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단기통 엔진

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목차

1. 개요

단기통 엔진은 실린더가 하나인 내연 기관으로, 다기통 엔진에 비해 구조가 단순하고 소형이며, 공랭식 냉각에 적합하다. 장점으로는 단순한 구조로 인한 고장 감소, 경량화 및 열효율 우수성이 있으며, 단점으로는 진동이 크고, 최고 회전수가 낮으며, 출력과 가속력이 다기통 엔진에 비해 떨어진다는 점이 있다. 주로 오토바이, 스쿠터, 정원 도구, 소형 발전기 등에 사용되며, 과거에는 자동차와 트랙터에도 사용되었으나 현재는 드물다. 또한, 스플릿 싱글과 같은 특수한 형태의 단기통 엔진도 존재한다.

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단기통 엔진

2. 특징

1959년형 본드 미니카의 빌리어스 엔진


단기통 엔진은 다기통 엔진에 비해 일반적으로 더 단순하고 소형이다.[1] 실린더의 모든 면에서 공기 흐름이 더 원활하기 때문에, 공랭식은 다기통 엔진보다 단기통 엔진에 더 효과적인 경우가 많다. 이는 액랭식 엔진에 비해 공랭식 단기통 엔진의 무게와 복잡성을 줄여준다.

단기통 엔진의 단점으로는 각 사이클에서 더 맥동하는 동력 전달과 더 높은 수준의 진동이 있다.[2] 고르지 못한 동력 전달은 종종 단기통 엔진이 동등한 다기통 엔진보다 더 무거운 플라이휠을 필요로 한다는 것을 의미하며, 이는 엔진 속도의 상대적으로 느린 변화를 초래한다. 진동 수준을 줄이기 위해, 그들은 다기통 엔진보다 더 많은 밸런스 샤프트를 사용하며,[3] 두카티 슈퍼모노와 같은 더 극단적인 방법인 더미 커넥팅 로드를 사용하기도 한다.[4][5] 이러한 밸런싱 장치는 무게와 복잡성 측면에서 단기통 엔진의 이점을 감소시킬 수 있다.

가장 기본적인 구조의 엔진으로, 각종 내연 기관이 발명된 초기부터 존재해 왔다.

구조가 단순하고 부품 수도 적어 고장이 잘 나지 않고 유지 보수가 용이하다. 동배기량의 다기통 엔진과 비교했을 때, 경량화 및 소형화가 가능하며, 운동 부품의 마찰에 의한 손실 (마찰 손실)이 적고, 연소실 및 실린더 벽의 총 표면적도 작아 열 손실이 적어 열효율면에서도 우수하다. 이러한 특징을 살려, 롱 스트로크형으로 더욱 고효율화를 도모한 것도 있다.

단, 단기통 엔진은 동 배기량의 다기통 엔진과 비교했을 때, 운동 부품의 관성이 크고, 최고 허용 회전수가 낮고, 최고 출력이 작으며, 중고속 영역에서의 가속이 둔화되어 최고 속도가 낮아진다. 또한, 다기통 엔진이라면 피스톤끼리의 관성력을 상쇄할 수 있는 것도 있지만, 단기통에서는 그것이 불가능하기 때문에, 진동이 커지는 경향도 있다. 밸런서 샤프트에 의해 진동을 저감하는 방법도 있지만, 그 경우, 손실 증가 및 질량 증가에 따른 스로틀 응답의 둔화와 맞바꿔야 한다. 또한 2행정에서 360°, 4행정에서 720°로 폭발 간격이 넓기 때문에, 저회전 시의 유연성을 보완할 필요가 있어 플라이휠의 질량도 크게 채택되어 있으며, 이 또한 응답을 둔화시킨다.

자동차에 사용되는 대부분의 단기통 엔진은 가솔린으로 연료를 사용하며 (4행정 사이클을 사용한다),[6][7][8] 하지만 경유 단기통 엔진은 고정형 응용 분야(예: 롬바르디니 3LD 및 15LD)에도 사용된다.

스플릿 싱글이라고 알려진 변형은 하나의 연소실을 공유하는 두 개의 피스톤을 사용한다.

2. 1. 장점



단기통 엔진은 다기통 엔진에 비해 일반적으로 더 단순하고 소형이며,[1] 구조가 단순하고 부품 수가 적어 고장이 잘 나지 않고 유지 보수가 용이하다. 동배기량의 다기통 엔진과 비교했을 때, 경량화 및 소형화가 가능하며, 운동 부품의 마찰에 의한 손실 (마찰 손실)이 적고, 연소실 및 실린더 벽의 총 표면적도 작아 열 손실이 적어 열효율면에서도 우수하다. 이러한 특징을 살려, 롱 스트로크형으로 더욱 고효율화를 도모한 것도 있다.

