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10기통
10기통이란 실린더가 10개인 엔진을 말한다. 양산형 기준으로는 보통 5L대 이상이며 4L, F1 엔진으로 주로 쓰이는 3L대, 그리고 2L 대의 10기통 엔진도 존재한다. 2019년 중순에 포드의 트라이튼 V10 엔진이 신형 V8 7.3L OHV 엔진으로 대체되면서 단종됨에 따라, 현재 양산차량용 엔진으로 생산되는 제품은 아우디 R8과 람보르기니 우라칸에 얹히는 람보르기니 V10 엔진 하나가 유일하다.[1]
목차
역사
과거의 직렬 10기통 엔진은 거의 자동차에는 쓰여지지 않고 배, 탱크등 큰 마력이 필요한 이동수단에 사용되었다. 대표적인 예로는 '만(MAN) B&W 2스트로크' 선박의 디젤 엔진은 5만8600의 마력을 내재하고 있었다. 또한 수평 대항 10기통의 경우 독일군의 주력 탱크 '레오파드1'을 예로 들 수 있다. 이 탱크는 37400cc의 엔진으로 830의 마력을 내었다. 과거 포르쉐 스포츠카에도 10기통 엔진이 활용된 바가 있었다. 이는 까레라 GT의 V10엔진이다. 전 세계에서 1270대만이 생산되었다고 한다. 이 차는 미국 F1 1992년 F1팀 풋웍 에 엔진을 제공하기 위해 만들어졌다. 하지만 당시 풋웍은 혼다의 v10과 파트너쉽을 체결하게 되고, 이 엔진은 르망 24시간 내구 레이스를 위한 엔진으로 고려되었다. 이후에 2004년이 되어서야 시판화가 결정됐다. 5.7리터로 612마력을 발휘했으나 2006년 미국의 법규 규정이 개정되며 단종을 선언했다. 그리고 나서 닷지 바이퍼의 SRT가 출시된다. 당시 V8이 아니면 아무리 출력이 뛰어나도 고성능으로 주목받을 수 없는 미국 시장에서 V10 머슬카의 등장은 대중의 이목을 끌기에 충분했다. 차의 이미지는 AC코브라로부터 제공받고 엔진은 닷지의 모기업 크라이슬러 트럭에서 제공받았다. 본래 트럭은 저속 토크를 중시하기 때문에 그 세팅을 그대로 스포츠카에 적용할 수도 없을뿐더러 트럭용 엔진은 경량화보다는 생산비용 절감 측면에 초점을 두고 구축했기에 무게가 상당했다. 그렇기에 당시 크라이슬러의 산하에 있던 람보르기니의 도움으로 하여금 엔진 구조를 개조 받았다. 그리고 이 기술을 이용하여 바이퍼의 엔진을 실은 닷지 램 SRT-10 트럭을 발명했다. 당시 미국의 세그먼트 시장에서 가장 인기 있었던 품목은 세단도 쿠페도 아니며, 미니밴도 컨버터블도 아니었다. 픽업트럭이 가장 판매량이 많았다. 차량 판매량의 1, 2 위를 픽업트럭이 차지하고 3위에는 캠리가 자리했다. 1, 2위와의 차이 또한 상당했다. 그만큼 인기 있는 차종이었던 픽업트럭의 최상위 옵션이 V10 엔진을 기반으로 구축한 SRT-10이었다. 그리고 나서 BMW가 M5를 출시하게 된다. 이는 8250rpm 까지 소화하며 514마력을 낸다. 400마력과 풀파워의 500마력을 나누어 상황에 맞게 사용할 수 있다는 특징이 있다. 승차감이 안정적이라는 호평이 자자했다. [2]
개요
2기통, 4기통부터 12기통까지의 여러 기통을 갖춘 왕복 내연기관을 통틀어 의미하는 단어를 다기통 엔진 또는 멀티실린더 엔진(multi-cylinder engine)이라고 한다. 다기통 엔진은 2행정 또는 4행정 기관일 수 있으며, 또 디젤 또는 불꽃 점화 방식일 수 있다. 피스톤의 움직임에 의해 동력이 발생하는 실린더와 크랭크축은 다양한 방법으로 구성할 수 있다. 다기통 엔진은 단기통 엔진에 비해 수많은 장점이 있는데, 엔진이 작동하는 중에 일치하는 메커니즘을 반대 방향으로 움직임으로써 주로 불균형 완화 기능을 갖추고 있다. 또한, 동등한 배기의 단기통 엔진보다 더 높은 분당 회전수(RPM)를 보여줄 수 있다. 우선, 피스톤의 행정(stroke)이 감소됨으로써 피스톤이 각 크랭크축의 회전마다 왕복하는 데에 필요한 거리를 감소시키므로 주어진 RPM에 대해 피스톤 속도에 제한을 둔다. 또한, 피스톤 질량이 감소한다. 이는 더 높은 RPM에서 내부 부품에 들어가는 스트레스를 줄이는 효과가 있다.[3]
