4기통 수평 엔진
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1. 개요
4기통 수평 엔진은 4개의 실린더가 수평으로 마주보며, 각 쌍의 피스톤이 동시에 움직이는 "복서" 구성을 특징으로 한다. 이 디자인은 2차 진동 감소, 낮은 무게 중심, 짧은 엔진 길이라는 장점을 제공하며, 공랭식 엔진에 적합하여 항공기에서 널리 사용된다. 자동차에서는 폭이 넓고, 실린더 헤드가 2개인 점, 배기 매니폴드의 복잡성 등으로 인해 직렬 4기통 엔진이나 V6 엔진에 비해 사용 빈도가 낮다. 그러나, 스바루는 수평대향 4기통 엔진을 꾸준히 사용하여 사륜구동 시스템과 결합하여 독창적인 차량을 생산하고 있으며, 포르쉐와 같은 제조사에서도 이 엔진을 사용한 사례가 있다. 오토바이와 경량 항공기에서도 사용되며, 특히 항공기에서는 신뢰성과 경량성으로 인해 중요한 위치를 차지한다.
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12기통 수평 엔진은 180° V형 엔진의 크랭크축 구성을 가지며, 낮은 무게 중심을 제공하지만 엔진 폭이 넓어 전방 엔진 차량에는 거의 사용되지 않고, 포르쉐와 페라리 등에서 레이싱 및 양산 모델에 사용되었으며 군용 차량 및 항공기 엔진으로도 활용되었다. - 수평 엔진 - 6기통 수평 엔진
6기통 수평 엔진은 실린더가 수평으로 마주보며 배치되어 낮은 진동과 우수한 밸런스를 제공하지만, 폭이 넓고 냉각 시스템이 복잡하며 생산 및 정비 비용이 높은 엔진 형식이다. - 빈 문단이 포함된 문서 - 광주고등법원
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2. 디자인
4기통 수평 대향 엔진은 각 쌍의 반대 피스톤이 동시에 안쪽과 바깥쪽으로 움직이는 "복서" 구성으로 설계되는 경우가 많다. "4기통 수평"과 "boxer-four"라는 용어는 종종 동의어로 사용된다.
복서-4 레이아웃의 장점은 완벽한 2차 진동(최소 진동), 낮은 무게 중심, 짧은 엔진 길이이다. 또한, 4개의 실린더에 공기 흐름이 고르게 분산되어 효율적인 공랭식 냉각이 가능하다. 경비행기에서는 수냉식 냉각 시스템이 필요 없어 무게를 줄일 수 있다.[2]
반면, 복서-4 엔진은 직렬 4기통 엔진에 비해 폭이 넓고, 실린더 헤드가 2개 필요하여 비용이 증가하며, 균일한 간격의 배기 펄스를 위해 긴 배기 매니폴드가 필요하다는 단점이 있다.[3] 이러한 이유로 4기통 직렬 엔진이 더 일반적으로 사용되며, 더 큰 배기량이 필요한 경우에는 V6 엔진이 자주 사용된다.[4]
항공기에서는 성형 엔진보다 작은 전방 투영 면적을 가진 수평 대향 4기통은 기체 선단의 소형화에 기여하기 때문에, 라이커밍이나 컨티넨탈 모터스(Continental Motors) 등의 엔진 제조 메이커가 소형 비행기용 공랭 엔진을 다수 제조하고 있으며, 소형 항공기에서는 비교적 일반적인 구성이다.
폭이 넓은 수평 대향 4기통 엔진은 차축 위치를 피해서 전후의 오버행부나 휠베이스 사이에 탑재되는 경우가 많다. 일본의 스바루는 프론트 오버행에 알루미늄제 수평 대향 4기통 엔진을 탑재한 전륜 구동 레이아웃을 채용하고 있으며, 사륜 구동으로 발전시킴으로써, 수평 대향 4기통의 이점을 최대한 살린 차량 제작을 계속하고 있다.
