크랭크 핀() 위상각을 가지며, 두 개의 피스톤과 커넥팅 로드의 축대칭적인 동작으로 서로 진동을 상쇄하는 것으로, 복서 엔진이라고도 불린다.[5] 이에 반해, 대향하는 실린더 간에 크랭크 핀을 공유하고, 두 개의 피스톤이 거의 일정한 간격을 유지한 채 동작하는 것은 180° V형 엔진이라고 불리며, 광의의 수평대향 엔진에 포함되는 경우도 있다.[6]
복서형 12기통과 180° V형 12기통은 크랭크축이 가장 큰 차이점이며, 외형으로 구별하는 것은 거의 불가능하다.[7] 하지만, 다른 기통 수에 비해 12기통 수평 엔진에서는 180° V형이 대부분이다. 그 이유는 복서형은 좌우 뱅크의 크랭크 핀을 공유할 수 없기 때문에 핀 사이에는 웹이 필요하고, 그만큼 크랭크축이 길어져 엔진 크기가 커지는 점, 게다가 앞서 언급했듯이, 12기통이라면 좌우 뱅크 모두 직렬 6기통이 되므로, 진동도 문제가 되지 않기 때문이다.[8]
3. 레이싱 카
최초의 12기통 수평 엔진은 1947년 포르쉐가 치사탈리아 그랑프리 레이싱 카를 위해 제작한 포르쉐 Typ 360 엔진이다. 이 엔진은 슈퍼차저가 적용되었으며 배기량은 1.5L였으나[11], 최고 속도 테스트만 수행하고 실제 경주에는 참여하지 않았다.[12]
1964년부터 1965년까지 페라리는 페라리 1512F1에 180° V형 12기통 엔진을 사용했지만[9], 1966년 F1 규정에 따라 배기량이 3.0L로 확대되자 페라리 312에는 V형 12기통 엔진을 사용했다.
1969년 포르쉐는 포르쉐 917에 공랭식 수평대향 12기통 엔진을 탑재했다. 이 엔진은 포르쉐 908의 수평대향 8기통 엔진을 발전시킨 것이지만, 크랭크축은 180° V형을 사용했다. 포르쉐 917은 내구 레이스에서 크게 활약하여 페라리의 F1 엔진 개발에도 영향을 미쳤다. 1970년 페라리는 F1에 수랭식 3.0L 180° V형 12기통 엔진을 탑재한 페라리 312B를 투입했고, 1980년 페라리 312T5까지 약 10년간 F1 세계 선수권 대회를 치렀다.[9]
페라리의 수랭식 3.0L 180° V형 12기통 엔진은 여러 번 선수권 대회를 제패하며 성공을 거두었고, 알파 로메오는 카를로 치티가 이끄는 아우토델타의 설계로 1973년 그룹 6에 알파 로메오 티포 33/TT12, 1976년에는 알파 로메오 33SC12를 투입했다. 알파 로메오는 이 엔진을 브라밤에 공급하며 F1에 복귀했다. 그러나 1972년 테크노가 투입한 수평대향 12기통 엔진은 실패로 끝나 테크노는 2년 만에 F1에서 철수했다. 페라리는 이후 4.4 - 5.0 L 배기량의 180도 V형 12기통 엔진을[9] 페라리 365GT4BB와 페라리 테스타로사에 탑재하여 시판했다.
카를로 치티는 모토리 모델니를 설립하고 후지 중공업 (현 SUBARU)과 함께 1988년 3.5L 수평대향 12기통 DOHC 60밸브 엔진인 SUBARU-M.M.을 공동 개발했다. 1990년 F1 세계 선수권 대회에 콜로니에 엔진을 공급하며 '스바루 콜로니'로 참전했지만, 성능 부족으로 6전 모두 예비 예선에서 탈락했다. 같은 해 이 엔진은 그룹 C카 (알바 AR20)에 탑재되어 세계 스포츠 프로토타입카 내구 선수권 대회 (WSPC)에 참전했지만, 5전 만에 시즌 도중 철수했다. SUBARU-M.M. 엔진은 돔의 슈퍼카 지오토 캐피타에 탑재될 계획이었으나 스바루의 F1 참전 좌절로 무산되었다. 1999년 코닉세그가 카를로 치티의 유족에게서 4.0L 180° V12 엔진의 청사진 등을 매입하여 코닉세그 CC의 스페셜 버전 "B12S"에 탑재했다.