V10형 엔진
V10 엔진은 실린더가 공통 크랭크 샤프트 주위에 V 구성으로 배열된 10기통 피스톤 엔진이다. V10 엔진은 V8 및 V12 엔진보다 훨씬 덜 일반적이다. 1965년부터 여러 V10 디젤 엔진이 생산되었으며, 도로 차량용 V10 가솔린 엔진은 1991년 닷지 바이퍼가 출시되면서 처음으로 생산되었다.[4] V10 엔진은 여러 고성능 모델이나 고급 차에서 볼 수 있는데 대표적으로 닷지 바이퍼와 람보르기니 우라칸과 아우디 R8이 있다. 10 구성은 완벽한 엔진 밸런스를 가지지 못하고 있다. 불균형 로킹 커플은 5기통 직렬 엔진으로 작동하는 각 실린더 뱅크에 의해 발생하기 때문이다. 그렇기 때문에 밸런스 샤프트는 때때로 V10 엔진의 진동을 줄이기 위해 사용한다, 실제로 V10 엔진이 밸런스 샤프트의 유무 여부가 엔진 진동에 있어서 극단적인 두 면모를 보인다. 밸런스 샤프트가 없을 때에는 단기통 보다도 심각한 진동의 문제가 있으나, 밸런스 샤프트가 있다면 엔진 중 가장 진동 문제가 적은 V12와 대등한 수준의 저진동을 확보할 수 있다고 한다. 밸런스 샤프트와 V10의 조합이 우수하기 때문에 0.1%의 출력이라도 더 확보하려는 레이스카에 있어서는 출력 저하는 치명적인 독이나 마찬가지임에도 불구하고, F1 레이스카에 장착되는 엔진조차도 V10 엔진들은 대부분 밸런스 샤프트가 적용되어있다. 물론 메르세데스-벤츠와 BMW, 포르쉐에서도 10기통 엔진을 만든 적이 있으며 폭스바겐 계열사도 아우디의 V10 엔진을 람보르기니도 이용하는데 일부 아시아권과 후진국을 제외한 자동차 브랜드들은 10기통 엔진 라인 기술을 보유하고 있다. 토요타도 렉서스 LFA로 V10 보유에 성공했고, 혼다도 프로토타입이었지만 NSX에 장착할 V10 엔진을 만든 바 있었다. 배기량이나 실린더가 늘어날수록 그만큼 엔진 내부부속에 의한 저항이 높아지기 때문에 마력을 올리기 위해선 투자 비용이 상당히 올라가게 되고. 그만큼 차량의 가격도 올라간다. 대한민국은 아직 10기통 엔진을 출시한 바는 없으며 다운사이징의 추세를 따라 BMW나 아우디 등지에서도 10기통 자연 흡기 엔진을 8기통 터보로 관심을 전환하는 추세이기도 하다. 디젤에도 V10 엔진이 존재하는데 VR 엔진 등 다양한 기능을 갖춘 엔진을 만들어내는 폭스바겐 투아렉에 쓰이고, 세단인 페이톤에도 탑재됐었다. 계열사인 아우디에는 V12 디젤 엔진을 얹은 Q7 V12 TDI가 존재했다. 버스나 트럭 트랙터 같은 상용차에도 V10 엔진이 적용되었으나 이제는 보기 힘들다. V8 엔진도 보기 힘들고 대부분 6기통 엔진이다. 또한, 이륜차에도 V10 엔진을 적용한 사례가 있었다. 닷지 바이퍼의 엔진을 사용한 닷지 토마호크라는 이륜차였다. 이는 이론 최속이 400 mph(약 640km/h)라고 한다.[1]
디젤 엔진
최초로 알려진 V10 엔진 중 하나는 1936년 Busch-Sulzer ICRR 9201 프로토타입 기관차에 사용되었으며, 이 중 세 가지 사례가 미국에서 생산되었다.