2. 1. 엔진 밸런스
대부분의 4기통 수평 엔진은 각 쌍의 반대 피스톤이 동시에 안쪽과 바깥쪽으로 움직이도록 설계되었으며, 이는 "복서" 구성으로 알려져 있다. 따라서 "4기통 수평"과 "boxer-four"라는 용어는 종종 동의어로 사용된다.
4기통 수평 엔진에서 발생하는 동일하고 반대되는 힘은 완벽한 2차 밸런스를 만들어낸다. 이는 밸런스가 맞지 않는 수직력을 생성하는 4기통 직렬 엔진과는 다르다. 따라서 4기통 수평 엔진은 밸런스 샤프트를 사용하여 2차 진동을 줄일 필요가 없으므로 2L 이상의 배기량에 더 적합하다.[29]
실제로 수평 엔진의 각 실린더는 크랭크핀 저널 간의 거리로 인해 반대편 쌍과 약간의 오프셋을 갖는다. 이러한 오프셋은 약간의 로킹 모멘트를 발생시키지만, 그로 인한 진동은 일반적으로 밸런스 샤프트가 필요할 정도로 크지 않다.
4기통 이하의 모든 4행정 엔진과 마찬가지로, 폭발 행정의 중첩 부족은 플라이휠에 토크가 맥동적으로 전달되어 크랭크축을 따라 비틀림 진동을 발생시킨다.[30] 이러한 진동이 과도할 경우, 하모닉 댐퍼를 사용하여 최소화할 수 있다.[6]
4기통 수평대향 엔진은 직렬 4기통이나 V형 4기통 등 다른 4기통 엔진에 비해 엔진 진동 밸런스 측면에서 큰 우위를 가지고 있다. 직렬 4기통은 엔진 진동(특히 2차 진동)이 크고, 대배기량·고출력이 될수록 이 경향이 현저해지기 때문에, 2L 이상의 직렬 4기통에는 밸런스 샤프트가 추가되는 경우가 많다. 수평대향 4기통은 좌우 피스톤이 서로의 진동을 상쇄하기 때문에 가로축 방향의 진동이 적다. 실제로는 크랭크축의 크랭크 핀 분만큼 실린더가 어긋나게 배치되기 때문에, 엔진의 앞뒤 방향으로 약간의 2차 진동이 발생하지만, 직렬 4기통의 2차 진동과 비교하면 훨씬 작기 때문에 일반적으로는 그다지 문제가 되지 않으므로, 밸런스 샤프트가 사용되지 않는다.
2. 2. 배기 매니폴드
4기통 수평 엔진의 일반적인 점화 순서는 왼쪽 실린더 뱅크가 차례로 점화된 후 오른쪽 실린더 뱅크가 점화되는 방식(또는 그 반대)으로, 점화 간격은 180도로 균등하게 배치된다.[28] 전통적으로 각 뱅크의 두 실린더에서 배출되는 배기가스는 합쳐졌으며, 그 결과 불균등한 배기 펄스는 특징적인 "플랫-4 부르르" 배기음을 발생시켰다.2000년대 중반부터 스바루에서 사용하는 다른 일반적인 배기 구성[31][32][33]은 배기 펄스를 최적화하기 위해 360도 점화 간격 오프셋으로 실린더를 쌍으로 묶는다.[7][8][9] 이 구성은 반대쪽 뱅크의 실린더를 쌍으로 묶기 위해 긴 배기 매니폴드가 필요하며, 덜 독특한 배기음을 낸다.
3. 자동차에서의 사용
4기통 수평 엔진은 직렬 4기통 엔진에 비해 크기, 진동, 무게 중심 면에서 유리하지만, 크랭크축 구조가 복잡하고 실린더 헤드나 캠축이 두 배로 필요하며, OHV에서 SOHC로 발전하는 데 기술적 제약이 있어 대중차 엔진으로는 널리 사용되지 않는다.[22] 그러나 넓은 실린더 뱅크 덕분에 공랭 엔진 방식에 적합하여, 수냉 엔진이 일반화되기 전 초기 대중차에 많이 사용되었다.
