V 엔진
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1. 개요
V 엔진은 실린더가 V자 형태로 배치된 내연 기관의 한 종류이다. 최초의 V 엔진은 1889년 빌헬름 마이바흐가 설계한 2기통 V-트윈 엔진으로 다임러 슈타라드바겐에 사용되었으며, 이후 보트 경주, 항공기, 기관차 등 다양한 분야에 V6, V8, V12 엔진 등이 개발되어 사용되었다. V형 엔진은 실린더 뱅크 각도에 따라 특징이 달라지며, 직렬 엔진에 비해 짧은 길이를 가지지만 폭이 넓다. 자동차에서는 고성능, 고출력을 위해, 항공기에서는 액랭 엔진에 주로 사용된다. V형 엔진은 장점으로 공간 효율성과 강성 확보, 부드러운 회전 등을 가지지만, 구조가 복잡하고 정비가 어려울 수 있으며, 불균등 간격 폭발에 의한 진동이 발생할 수 있다는 단점도 있다. V형 엔진은 실린더 수에 따라 V2부터 V24까지 다양한 종류가 있다.
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2. 역사
V형 엔진의 역사는 19세기 말, 빌헬름 마이바흐가 1889년 다임러 슈타라드바겐 자동차를 위해 설계한 2기통 V-트윈 엔진에서 시작되었다.[1] 이후 20세기 초에 걸쳐 다양한 다기통 V 엔진이 개발되었는데, 1903년에는 최초의 V8 엔진이,[2][3] 1904년에는 최초의 V12 엔진이 등장했다.[4] 1908년에는 최초의 V6 엔진이 개발되어[5] V형 엔진 라인업이 점차 확장되었다. 초기 V 엔진은 주로 특수 목적에 사용되었으나, 점차 기술 발전을 통해 자동차를 비롯한 다양한 분야의 핵심 동력원으로 자리 잡게 되었다.
2. 1. 초기 개발
최초의 V 엔진은 2기통 V-트윈 엔진으로, 빌헬름 마이바흐가 설계했으며 1889년 다임러 슈타라드바겐 자동차에 사용되었다.[1]최초의 V8 엔진은 1903년에 제작되었으며, 레옹 르바바쇠르가 보트 경주 및 항공기를 위해 설계한 안투아네트 엔진 형태였다.[2][3] 최초의 V12 엔진은 이듬해 런던의 Putney Motor Works에서 제작되었으며, 역시 경주용 보트에 사용되었다.[4] 곧이어 1908년에는 도이츠 가스모토렌 파브릭에서 생산된 최초의 V6 엔진이 등장하여 가솔린-전기 기관차의 발전기로 사용되었다.[5]
2. 2. 발전 과정
최초의 V 엔진은 2기통 V-트윈 엔진으로, 빌헬름 마이바흐가 설계하여 1889년 다임러 슈타라드바겐 자동차에 처음 사용되었다.[1] 이후 기술이 발전하면서 다양한 형태의 V 엔진이 등장했다.최초의 V8 엔진은 1903년 프랑스의 레옹 르바바쇠르가 보트 경주 및 항공기용으로 설계한 안투아네트 엔진이었다.[2][3] 이듬해인 1904년에는 영국 런던의 Putney Motor Works에서 최초의 V12 엔진을 제작하여 경주용 보트에 사용했다.[4] 최초의 V6 엔진은 1908년 독일의 도이츠 가스모토렌 파브릭에서 가솔린-전기 기관차의 발전기용으로 생산되었다.[5]
이처럼 초기 V 엔진은 주로 특수 목적 차량이나 항공기 등에 사용되었으나, 점차 양산 자동차에도 적용되기 시작했다. V6 엔진이 양산 자동차에 처음 사용된 것은 1950년으로, 이탈리아의 란치아가 개발한 란치아 V6 엔진이었다.[5] 이 엔진은 60도의 V 각도와 각 실린더에 별도의 크랭크핀을 적용하여 당시 V6 엔진의 고질적인 문제였던 진동을 줄이는 데 성공했다.