- 1965년~1984년 레오파드1 장갑차는 MTU MB 838 CaM 500 37.4 L (2,282 cu in) V10 디젤 엔진으로 구동되었다.
- 1983년에 출시된 타트라 815트럭은 15.8 L (964 cu in) V10 엔진과 함께 사용할 수 있었다.
- 폭스바겐 V10 TDI는 폭스바겐 페이톤 고급 세단 및 폭스바겐 투아렉 SUV에 사용하기 위해 2002년~2010년에 생산된 터보차져 V10 엔진이다.
- 다임러-벤츠는 1970년대~1980년대에 메르세데스-벤츠 NG 및 네오플란 버스 차종의 V10 디젤 엔진 모델 3종 (OM403, OM423 및 OM443)을 생산했다.
- 4개의 일본 상용차 제조업체 이스즈, 히노 자동차, 미쓰비시 후소 트럭 및 닛산 디젤은 1970년~2000년대에 대형 트럭과 코치용 V10 디젤 엔진을 생산했다.[3]
가솔린 엔진
생산형 차종
V10 엔진은 V8 엔진 및 V12 엔진보다 덜 일반적이지만 여러 고급 차종, 스포츠카 및 상용차에 사용되었다. 1987년 람보르기니 P140에는 초기 V10 가솔린 엔진이 사용되었지만 프로토타입 스포츠카는 생산에 도달하지 못하였다.[3]
- 1991년~2017년: 닷지 바이퍼 엔진
- 1994년~2003년: 크라이슬러 매그넘 V10
- 1997년~2019년: 포드 Triton 엔진
- 2003년~최근: 람보르기니 V10
- 2003년~2007년: 포르쉐 카레라 GT 엔진
- 2005년~2010년: BMW S85
- 2006년~최근: 아우디 V10 FSI
- 2008년~2010년: 아우디 V10 TFSI
- 2009년~2012년: 토요타 1LR-GUE[3]
모터 레이싱
모터 레이싱으로 설계된 최초의 알려진 V10 엔진 중 하나는 1986년 알파 로메오가 제작한 3.5 L (214 cu in) 프로토타입 포뮬러 원 엔진이었다. 가장 널리 사용되는 V10 엔진은 포뮬러 원 레이싱이었다. 1988년 이후 터보차져 엔진 사용이 금지된 이후 최초의 V10 포뮬러 원 자동차는 1989년 맥라렌 MP4/5 및 윌리엄스 FW12였다. 1996년에는 배기량이 3.5에서 3.0 L로 감소한 후 1996년 시즌까지 대부분의 팀에서 V10 엔진을 사용했다. V10은 V8의 낮은 무게와 V12의 높은 출력 사이에서 가장 좋은 절충안으로 보인다. 르노 F1은 2002년과 2003년에 더 평평한 110 ° 각도를 사용했지만, 엔진이 두 번의 레이스 주말 동안 지속되어야 한다는 규칙 변경에 따라 더 일반적인 72 °로 되돌아갔다. 규칙에 대한 추가 변경으로, V10은 2.4 리터 V8을 선호하여 2006년 포뮬러 원 시즌부터 금지되었다. 스포츠카 경주에서 최초의 V10 엔진은 1990년 포뮬러 원 시즌의 마지막 두 번의 레이스에서 푸조 905에 의해 사용되었다. 그 뒤를 이어 1991년 시즌 동안 여러 팀이 사용하는 Judd GV10 엔진과 시즌 마지막 레이스에서 데뷔한 토요타 TS010이 이어졌다. 아우디 R15 TDI는 터보차져 디젤 V10 엔진을 사용하여 2009년과 2010년 다양한 내구 레이스에 출전한 르망 프로토타입 (LMP) 레이싱카였다. 2010년 아우디 R15 TDI는 르망 24시의 현재 거리 기록을 경신하였다.[3]
F10형 엔진