실린더의 모든 면에서 공기 흐름이 더 원활하기 때문에, 공랭식은 다기통 엔진보다 단기통 엔진에 더 효과적인 경우가 많다.[1] 이는 액랭식 엔진에 비해 공랭식 단기통 엔진의 무게와 복잡성을 줄여준다.

2. 2. 단점

단기통 엔진은 다기통 엔진에 비해 일반적으로 더 단순하고 소형이며, 공랭식 냉각이 더 효과적이다.[1] 그러나 각 사이클에서 동력 전달이 맥동적이고 진동 수준이 높다는 단점이 있다.[2]

고르지 못한 동력 전달로 인해 단기통 엔진은 다기통 엔진보다 무거운 플라이휠을 필요로 하며, 이는 엔진 속도 변화를 느리게 한다. 진동을 줄이기 위해 밸런스 샤프트를 사용하거나,[3] 두카티 슈퍼모노처럼 더미 커넥팅 로드를 사용하기도 하지만,[4][5] 이는 무게와 복잡성을 증가시킨다.

단기통 엔진은 운동 부품의 관성이 크고, 최고 허용 회전수가 낮으며, 최고 출력이 작다. 또한, 피스톤끼리 관성력을 상쇄할 수 없어 진동이 커지는 경향이 있다. 밸런서 샤프트로 진동을 줄일 수 있지만, 손실 증가 및 질량 증가로 스로틀 응답이 둔화된다. 폭발 간격이 넓어 저회전 시 유연성을 보완하기 위해 플라이휠 질량을 크게 채택하여 응답을 둔화시킨다.

3. 용도

초창기 오토바이, 자동차 및 해상 엔진과 같은 다른 응용 분야에서 모두 단기통 엔진을 사용했다. 이 형식은 잔디 깎는 기계와 같은 정원 도구와 함께 휴대용 도구에 거의 독점적으로 사용된다.[9] 단기통 엔진은 오토바이, 스쿠터, 고카트, 오토릭샤, 무선 조종 모형에서도 널리 사용되고 있다. 1921년부터 1960년까지 란츠 불독 트랙터는 대형 수평 장착 단기통 2행정 엔진을 사용했다.[10] 그러나 엔진 기술의 발달로 인해 현대 자동차와 트랙터에서는 거의 사용되지 않는다.

야마하 SRX600 (1985–1997) 오토바이 엔진


단기통 엔진은 스쿠터와 저출력 오토바이에서 가장 흔한 엔진 레이아웃으로 남아 있다. 혼다 슈퍼 커브 (1958년 출시 이후 전체 판매량이 가장 높은 자동차)는 49 cc 4행정 단기통 엔진을 사용한다. 또한 KTM 690 듀크 R과 같은 여러 단기통 스포츠 바이크, BMW G650GS와 같은 듀얼 스포츠 오토바이 및 클래식 스타일의 로열 엔필드 500 불릿도 있다.[11][12]

MotoGP 월드 챔피언십의 Moto3 클래스는 2012년에 125 cc 2행정을 대체한 이후 4행정 250 cc 단기통 엔진을 사용해 왔다.

단기통 엔진은 단위 배기량당 출력이 크게 요구되지 않는 용도에 적합하다. 예를 들어 휴대 가능한 소형 범용 엔진, 소형 휴대용 발전기, 소형 선외기, 소형·경량 지향적인 오토바이 등에 많이 사용된다.

소형·경량·저가격·저비용을 요구하는 소형 - 중형 배기량 클래스의 오프로드용 오토바이나 50cc 이하의 원동기장치 자전거, 미니카에 탑재되는 엔진은 대부분 단기통 엔진이다. 또한 로드 스포츠나 아메리칸 타입의 경우, 독특한 출력 특성과 경량이라는 장점 외에도, 고동감과 시원한 배기음을 선호하여 단기통 엔진이 채용되는 경우도 있다.

경기의 세계에서도 로드 레이스 세계 선수권 대회에서는 발족 초기부터 단기통 엔진 클래스가 있었으며, 현재도 Moto3 클래스가 단기통 엔진을 채용하고 있다. 또한 오프로드 경기 전반( 트라이얼 / 모토크로스 / 엔듀로 / 슈퍼모타드 / 랠리 레이드)에서는 최고 출력보다 다루기 쉬운 토크 특성과 경량성이 중시되기 때문에 단기통 외에는 거의 찾아볼 수 없다.

구조가 단순·최소한이라는 점을 활용하여, 연구 기관이나 엔진 제조사에서 연소실·연소 특성 개발 연구용으로도 종종 사용된다. 단기통 엔진은 부품 교체 시 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 테이블 테스트 등도 실시하기 쉽다(단기통 엔진에서의 시험 성적이 좋으면, 동일한 연소실 구조의 다기통 엔진 시제품 제작으로 넘어갈 수 있다). 이 경우에는 "단통 엔진"이라고 불리는 경우도 있다.