폭이 넓은 4기통 수평 엔진은 차축 위치를 피해 오버행 부분이나 휠베이스 사이에 탑재되는 경우가 많다. 후륜 구동차에서는 리어 엔진이나 미드십 레이아웃에 많이 사용되었으며, 뒷축의 무게 중심을 낮추는 데 효과적이었다.
스바루는 초기부터 프론트 오버행에 알루미늄제 수평대향 4기통 엔진을 탑재한 전륜 구동 레이아웃을 채택했으며, 이후 사륜 구동으로 발전시켜 수평대향 4기통의 이점을 최대한 활용하고 있다.
3. 1. 1900년~1935년
1900년에 벤츠 & Co.는 최초의 4기통 수평 대향 엔진을 생산했다. 이 엔진은 벤츠 경주용 자동차에 사용되었으며, 20hp의 출력을 내고 배기량은 5.4L였다.[10]
1901년 런던의 윌슨-필처(Wilson-Pilcher)는 4기통 수평 대향 엔진을 탑재한 자동차를 출시했다. 이 엔진은 수냉식이었고 9hp의 출력을 냈으며 배기량은 2.4L이었다.
1902년, 버펌 자동차는 16마력의 수평 대향 4기통 엔진을 장착했다.
체코의 타트라는 1926년에 타트라 30에 공랭 수평대향 4기통을 처음 채용했으며, 1930년의 T52, 1931년의 T54와 T57 (180도 V형 4기통 엔진[23]), 1933년의 T75에도 각각 배기량이 다른 공랭 수평대향 4기통을 채용했다. 1936년의 T97은 리어 엔진 레이아웃과 을 채택했는데, 이는 이후 독일 제3제국의 Kdf-Wagen 및 폭스바겐 비틀에 큰 영향을 주었다.
영국의 는 수평대향 2기통 엔진으로 유명했지만, 1936년에 텐(Ten) 모델에 1,881cc의 수평대향 4기통을 채용했다. 전후 1947년에는 가 개발한 이, 1950년에는 가 등장하여 각각 배기량이 다른 수평대향 4기통을 탑재했다.
3. 2. 1936년~1999년
1936년 타트라 T97은 후방 엔진, 공랭식 4기통, 백본 섀시 레이아웃(이후 폭스바겐 비틀에 사용됨)을 개척했으며, 이와 동시에 관계는 없지만 오스트리아에서 슈타이어 50이 출시되어 전방 수평대향 4기통 엔진과 후륜 구동을 장착했다. 또한 1936년에 영국 회사인 조웻(Jowett Cars)는 플랫 트윈 엔진에서 플랫 4 엔진까지 모델 범위를 확장했다. 조웻 플랫 4 엔진 생산은 1954년까지 지속되었으며, 이때 조웻 재블린(Jowett Javelin) 세단과 조웻 주피터(Jowett Jupiter) 스포츠 모델의 생산이 종료되었다.가장 오랫동안 생산된 플랫 4 엔진은 폭스바겐 공랭식 엔진으로, 1938년부터 2006년까지 생산되었으며, 폭스바겐 비틀(1938년~2003년)과 폭스바겐 트랜스포터(1950년~1983년)에 가장 널리 사용되었다.[11] 이 공랭식 엔진은 포르쉐에 의해 설계되었으며, 포르쉐 356(1948년~1965년), 포르쉐 550(1953년~1956년), 포르쉐 912(1965년~1969년) 및 포르쉐 914(1969년~1976년)에도 사용되었다. 1984년에는 배기 가스 배출 규정을 준수하기 위해 폭스바겐 트랜스포터 (T3)에 폭스바겐 바서복서 엔진(Volkswagen Wasserboxer engine)이라는 수냉식 버전이 도입되었다.
1960년대와 1970년대에는 여러 제조업체에서 공랭식 시트로엥 플랫 4 엔진, 수냉식 알파 로메오 플랫-4 엔진(Alfa Romeo Flat-4 engine), 수냉식 란치아 플랫-4 엔진(Lancia Flat-4 engine) 및 수냉식 스바루 EA 엔진을 포함한 플랫 4 엔진을 생산했다.