중앙 크랭크축 양쪽에 실린더 5개가 위치해 있는 플랫 10기통 엔진으로, 실제 양산된 F10 엔진은 없다. 1960년대 초에 쉐보레가 쉐보레 터보 에어 6의 플랫6 엔진을 교체하기 위한 모듈 엔진 제품군의 중단 프로그램의 일환으로 여러 개의 플랫10 엔진을 개발하였다. 이 개발 프로그램은 실린더가 2개에서 12개 사이인 플랫 플레인(평판) 엔진을 조사하기 위함이었으며, F10 엔진은 P-10 또는 팬케이크 엔진으로도 알려졌다. 이 프로그램은 1964년형 쉐보레 콜베어용 엔진으로 개발하기 위한 것이었지만, F10 엔진은 실험 차량인 1962년형 임팔라에 프로토타입 격으로 장착되었다.[1]
관련 장비
자연흡기
자동차나 비행기 등에 쓰이는 내연기관의 흡기 방식 중 하나이다. N/A라고도 한다(Natural - Aspiration). 과급기의 도움 없이 공기를 있는 그대로 받아들이고 혼합기를 만들어 엔진을 작동시키는 방식이다. 출력을 올리기 어렵다는 점에서 레이싱용 엔진에서 자연흡기 방식만 인정하는 경우도 있다. 대표적인 예가 2013년까지의 포뮬러 1이다. 물론 F1 팀들은 천문학적인 비용으로 매년 출력을 향상시켜 오다가, 규정으로 엔진 출력을 V8 급으로 동결 중이었지만, 2014년부터 포뮬러 1에서 V6 급 + 터보차저가 부활했다. 보통 페라리의 자연흡기 기술력을 세계 최고로 치며 포르쉐가 그다음을 잇고 있다. 맥라렌 F1에도 탑재되었다. 물론 별 차이는 나지 않지만. 예로 라페라리/페라리 FXX-K에 장착되는 6262cc V12 자연흡기 엔진은 아무런 과급 장치 없이 860마력을 내며, 리터당 137마력이라는 우수한 성능을 보여준다. 양산형 자연흡기 엔진 세계 최고 기록은 에어리얼 아톰의 리터당 169마력이다.[5]
장점
- 구조가 간단하다: 과급에 필요한 특별한 부품이 들어가지 않는 만큼 설계나 제작이 쉬우며 정비도 쉽고 연비도 좋기 때문에 엔진 출력이 그리 강할 필요가 없는 가솔린 엔진 자동차에서는 NA 방식 엔진을 쓴다.[5]
- 반응속도가 좋다: 밟는 대로 반응이 나온다. 엔진의 회전수 변화에 따른 토크와 출력 변화가 동시에 오기 때문에 엔진의 회전수를 자주 변화 시켜 감속과 가속이 반복되는 와인딩이나 숏 코너가 반복된 코스에서 유리하다. 트랙션 컨트롤이 용이한 이 특성 때문에 바이크의 엔진은 특수한 몇 기종 외에는 모두 자연흡기 고회전 엔진이다. 바이크에서 트랙션이 상실될 경우 전도사고가 일어나기 때문이다. 또한, 반응이 좋다는 건 운전 초보자가 다루기 쉽다는 것이다.[5]
- 지구력이 좋다: 일단 공기가 압축이 되면, 공기의 온도가 올라간다. 이는 밀도의 저하를 야기하는데, 과급기가 장착된 엔진들은 이 흡입 공기의 온도를 낮추기 위해서 인터쿨러를 장착하는 경우가 대부분이다. 그러나, 이 인터쿨러가 일정 이상의 주행을 하게 되면 효율이 떨어져 버리는 문제가 발생한다. 때문에 일부 고성능 모델들은 인터쿨러 코어에 수분을 접촉시켜서 강제로 인터쿨러 온도를 낮추는 워터 스프레이를 장착하고 있으나, 일반적인 차들은 위와 같은 기능은 없는 경우가 많다. 특히 과급기 장착 차량은 여름날이나 엔진에 지속적으로 부하를 주게 되면, 컨디션이 큰 폭으로 떨어지거나, 엔진이 쉽게 지치는 현상이 생긴다. 하지만 그냥 외부의 공기를 그대로 흡입하는 N/A의 경우엔 흡입 공기의 온도 변동이 그리 크질 않음으로, 계절이나 부하에 상관없이 항시 일정한 성능을 보인다.[5]
- 내구성이 좋다: 항상 고열, 고압에 시달리는 터보 엔진에 비해 내구성이 좋다. 터보 엔진은 같은 실린더 용적 내에서 더 큰 에너지를 내므로 그만큼 충격도 많이 받는다.[5]
단점