한편, 미국에서는 1930년대부터 V8 엔진이 큰 인기를 얻으며 대중화되기 시작했다. V8 엔진은 일반적인 승용차뿐만 아니라 픽업트럭과 SUV, 밴, 미니밴 등 다양한 차종에 널리 탑재되었다.
2. 3. 대한민국
주어진 원본 소스에는 '대한민국'에서의 V형 엔진 사용에 대한 구체적인 정보가 포함되어 있지 않습니다. 원본 소스는 V형 엔진의 일반적인 특징, 장단점, 역사, 그리고 일본, 미국, 유럽 등 다른 국가에서의 사용 사례(이스즈, 미국 자동차, F1 등)를 주로 다루고 있습니다.따라서 원본 소스만을 정확히 기반으로 하여 '대한민국' 섹션을 작성하는 것은 불가능합니다.
3. 특징
동일한 실린더 수의 직렬 엔진과 비교했을 때, V형 엔진은 길이가 더 짧지만 폭은 더 넓다. 이러한 길이 단축 효과는 엔진의 실린더 수가 많아질수록 두드러진다. 예를 들어, V-트윈 엔진과 직렬 2기통 엔진의 길이 차이는 크지 않지만, V8 엔진은 직렬 8기통 엔진보다 훨씬 짧다.[12][6] V형 엔진은 크랭크 샤프트 길이를 단축할 수 있어, 특히 실린더 수가 많아질 때 엔진을 작게 만드는 데 유리하다. 반면, 수평대향 엔진과 비교하면 V형 엔진은 폭이 더 좁고 높이가 더 높으며, 무게 중심도 더 높다.
V형 엔진은 두 줄의 실린더 뱅크로 구성되며, 이 두 뱅크 사이의 각도를 V-각도 또는 뱅크각이라고 부른다. 이 각도는 엔진마다 매우 다양하며, 엔진의 출력 특성, 진동 특성, 소리 등에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 일부 페라리 V12 엔진은 180도 V-각도를 사용하는데, 이는 수평대향 엔진과 같은 각도이다.[13][14][7][8] 반면, 1922년부터 1976년까지 생산된 란치아 V4 엔진이나 1991년부터 현재까지 생산되는 폭스바겐의 VR6 엔진은 V-각도가 10도 정도로 매우 좁다. 이러한 협각 V형 엔진은 두 실린더 뱅크가 하나의 실린더 헤드를 공유하기도 한다. 뱅크각을 180도로 설정한 엔진은 180° V형 엔진이라고 불리며, 마주보는 실린더의 커넥팅 로드가 하나의 크랭크핀을 공유한다는 점에서 각 실린더가 별도의 크랭크핀을 가지는 수평대향 엔진(복서 엔진)과 구조적으로 구별된다.
엔진 밸런스 측면에서 보면, V12 엔진은 구조적으로 완벽한 1차 및 2차 밸런스를 가진다. 하지만 실린더 수가 더 적은 V형 엔진의 경우, 점화 간격, 크랭크축 균형추의 설계, 그리고 밸런스 샤프트의 사용 여부 등에 따라 엔진 밸런스 특성이 달라진다.
V형 엔진의 크랭크핀은 일반적으로 마주보는 두 개의 실린더(각 뱅크에 하나씩)가 공유하는 구조를 가지며, 이 경우 두 실린더 사이에는 약간의 오프셋(간격)이 생긴다. 하지만 일부 엔진, 특히 V-트윈 엔진 중 일부는 각 실린더마다 별도의 크랭크핀을 사용하기도 하며, 롤스로이스 멀린 항공 엔진처럼 연결된 커넥팅 로드를 사용하는 경우도 있다. 엄밀하게는 마주보는 실린더의 커넥팅 로드가 하나의 크랭크핀을 공유하는 구조를 V형 엔진으로 정의하기도 한다.