이 기간 동안 설계되었지만 양산되지 않은 두 개의 중요한 엔진은 1947년 알렉 이시고니스가 설계한 모리스 800cc 사이드 밸브 엔진(원래 모리스 마이너용으로 설계됨)과 1966년 클로드 힐이 R5 차량 연구 프로젝트의 일환으로 설계한 페르구손 2.2리터 SOHC 엔진이었다.
체코의 타트라는 1926년에 타트라 T30에 공랭 수평대향 4기통을 처음 채용했으며, 1930년의 T52, 1931년의 T54와 T57 (180도 V형 4기통[23]), 1933년의 T75에도 각각 배기량이 다른 공랭 수평대향 4기통을 채용했다. 1936년의 T97은 리어 엔진 레이아웃이 되었고, 등뼈형 프레임과의 조합은 이후의 독일 제3제국의 Kdf-Wagen 및 폭스바겐 비틀에도 깊은 영향을 주었다.
영국의 조웨트는 수평대향 2기통으로 유명한 제조사였지만, 1936년에 '''조웨트 텐'''에 1,881cc의 수평대향 4기통을 채용했다. 전후 1947년에는 제럴드 팔머의 손으로 조웨트 재블린이 개발되었고, 1950년에는 조웨트 주피터도 등장하여 각각 배기량이 다른 수평대향 4기통을 탑재했다. 같은 시기에 모리스에 소속된 알렉 이시고니스는, 모리스 마이너에 수평대향 4기통을 탑재하는 설계를 했지만, 비용 문제로 시판 차량에 탑재하는 것은 실현되지 못했다.
독일의 폭스바겐은 타입 1 및 기타 차량에 공랭식 수평대향 4기통을 폭넓게 채용했다. 포르쉐도 포르쉐 356에 수평대향 4기통을 채용했고, 이후 포르쉐 550, 포르쉐 904, 포르쉐 912, 포르쉐 914에도 수평대향 4기통을 채용했다. 또한 포르쉐 차량에 탑재된 공랭식 수평대향 4기통은 원래 폭스바겐 타입 1에 탑재된 것과 동일한 엔진이다.
같은 독일의 볼크바르트는 1957년 3월 살롱 인터내셔널 드 로토에 1,100cc 수랭 수평대향 4기통 전륜구동의 골리앗 1100을 출품, 이듬해에 한자 1100으로 명칭이 변경되어 1961년까지 제조되었다.
폭스바겐은 1982년에 이전의 공랭 엔진을 수랭화한 바써복서 엔진을 개발했다. 3세대 폭스바겐 타입 2에 독일 본국에서는 1992년까지, 브라질에서의 현지 생산 버전인 콤비에서는 2005년까지 탑재되었다.
프랑스의 시트로엥은 1961년의 시트로엥 아미 슈퍼를 시작으로, 시트로엥 GS/GSA, 시트로엥 악셀에 공랭 수평대향 4기통을 탑재하여 1990년까지 제조했다.
이탈리아의 알파 로메오는 1971년에 알파 로메오 수랭식 수평대향 4기통을 개발했다. 같은 해 출시된 알파 로메오 알파스드에 탑재했다. 1984년에는 닛산 자동차로부터 N12 펄서의 차체를 제공받아, 여기에 자사의 수평대향 4기통을 탑재한 알파 로메오 알나를 출시했으며, 유럽 닛산에서도 '닛산 체리 유럽 GTI'로 판매되었다. 이 엔진은 이 외에도 알파 로메오 33, 알파 로메오 스프린트, 알파 로메오 145, 알파 로메오 146에도 탑재되어 145/146이 1997년에 생산을 종료할 때까지 26년간 계속 제조되었다.
이탈리아에서는 이 외에도 란치아가 1961년의 란치아 플라비아에 란치아 수랭식 수평대향 4기통을 탑재했으며, 1984년 생산 종료된 란치아 감마까지 탑재되었다.