- 엔진 다운사이징에 불리하다. 출력을 늘리고 싶다면 배기량을 키워야 한다. 즉, 엔진 사이즈가 커진다. 배기량을 키우면 연비가 떨어지고 배출가스 규제 극복이 힘들어진다.[5]
- 마력이 높게 나오게 세팅할 시 보통 저rpm 토크가 줄어든다. 즉, 스포츠 드라이빙 세팅을 하면 고회전형이 되어 실용적이지 않다.[5]
- 튜닝 시 지불해야 하는 비용이 부담된다.[5]
터보차저
과급기는 엔진의 동력을 빌려 쓴다. 이를 비효율적이라 여긴 일부 개발자들은 배기가스의 에너지를 터빈으로 회수하여 이용하는 과급기를 개발하였다. 이로 인해 터보 과급기(Turbosupercharger)를 터보차저나 터보라고 부르기도 한다. 터보는 본래 터빈을 사용하는 기관 전반을 이르는 말이다. 그러나 자동차에 터빈 기관을 사용할 일은 웬만해서는 없으므로 자동차에서 말하는 Turbo는 바로 이 터보과급기를 의미한다. 배기가스는 그 자체가 고온/고압의 가스이기 때문에 상당한 에너지를 보유하고 있다. 그래서 이 배기가스를 모아서 터빈을 돌려서 동력을 얻고, 그 힘으로 다시 과급기를 돌리는 것이 바로 터보과급기다. 일반적인 과급기와 달리 버려지는 것을 재활용하는 방식이므로 원리만 놓고 보면 분명히 효율적이지만, 시스템 자체가 크고 복잡해지며 무거워진다는 단점이 있고. 특히 고온의 배기가스 속에서 항상 고속으로 돌아야 하는 터빈은 비싼 재료와 높은 가공 정밀도를 요구해서 전체적 시스템 가격 상승의 주범이 된다. 또한 내구성도 문제가 되는 게, 아무리 비싸고 좋은 재료로 정밀도 높은 공정에서 엔진을 만들어도 자연흡기 엔진보다 내구성에서 떨어질 수밖에 없다.[6]
장점
- 터보차저가 장착된 엔진은 같은 배기량의 자연흡기방식 엔진보다 더 높은 고출력을 낼 수 있다.[7]
- 자연흡기식 방식 엔진과 슈퍼차저 엔진보다 더 높은 열효율을 가지고 있다. 터보차저 엔진은 과잉 배출되는 열과 압력을 버리지 않고 공기 압축에 이용하기 때문이다.[7]
- 터보차저는 다른 과급 시스템에 비해 더 작고 가볍기 때문에 엔진 격납실에 쉽게 장착될 수 있다.[7]
단점
- 맞지 않는 크기의 터보차저를 사용하면, 반응성이 떨어진다. 너무 큰 터보차저를 사용하면 가속 반응이 감소한다. 그러나 최대 출력은 더 높아진다.[7]
- 부스트 역치(boost threshold)가 있다. 터보차저가 부스트를 시작하려면 엔진이 어떤 엔진 회전수까지 도달해야 한다. 배출가스의 양이 충분치 않으면 정지된 터보 프로펠러를 돌리기가 어렵기 때문이다. 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는데 이를 터보 랙(turbo-lag)이라 한다. 이 현상이 발생하는 이유는 과급기에서 과급이 되는 정도까지 배기가스를 공급해 줄 때만 터보의 기능을 하기 때문이다.[7]
- 터보차저는 자연흡기방식 엔진보다 부품 비용이 더 든다.[7]
- 자동차 경주에 있어서 부스트 역치는 단점으로 작용한다. 가속이 시작되어 터보차저가 동작하기 전까지 엔진 출력의 크기를 예상할 수 없다. 이때 오버스티어 현상을 일으키기도 한다.[7]
각주
참고자료
- 〈10기통〉, 《나무위키》
- 마른모, 〈10기통 엔진의 모든 것〉, 《네이버 블로그》, 2010-03-29
- 〈다기통 엔진〉, 《위키백과》
- 〈V10 엔진〉, 《위키백과》
- 〈10기통〉, 《나무위키》
- 〈자연흡기〉, 《나무위키》
- 〈과급기〉, 《나무위키》
- 〈터보차저〉, 《위키백과》
같이 보기