일부 V형 엔진은 도립(Inverted) 형태로 설계되기도 했다. 이는 일반적인 엔진과 반대로 크랭크축이 엔진 상단에 위치하고 실린더 헤드가 하단에 위치하는 방식이다. 이러한 구조는 주로 항공기용 액랭 엔진에서 사용되었는데, 특히 제2차 세계 대전 시기 독일 공군에서 널리 쓰였다. 도립 엔진은 조종사의 전방 시야를 개선하고, 프로펠러의 추력선을 높여 지면과의 간격을 더 확보할 수 있는 장점이 있었다. 대표적인 예로는 1928년의 Argus As 10 V8 엔진과 1935년의 다임러-벤츠 DB 601 V12 엔진 등이 있다.
4. 장점
- 기통 수가 많아질수록, 직렬 엔진에 비해 실린더 블록과 크랭크축을 짧게 만들 수 있어 강성 확보에 유리하다.[12]
- 기통 수가 많은 경우 공간 효율이 뛰어나, 자동차 엔진룸 내에 배치하기 용이하다. 세로 배치와 가로 배치 모두에 적용하기 쉬우며, 특히 OHV 방식과 결합하면 배기량에 비해 엔진 크기를 작게 만들 수 있다. 또한 엔진의 전체 높이가 낮아져 저중심화 설계에 유리하고 보닛 높이를 낮출 수 있으며, 엔진룸 내 여유 공간 확보를 통해 충돌 시 충격 흡수 공간(크러셔블 존) 확보에도 이점이 있다.
- 기통 수가 적은 경우에도 1차 진동이 이론적으로 상쇄되어 정숙성을 높이고 진동을 줄일 수 있다.
- 뱅크 각도와 기통 수에 따라 다르지만, 예를 들어 90도 뱅크각의 V형 4기통 엔진은 하나의 피스톤이 상사점 또는 하사점에 도달하여 속도가 0이 되는 순간에도, 다른 피스톤은 속도가 가장 빠른 중간 지점에 위치하게 된다. 이 덕분에 저회전에서도 비교적 부드럽게 회전하며, 직렬 4기통 엔진(180도 크랭크축 기준)처럼 모든 피스톤이 동시에 멈추는 순간이 없어 엔진이 갑자기 정지될 가능성이 낮다.
- 콤팩트한 설계는 공기역학적 설계나 차량의 무게 배분 측면에서도 유리하다. 또한 실린ダー 블록을 차체 프레임의 일부로 사용하는 스트레스 마운트 방식에 적합하여 미드십 엔진 배치 차량 설계에도 장점을 가진다. 이러한 특성 덕분에 모터스포츠, 특히 F1이나 르망 24시 같은 경주용 차량이나 고성능을 지향하는 스포츠카, 고급 세단 등에서 V형 엔진이 선호되는 경향이 있다.
5. 단점
- 직렬 엔진과 비교했을 때, 실린더 헤드가 양쪽 뱅크로 나뉘고 밸브 구동계나 흡배기계 등을 양쪽 뱅크에 각각 배치해야 하므로 구조가 더 복잡해지고 무게도 더 무거워지는 경향이 있다.
- 흡기 및 배기 시스템의 배치가 직렬 엔진보다 자유롭지 못하여 설계상 제약이 따를 수 있다.
- 특히 실린더 수가 적은 V형 엔진의 경우, 진동을 효과적으로 상쇄하기 위해 크랭크 샤프트에 무거운 밸런스 웨이트를 추가해야 하는 경우가 많아 크랭크 샤프트 자체가 무거워진다.
- 각 뱅크의 배기관을 하나로 모을 경우, 실린더의 폭발 순서가 균일하지 않아 배기 가스가 서로 간섭하는 현상(배기 간섭)이 발생하여 배기 효율이 떨어질 수 있다.
- 실린더 수나 뱅크 각도에 따라 각 실린더의 폭발 간격이 불규칙해질 수 있으며, 이는 특히 엔진 회전수가 낮은 영역에서 토크 변동을 유발하여 부드러운 회전 질감을 해칠 수 있다. 다만, 현재는 크랭크 핀의 각도를 조절하는 위상 크랭크 핀 기술 등을 통해 폭발 간격을 균등하게 만드는 것이 가능하다. 이륜차의 경우, 오히려 이러한 불균등 폭발 간격이 만들어내는 독특한 엔진 고동감이나 가속 시 트랙션 확보에 유리한 특성을 장점으로 활용하기도 한다.