1990년대 초, 메르세데스-벤츠는 그룹 C 레이스에 투입할 목적으로 M291 엔진을 개발하여 C291에 탑재했다. 이 엔진은 3기통 분량의 실린더 헤드와 실린더 블록이 일체화된 "모노 블록"을 4개 조합한 180° V형 12기통으로, 크랭크축 중간에서 기어로 상방 출력을 뽑아내는 센터 아웃풋 구조였다. 실린더 헤드 디자인은 엔진 상방에 배기 포트를 배치하고, 흡기 포트는 헤드 내 2개의 캠축 사이를 통과하는 톱 피드 방식이었다.[10] C291은 엔진 양쪽에서 흡기하고 엔진 상방으로 배기하여 차체 바닥면을 평평하고 큰 디퓨저로 만들어 다운포스와 저중심화를 달성했다. 그러나 복잡한 구조로 성능과 내구성이 불안정하여 "금요일은 600마력, 토요일은 500마력, 일요일은 400마력" 등으로 조롱받았다. 이후 개량을 거쳐 C291이 1승을 거두었지만, FIA와 ACO의 규정 변경으로 후속인 C292는 레이스에 출전하지 못했다.
1970년대 후반 섀시 바닥면의 지면 효과로 다운포스를 얻는 윙카 (그라운드 이펙트 카)가 등장하면서 섀시 바닥면에 많은 공간이 필요하게 되었고, 지면 효과의 기류를 방해하는 수평대향 12기통 엔진은 시대에 뒤떨어진 것으로 간주되어 레이스 세계에서 사라졌다.
이 엔진들은 모두 크랭크 핀 하나에 피스톤 2개가 연결되는 "180° 뱅크의 V형 12기통"이었고, 순수한 수평대향 엔진과는 달랐다.
3. 1. 포뮬러 원 (F1)
1947년 포르쉐는 최초의 수평대향 12기통 엔진을 제작했지만, 경주에는 참여하지 못했다.[11][12]
1964년부터 1965년까지 페라리 512 F1은 1.5L 수평대향 12기통 엔진으로 여러 포뮬러 원 레이스에 참가했다.[13]
1970년 페라리는 페라리 312B를 통해 이전의 V12 엔진에서 수평대향 12기통 엔진으로 전환했다. 312B의 후속 모델인 페라리 312T는 1975년에 출시되어 1975년부터 1979년까지 포뮬러 원 컨스트럭터 챔피언십에서 우승했다.[14][15] 페라리 312T의 성공으로 알파 로메오 177과 같은 다른 포뮬러 원 팀들도 수평대향 12기통 엔진을 제작하게 되었다.
1990년, 스바루는 스바루 1235 F12 엔진으로 포뮬러 원 엔진 제조사로 참여를 시도했지만 실패했다.
3. 2. 스포츠카 레이싱
1969년 포르쉐는 포르쉐 917 스포츠 프로토타입 레이싱 카에 공랭식 수평대향 12기통 엔진을 도입하여 스포츠카 레이싱을 지배했다.[9] 이 엔진은 포르쉐 908에 사용된 수평대향 8기통 엔진을 발전시킨 것이지만, 크랭크축은 180° V형을 사용했다. 포르쉐 917의 지배는 페라리에 영향을 주었고, 알파 로메오 또한 1973년부터 1976년까지 알파 로메오 33TT12 및 알파 로메오 33SC12 스포츠 프로토타입 레이싱 카에 수평대향 12기통 엔진을 사용했다.