일본의 후지 중공업 (현 SUBARU)의 자동차 부문인 스바루는, 1966년에 EA형 엔진을 탑재한 스바루 1000 이래, 현재에 이르기까지 주력 차종의 모두에 EJ형 등의 수랭식 수평대향 4기통 엔진을 채용하고 있는 것으로 세계적으로 유명하다. 스바루는 자사제 수평대향 4기통에 '''H'''orizontal-4를 의미하는 '''H4'''라는 약칭을 붙였지만, H형 엔진과는 관계가 없다.
스바루의 수평대향 4기통 탑재 차종은 시트로엥이나 란치아 등과 마찬가지로, 앞 차축보다 앞에 종치 탑재된 엔진에 의한 전륜 구동을 채용하고 있다. 스바루는 이 레이아웃을 활용하여 트랜스퍼와 후륜 구동계를 추가하여 비교적 쉽게 사륜 구동으로 발전시킬 수 있었다. 현재 스바루는 많은 차종에 사륜 구동의 등급을 준비하고 있으며, 세계적으로 수평대향과 사륜 구동을 채용하는 제조사로 널리 인식되고 있다.
2012년, 토요타 자동차와 스바루는 토요타 86/스바루 BRZ를 출시했다. 이 두 차종은 스바루제 수평대향 4기통을 사용하여 FR 구동으로 했다. 수평대향 엔진에서의 FR 방식은, 초기의 수평대향 2기통 탑재 차량 이후 예가 없었던 구성이다.
3. 3. 2000년~현재
2000년까지 대부분의 제조사들은 4기통 수평대향 엔진을 직렬 4기통 엔진으로 대체했다. 주목할 만한 예외는 스바루로, 수냉식 스바루 EJ 엔진은 스바루 WRX 스포츠 세단과 월드 랠리 카에 터보차저 형태로 탑재되었다. 스바루가 사륜구동을 채택한 것은 수평대향 엔진을 유지하는 데 영향을 미쳤는데, 이 엔진의 짧은 길이가 섀시에 사륜구동 부품을 장착하는 데 도움이 되기 때문이다.[12] 직렬 4기통 엔진보다 더 비싸지만, 수평대향 엔진을 사용하면 스바루는 2륜 구동 차량에 비해 거의 추가 비용 없이 사륜구동 차량을 만들 수 있다.[12]
2012년에는 스바루 FA 엔진의 자연 흡기 버전이 후륜 구동 스포츠 쿠페인 토요타 86 ( 스바루 BRZ 및 사이언 FR-S라고도 함)에 사용되었다.[13] 이 엔진은 수냉식이며, 가솔린 직접 분사 방식을 사용하고, 147kW의 출력을 내며 배기량은 2L이다.
2016년 포르쉐 박스터/카이맨(982) 미드십 스포츠카는 자연 흡기 수평대향 6기통 엔진에서 터보차저 수평대향 4기통 엔진으로 다운사이징되었으며, 이는 1970년대 중반 이후 포르쉐의 첫 번째 수평대향 4기통 엔진이었다. 이 엔진은 2L에서 2.5L 배기량으로 생산되며 최대 365hp의 출력을 낸다.[14] 일부 평론가들은 박스터/카이맨의 엔진 사운드가 인상적이지 않다고 비판했다.[15][16][17]
4. 오토바이에서의 사용
대부분의 4기통 엔진을 장착한 오토바이는 직렬 4기통 엔진 레이아웃을 사용하지만, 여러 개의 수평대향 4기통 엔진이 샤프트 드라이브 오토바이에 사용되었다.
- 1938년–1939년 췬다프 K800 (공랭식)
- 1974년–1987년 혼다 골드윙 (수랭식)
- 1955년–1956년 울러 500cc (공랭식)
- 1981년–1982년 BFG (기업)|BFG 1300프랑스어 (공랭식 시트로엥 수평대향 4기통 자동차 엔진 사용, 약 450대 제작, 이 중 4분의 1은 프랑스 경찰에 구매됨)[18][19]
미국 혼다는 1975년 1000cc 수냉 수평대향 4기통 엔진, 샤프트 드라이브를 채용한 혼다 GL1000 골드윙을 출시, 1988년 수평대향 6기통 혼다 GL1500 골드윙이 등장할 때까지 수평대향 4기통을 플래그십 모델인 골드윙에 계속 탑재했다.