- 가로 배치로 엔진을 장착하는 경우, 차량 구조상 엔진의 한쪽 뱅크가 격벽 가까이에 위치하게 되어 스파크 플러그 교환 등 일부 정비 작업 공간 확보가 어려워 정비성이 떨어지는 경우가 있다. 예를 들어 토요타 자동차의 1MZ-FE나 2GR-FE 엔진이 미니밴 차종인 에스티마나 알파드 등에 탑재되었을 때 이러한 정비성 문제가 지적되기도 한다.
6. 종류
V형 엔진은 실린더가 V자 형태로 배열된 내연 기관의 한 종류이다. 직렬 엔진과 비교할 때, 같은 기통 수에서 크랭크 샤프트 길이를 줄여 엔진 전체 크기를 작게 만들 수 있다. 이 장점은 실린더 수가 많은 다기통 엔진에서 특히 두드러진다. V형 엔진의 실린더 열은 각각 '뱅크'라고 불리며, 두 뱅크 사이의 각도인 '뱅크각'에 따라 엔진의 출력 특성, 진동, 소리 등이 달라진다.
자동차에서는 주로 실린더 수가 많은 대배기량 엔진에 V형 구조가 많이 채택된다. 8기통 이상 엔진을 직렬로 만들면 길어지는 크랭크 샤프트의 강성을 확보하기 어렵고 엔진이 너무 길어져 차체 탑재에 제약이 따르기 때문이다. V형 엔진은 크랭크 샤프트와 엔진 전체 길이를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 각 실린더 헤드의 위치가 낮아져 자동차의 무게 중심과 보닛 높이를 낮추는 데 유리하다. 이는 충돌 안전성 확보에도 도움을 준다. 6기통 엔진의 경우에도 엔진 길이가 짧아 세로 및 가로 배치 모두에 적용하기 용이하여 직렬 6기통 엔진을 대체하며 주류가 되었다. 반면, 4기통 이하 엔진에서는 구조가 복잡해지고 실린더 헤드가 두 개 필요하여 비용이 증가하는 단점 때문에 V형 구조가 잘 사용되지 않는다.
모터스포츠에서도 V형 엔진은 널리 사용된다. F1이나 르망 24시 같은 레이스카에서 V형 엔진은 컴팩트한 크기 덕분에 공기역학 설계나 무게 배분 면에서 유리하며, 엔진 블록을 차체 프레임의 일부로 활용하는 스트레스 마운트 방식에 적합하여 미드십 배치에 유리하다.
오토바이에서는 적은 기통 수에서도 진동을 줄일 수 있다는 장점 때문에 V형 엔진이 많이 사용되며, 특정 브랜드는 V형 엔진을 브랜드 정체성으로 삼기도 한다. 할리 데이비슨의 45° V-트윈 엔진, 두카티의 L형(90° V형) 2기통 엔진, 모토 구찌의 세로 배치 V형 2기통 엔진 등이 대표적이다.
트럭이나 버스 등 대형 상용차에도 과거에는 V형 디젤 엔진이 사용되었다. 예를 들어 일본의 이스즈 자동차는 V형 8, 10, 12기통 디젤 엔진을 생산하여 자사 차량에 탑재했었다. 하지만 자동차 배출가스 규제 강화와 엔진 다운사이징 추세에 따라 대배기량 V형 디젤 엔진은 점차 줄어들고 있다.
항공기에서는 액랭 엔진의 대부분이 V형 구조를 채택했으며, 특히 제2차 세계 대전 당시 독일 공군은 실린더가 아래쪽을 향하는 도립 V형 엔진을 주력으로 사용했다.
6. 1. 주요 형식
V형 엔진은 '''"V''#''"''' 표기법으로 설명하는 것이 일반적인데, 여기서 ''#''는 실린더 수를 나타낸다. 생산된 V형 엔진의 주요 구성은 다음과 같다.