단기통 엔진의 엔진. 혼다 슈퍼 커브의 엔진(시애틀 어린이 박물관의 전시)


3. 1. 오토바이 및 스쿠터

초창기 오토바이에는 단기통 엔진이 사용되었다.[9] 단기통 엔진은 스쿠터와 저출력 오토바이에서 가장 흔한 엔진 레이아웃으로 남아 있다.[11][12] 혼다 슈퍼 커브는 4행정 단기통 엔진을 사용한다.[11] KTM 690 듀크 R과 같은 여러 단기통 스포츠 바이크, BMW G650GS와 같은 듀얼 스포츠 오토바이 및 클래식 스타일의 로열 엔필드 500 불릿도 단기통 엔진을 사용한다.[11][12]

소형·경량·저가격·저비용을 요구하는 소형 - 중형 배기량 클래스의 오프로드용 오토바이나 50cc 이하의 원동기장치 자전거, 미니카에 탑재되는 엔진은 대부분 단기통 엔진이다. 로드 스포츠나 아메리칸 타입의 경우, 독특한 출력 특성과 경량이라는 장점 외에도, 고동감과 시원한 배기음을 선호하여 단기통 엔진이 채용되는 경우도 있다.

MotoGP 월드 챔피언십의 Moto3 클래스는 2012년에 2행정을 대체한 이후 4행정 단기통 엔진을 사용해 왔다. 오프로드 경기 전반( 트라이얼 / 모토크로스 / 엔듀로 / 슈퍼모타드 / 랠리 레이드)에서는 최고 출력보다 다루기 쉬운 토크 특성과 경량성이 중시되기 때문에 단기통 외에는 거의 찾아볼 수 없다.

3. 2. 기타 용도

초창기 오토바이, 자동차 및 해상 엔진과 같은 다른 응용 분야에서 모두 단기통 엔진을 사용했다. 이 형식은 잔디 깎는 기계와 같은 정원 도구와 함께 휴대용 도구에 거의 독점적으로 사용된다.[9] 단기통 엔진은 오토바이, 스쿠터, 고카트, 오토릭샤, 무선 조종 모형에서도 널리 사용되고 있다. 1921년부터 1960년까지 란츠 불독 트랙터는 대형 수평 장착 단기통 2행정 엔진을 사용했다.[10] 그러나 엔진 기술의 발달로 인해 현대 자동차와 트랙터에서는 거의 사용되지 않는다.

단기통 엔진은 스쿠터와 저출력 오토바이에서 가장 흔한 엔진 레이아웃으로 남아 있다. 혼다 슈퍼 커브 (1958년 출시 이후 전체 판매량이 가장 높은 자동차)는 49 cc 4행정 단기통 엔진을 사용한다. 또한 KTM 690 듀크 R과 같은 여러 단기통 스포츠 바이크, BMW G650GS와 같은 듀얼 스포츠 오토바이 및 클래식 스타일의 로열 엔필드 500 불릿도 있다.[11][12]

MotoGP 월드 챔피언십의 Moto3 클래스는 2012년에 125 cc 2행정을 대체한 이후 4행정 250 cc 단기통 엔진을 사용해 왔다.

단기통 엔진은 단위 배기량당 출력이 크게 요구되지 않는 용도에 적합하다. 예를 들어 휴대 가능한 소형 범용 엔진, 소형 휴대용 발전기, 소형 선외기, 소형·경량 지향적인 오토바이 등에 많이 사용된다.

소형·경량·저가격·저비용을 요구하는 소형 - 중형 배기량 클래스의 오프로드용 오토바이나 50cc 이하의 원동기장치 자전거, 미니카에 탑재되는 엔진은 대부분 단기통 엔진이다. 또한 로드 스포츠나 아메리칸 타입의 경우, 독특한 출력 특성과 경량이라는 장점 외에도, 고동감과 시원한 배기음을 선호하여 단기통 엔진이 채용되는 경우도 있다.

경기의 세계에서도 로드 레이스 세계 선수권 대회에서는 발족 초기부터 단기통 엔진 클래스가 있었으며, 현재도 Moto3 클래스가 단기통 엔진을 채용하고 있다. 또한 오프로드 경기 전반( 트라이얼 / 모토크로스 / 엔듀로 / 슈퍼모타드 / 랠리 레이드)에서는 최고 출력보다 다루기 쉬운 토크 특성과 경량성이 중시되기 때문에 단기통 외에는 거의 찾아볼 수 없다.