독일 췬다프는 1938년부터 1939년까지 샤프트 드라이브 구동 방식의 췬다프 K800을 생산했다.
1955년 영국 Wooler (motorcycles)|울러영어는 500cc 수평대향 4기통 샤프트 드라이브 방식 오토바이를 소량 생산했다. 이전 1945년부터 1953년까지 수평대향 4기통 실린더를 직립, 4개 피스톤 좌우 운동을 Beam engine|빔 엔진영어 개념을 사용한 링킹 로드를 통해 크랭크 샤프트로 전달하는 기상천외한 '''직립 수평대향 4기통''' 엔진[24]을 개발했지만, 복잡한 구조로 실용성이 떨어졌고, 개발에 심혈을 기울인 창업자 존 울러가 1954년 사망하자 아들들이 상식적인 설계의 수평대향 4기통으로 교체하여 판매하였다. 울러의 수평대향 4기통은 당시 최고 수준의 정숙성을 가졌지만, 제조사 측 제조 자본 고갈로 몇 대만 제조 후 1956년 회사가 도산했다.[25]
1981년 프랑스 BFG-시트로엥 오토바이가 출시되었다. 시트로엥 자동차용 1299cc 수평대향 4기통 엔진, 샤프트 드라이브 방식으로 구동되는 오토바이로, 총 450대 중 4분의 1은 프랑스 경찰에 순찰차로 납품되었다.[26][27]
5. 항공기에서의 사용
경량 항공기는 로택스, 라이코밍 엔진, 컨티넨탈 모터스, 프랭클린 엔진 컴퍼니와 같은 제조사에서 제작한 최대 390CID 배기량의 4기통 수평 대향 엔진을 사용한다.
무선 조종 항공기의 경우, 40cc에서 50cc 배기량의 4기통 수평 대향 엔진이 O.S. 엔진과 같은 회사에서 생산된다.
최근 주목할 만한 4기통 수평 대향 항공기 엔진으로는 사이드 밸브 방식의 벨기에 D-Motor LF26이 있다.[20]
항공기에서는 성형 엔진보다 작은 전방 투영 면적을 가진 수평 대향 4기통은 기체 선단의 소형화에 기여하기 때문에, 라이커밍이나 컨티넨탈 모터스 등의 엔진 제조사가 소형 비행기용 공랭 엔진을 다수 제조하고 있으며, 소형 항공기에서는 비교적 일반적인 구성이다.
라이커밍(Lycoming)은 360cuin의 공랭식 수평대향 4기통 엔진을 생산하며, 세스나를 비롯한 소형 항공기용 엔진으로 매우 큰 점유율을 차지한다. 라이커밍의 엔진은 구성 요소화된 실린더를 추가하여 수평대향 4기통과 공통 설계를 가진 수평대향 6기통이나 수평대향 8기통으로 라인업을 확장하고 있는 것이 특징이다. 이러한 구성과 라인업을 가진 엔진은 컨티넨탈(Continental)과 Franklin Engine Company|프랭클린 엔진 컴퍼니영어에서도 제조된다. 이러한 항공기용 수평대향 4기통은 플로리다 에버글레이즈의 습원을 질주하는 에어보트에도 사용된다.
일본의 오가와 정기는 OS 엔진 브랜드로 40cc에서 52cc의 무선 조종 항공기용 수평대향 4기통 엔진을 제조한다. 특히 52cc의 '''FF-320''' 엔진은 대형 모형 비행기용 고출력 엔진으로 세계적으로 높은 평가를 받고 있다.
참조
[1]
문서
The so-called "boxer" configuration appears somewhat like boxing competitors punching their gloves together before a fight
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문서
A modular variant of the LF26 is the 4-litre D-Motor LF39
[21]
문서
Note: A low-revving engine is eminently suitable to drive a propeller, which is typically most effective at about 2,000 rpm. If a valve in a side-valve engine should stick open, it cannot hit the piston and cause engine failure; the engine will continue with just that cylinder inoperative. This is an important safety feature for aero-engines.
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