6. 2. 특수 형식
직렬 엔진의 실린더를 좌우로 어긋나게 배치하면서도 실린더 헤드를 양쪽 뱅크가 공유하는 일체형으로 만든 협각 V형 엔진도 넓은 의미에서는 V형 엔진으로 분류된다. 대표적인 예로 란치아나 VW의 엔진을 들 수 있다. 특히 1991년부터 생산된 폭스바겐 VR6 엔진은 V-각도가 10도에 불과하며, 두 실린더 뱅크가 하나의 실린더 헤드를 공유한다.[14] 하지만 엄밀히 말해 V형 엔진은 마주보는 실린더의 커넥팅 로드가 하나의 크랭크 핀을 공유하는 구조를 의미한다.뱅크각을 180°로 설정하여 크랭크 샤프트를 사이에 두고 양쪽 뱅크의 실린더가 서로 마주보도록 설계한 엔진도 있다. 일부 페라리 V12 엔진이 이러한 180도 V각을 사용한다.[13][14] 마주보는 실린더의 커넥팅 로드가 하나의 크랭크 핀을 공유할 경우, 이를 180° V형 엔진이라고 부른다. 이는 각 실린더마다 별도의 크랭크 핀을 사용하는 수평대향 엔진(복서 엔진)과는 구조적으로 구별된다. 다만 엔진의 외형만으로는 구별하기 어려워 넓은 의미에서는 180° V형 엔진을 수평대향 엔진에 포함시키기도 한다.
7. 활용
V형 엔진은 직렬 엔진에 비해 크랭크 샤프트 길이를 줄일 수 있어, 특히 여러 개의 실린더를 사용하는 다기통 엔진을 더 작고 가볍게 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 다양한 분야에서 활용된다.
- 자동차: 주로 실린더 수가 많은 대배기량 엔진에 채용되어 엔진 크기를 줄이고 무게 중심을 낮추는 데 유리하며, 스포츠카, 고급 세단, SUV 등 다양한 차종에 적용된다. 모터스포츠 분야, 특히 F1에서도 엔진의 콤팩트한 설계가 공기역학이나 무게 배분에 유리하여 널리 사용된다.
- 오토바이: 비교적 적은 수의 실린더로도 진동을 줄일 수 있어 많이 사용된다. 할리 데이비슨, 두카티 등 특정 브랜드에서는 V형 엔진이 브랜드의 아이덴티티로 여겨지기도 한다.
- 대형 상용차: 과거 트럭이나 버스 등의 디젤 엔진으로도 사용되었으나, 자동차 배출가스 규제 강화와 엔진 다운사이징 추세로 인해 점차 사용이 줄어들고 있다.
- 항공기: 액랭 엔진의 형태로 많이 채용되었으며, 특히 제2차 세계 대전 당시 독일 공군은 실린더가 아래를 향하는 도립 V형 엔진을 주력으로 사용했다.
7. 1. 자동차
자동차에서는 주로 다기통화하기 쉬운 대배기량 엔진에 채용된다. 8기통 이상의 엔진은 직렬 엔진 형태로는 크랭크 샤프트가 길어져 비틀림 강성을 높이기 어렵고, 엔진 자체 길이 때문에 차체 탑재에 제약이 따른다. 따라서 크랭크 샤프트 길이와 엔진 전장을 줄일 수 있는 V형 엔진이 일반적이다. 또한, 각 실린더 헤드의 위치가 낮아져 엔진의 무게 중심을 낮추고 보닛 높이를 억제할 수 있다는 장점이 있다. 이는 엔진룸의 전후좌우 공간 확보로 이어져 충격 흡수 구역(크러셔블 존) 확보에도 유리하다. 6기통 엔진에서도 엔진 길이가 짧아 세로 배치와 가로 배치 모두에 적용하기 용이하여, 직렬 6기통 엔진을 대체하며 V형 6기통이 주류가 되었다. 반면, 4기통 이하에서는 엔진을 작게 만들 수 있다는 장점보다 실린더와 실린더 헤드가 두 개씩 필요하다는 비용적 단점이 더 커서 최근 자동차에는 잘 채용되지 않는다.특히 V형 8기통(V8) 엔진은 미국에서 1930년대부터 현재까지 꾸준히 선호되어 왔다. 일반적인 승용차뿐만 아니라 픽업트럭과 이를 기반으로 한 SUV, 풀 사이즈 밴, 미니밴 등에 기본 사양으로 널리 사용되고 있다. 한때 미국산 자동차의 상징과도 같았던 머슬카를 비롯하여, CART, 인디카, NASCAR로 대표되는 미국의 모터스포츠 역사에서도 고성능 V8 엔진은 빼놓을 수 없는 요소이다. 미국에서는 6기통이라도 소리에 울림이 있는 V형을 선호하는 경향이 있으며, 그렇기 때문에 북미 시장을 노린 스포츠카나 고급 세단에서는 V형 엔진 탑재 차량이 많다.