구조가 단순·최소한이라는 점을 활용하여, 연구 기관이나 엔진 제조사에서 연소실·연소 특성 개발 연구용으로도 종종 사용된다. 단기통 엔진은 부품 교체 시 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 테이블 테스트 등도 실시하기 쉽다(단기통 엔진에서의 시험 성적이 좋으면, 동일한 연소실 구조의 다기통 엔진 시제품 제작으로 넘어갈 수 있다). 이 경우에는 "단통 엔진"이라고 불리는 경우도 있다.

4. 특수한 단기통 엔진

다른 종류의 엔진, 예를 들어 빔 엔진이나 특정 유형의 스털링 엔진은 하나의 실린더를 사용하며, 따라서 단기통 엔진으로 간주될 수 있다.

푸흐


2개 또는 구성에 따라서는 3개의 복수 피스톤에 의해 흡입 → 압축 → 폭발·팽창 → 배기 과정을 분할한 방식이 있으며, 스플릿 싱글이라고 불리는 단기통의 일종으로 취급된다(동 방식으로, 복수 계통을 갖는 것은 2기통 등으로 취급되는 것도 있다). 피스톤 2개인 경우, 단기통의 실린더를 2개로 나누어 더블 피스톤 구성으로 하고, 연소실은 2개의 피스톤으로 공유하는 설계가 된다.

1912년에 이탈리아의 갈레리에 의해 고안되었다. 오스트리아의 오토바이 메이커인 푸흐/Puch영어 (현・슈타이어-다임러-푸흐)는 Y자형 커넥팅 로드를 사용하여 구성했다. 비슷한 기구는 영국의 루카스사나 독일의 DKW사에서도 채용된 예가 있다. 일본에서는 전전에는 영세 오토바이 메이커에 의해 '''U형 기통 엔진'''·'''U형 연소실 엔진'''으로 소수가 제조된 예, 전후에는 호프 자동차의 호프스타 SU형 엔진의 예가 있다.

4. 1. 스플릿 싱글

다른 종류의 엔진, 예를 들어 빔 엔진이나 특정 유형의 스털링 엔진은 하나의 실린더를 사용하며, 따라서 단기통 엔진으로 간주될 수 있다.

2개 또는 구성에 따라서는 3개의 복수 피스톤에 의해 흡입 → 압축 → 폭발·팽창 → 배기 과정을 분할한 방식이 있으며, 스플릿 싱글이라고 불리는 단기통의 일종으로 취급된다(동 방식으로, 복수 계통을 갖는 것은 2기통 등으로 취급되는 것도 있다). 피스톤 2개인 경우, 단기통의 실린더를 2개로 나누어 더블 피스톤 구성으로 하고, 연소실은 2개의 피스톤으로 공유하는 설계가 된다.

1912년에 이탈리아의 갈레리에 의해 고안되었다. 오스트리아의 오토바이 메이커인 푸흐 (현・슈타이어-다임러-푸흐)는 Y자형 커넥팅 로드를 사용하여 구성했다. 비슷한 기구는 영국의 루카스사나 독일의 DKW사에서도 채용된 예가 있다. 일본에서는 전전에는 영세 오토바이 메이커에 의해 '''U형 기통 엔진'''·'''U형 연소실 엔진'''으로 소수가 제조된 예, 전후에는 호프 자동차의 호프스타 SU형 엔진의 예가 있다.

5. 한국의 단기통 엔진

6. 같이 보기

참조

[1] 웹사이트 Single Cylinder Engines https://www.thebikem[...]
[2] 웹사이트 How to Balancing a Single Cylinder Engine Crankshaft and Piston/Connecting Rod Assembly and Flywheel to Reduce Dangerous Vibration http://gardentractor[...] 2019-07-10
[3] 웹사이트 Engine Science: The Balancing Act of Single Cylinder Engines https://isavetractor[...] 2019-07-10
[4] 논문 Methods of Balancing Single Cylinder Engines SAE Transactions 1968
[5] 웹사이트 Suzuki's Supermono Engine Design https://www.cyclewor[...] 2019-04-26
[6] 웹사이트 5 of the funkiest single-cylinder street bikes https://www.motorcyc[...] 2009-03-05
[7] 웹사이트 The Single Life: 6 of the best thumpers https://www.bennetts[...] 2019-07-07
[8] 웹사이트 The 16 Best Retro Motorcycles Make Bikes Great, Again https://www.thecooli[...] 2016-08-09
[9] 웹사이트 How Car Engines Work https://auto.howstuf[...] 2000-04-05
[10] 웹사이트 The Lanz Bulldog https://www.gasengin[...] 1988-12
[11] 웹사이트 690 Duke: The essence of motorcycling https://web.archive.[...] 2012-06-01
[12] 웹사이트 Royal Enfield Motorcycles https://web.archive.[...] Royalenfields.com 2011-12-06


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