1991년 스포츠 프로토타입 레이싱 카테고리의 경우, 메르세데스-벤츠는 메르세데스-벤츠 C291 레이싱 카를 위해 트윈 터보 V8 엔진에서 자연 흡기 수평대향 12기통 엔진으로 전환했다. 이 엔진은 흡기 포트가 엔진 상단에 있고, 배기 포트가 실린더 헤드에 있는 독특한 설계를 사용했다. 흡기 포트는 흡기 및 배기 캠축 사이, 점화 플러그 바로 위에 있으며 수직에서 바깥쪽 각도를 가리켰다. 이는 엔진이 섀시 아래에 설치될 수 있도록 하기 위한 것이었다. C291은 실패했고 메르세데스는 1991년 시즌 이후 스포츠 프로토타입 경주에서 철수했다.
자동차 경주에서 수평대향 12기통(180° V형 12기통) 엔진은 주로 F1 및 내구 레이스 참가 차량에 사용되었지만, 1970년대 후반 섀시 바닥면의 지면 효과로 다운포스를 얻는 설계를 한 윙카 (그라운드 이펙트 카)가 등장하면서 섀시 바닥면에 많은 공간이 필요하게 되었고, 지면 효과의 기류를 방해하는 수평대향 12기통 엔진은 시대에 뒤떨어진 것으로 간주되어 레이스 세계에서도 모습을 감추게 되었다.
4. 양산차
1973년부터 1996년까지 페라리는 여러 양산 모델에 수평대향 12기통 엔진을 사용했다.[9] 이 엔진을 사용한 모델은 다음과 같다.
- 365 GT/4 BB (1973년~1976년)
- 512 BB (1976년~1981년)
- 512 BBi (1981년~1984년)
- 테스타로사 (1984년~1991년)
- 512 TR (1991년~1994년)
- F512 M (1994년~1996년)
5. 기타 용도
제2차 세계 대전 동안 영국의 코베넌터 전차는 메도우스 D.A.V 12기통 수평 엔진(340마력, 250kW)으로 구동되었으며, 처칠 전차는 베드포드 12기통 수평 엔진(350마력, 261kW)으로 구동되었다.[16][6] 1950년대의 파나르 EBR 장갑차도 수평대향 12기통 엔진을 사용한 군용 차량이었다.[17][7]
1940년대에 미국의 프랭클린 엔진 회사는 O-805-2라는 수평 12기통 항공기 엔진을 생산했다.[18][8]
일본의 대중교통에서 고속 노선 버스에는 히노 자동차의 RA100에 탑재된 DS120형이나 RA900P에 탑재된 DS140형이 수평대향 12기통 디젤 엔진이었다. 철도 차량에서는 일본국유철도의 DML30계 엔진이 수평대향(180°V형) 12기통 레이아웃이었지만, 엄밀히 말하면 수평대향 엔진이 아니라 V형 엔진이다.
군용 차량의 경우, 제2차 세계 대전 중 영국의 헨리 메도우가 커버넌터 순항전차에 수평대향 12기통 가솔린 엔진을 탑재했지만, 탑재 공간 부족으로 엔진은 후방, 라디에이터와 냉각용 흡기구는 전방에 탑재되는 특이한 레이아웃이 되었다. 이는 냉각 부족 및 조종실 내 심각한 열 문제를 일으켰고, 결국 커버넌터 순항전차는 실전에 참가하지 못하고 주로 국내에서 훈련용으로 사용되었다.
참조
[1]
웹사이트
Cisitalia Grand Prix (Porsche type 360)
https://www.stuttcar[...]
2019-10-06
[2]
웹사이트
Cisitalia 360 Grand Prix Car
https://stevemckelvi[...]
[3]
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[4]
웹사이트
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2019-10-05
[5]
웹사이트
Jody Scheckter
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[6]
서적
Churchill Tank
HMSO / The Tank Museum
[7]
서적
AFV Weapons Profile 039 Panhard Armoured Cars
Profile Publications
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웹사이트
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https://airandspace.[...]
2016-03-20
[9]
간행물
Moterfan illustrated Vol.89
三栄書房
[10]
간행물
"C\uCEE4\uC758 \uC2DC\uB300 [\uCD1D\uC9D1\uD3B8]"
뉴즈출판
[11]
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2016-03-20
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