F1과 같은 포뮬러카 레이스에서도 1950년대부터 V형 엔진이 채용되었다. 배기량이 1.5리터로 제한되었던 시기에는 직렬 엔진이나 수평대향 엔진이 사용되기도 했지만, 챔피언을 차지한 경주차 대부분은 V형 엔진을 탑재했다. 배기량이 3리터 이상으로 확대된 1990년대 이후로는 거의 모든 경주차가 V형 엔진을 사용하게 되었다. 2014년 규정 변경 이후 현재까지 F1은 1.6리터 V형 6기통 엔진으로 통일되어 사용되고 있다. 르망 24시로 대표되는 스포츠카 내구 레이스에서도 포르쉐의 수평대향 엔진을 제외하면 대부분 V형 엔진을 채택하고 있다. V형 엔진은 콤팩트한 설계 덕분에 공기역학 설계나 무게 배분 면에서 유리하며, 실린더 블록을 차체 프레임의 일부(스트레스 멤버)로 활용하는 스트레스 마운트 방식에 적합하여 미드십 엔진 배치에 유리하다는 장점도 있다. 다만, 가로 배치 엔진을 사용하는 대중차 기반의 레이스 카테고리에서는 직렬 4기통 엔진이 일반적이다.
7. 2. 오토바이
오토바이에서는 적은 기통수에서도 진동을 줄일 수 있다는 장점 때문에 V형 엔진을 채택하는 경우가 많다. 대표적으로 할리 데이비슨은 뱅크각 45°의 V형 2기통 OHV 엔진을 사용하며, 두카티는 가로 배치 L형 V형 2기통 엔진을, 모토 구찌는 세로 배치 V형 2기통 엔진을 사용한다. 이러한 V형 엔진들은 독특한 엔진 소리와 토크감으로 많은 팬을 확보하고 있으며, 엔진 자체가 해당 브랜드의 아이덴티티가 되기도 한다.7. 3. 항공기
항공기에서는 액랭 엔진의 대부분에 채용되고 있으며, 특히 제2차 세계 대전기의 독일 공군에서는 도립 V형 엔진이 주류를 차지했다.7. 4. 기타
디젤 엔진을 탑재하는 트럭이나 버스 같은 대형차에도 V형 엔진이 채용된 사례가 있다. 일본의 자동차 제조사 이스즈 자동차는 P계 엔진이라는 이름으로 V형 8기통, 10기통, 12기통 엔진을 생산하여 자사의 트럭, 관광 버스, 노선 버스 등에 탑재했다. 그러나 이후 디젤 자동차에 대한 배출가스 규제가 강화되면서 엔진 크기를 줄이는 추세(다운사이징)가 나타났고, 이로 인해 배기량이 큰 V형 엔진은 점차 시장에서 찾아보기 어려워졌다.항공기 분야에서도 V형 엔진이 사용되었는데, 특히 액랭 엔진의 상당수가 이 형식을 채택했다. 제2차 세계 대전 시기 독일 공군에서는 실린더가 아래쪽을 향하도록 설계된 도립 V형 엔진이 주력으로 사용되기도 했다.
참조
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서적
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https://books.google[...]
2008
[2]
웹사이트
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2020-01-01
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서적
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Berlin
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