이륜차의 엔진타입은 매우 다양하며 각각의 개성을 가지고 있지만 사륜차와는 달리 그 형식, 형상, 위치 등이 운전자의 승차자세나 주행감각에 큰 영향을 미친다는 점은 간과할 수 없는 것이다.
그 각각의 타입에 대한 특징에 대해서는 실례를 들어 설명하겠지만 이륜차 엔진에도 4기통, 6기통 등이 있다는 사실이 놀라운 것은 아니다. 무엇보다 놀라운 것은 이러한 이륜차의 엔진출력이 승용차 엔진과는 비교할 수 없을 정도의 고출력과 가속성능을 가진 메카니즘이란 것이다.
예를 들어보면 현재 국내 승용차 1500cc DOHC 엔진의 경우 104PS/5,000rpm인데 비해 일본 혼다의 HORNET(호네트) 250cc DOHC 엔진은 40ps/13,000rpm이다. 이것을 이해하기 쉽게 동일배기량으로 환산하여 보면 이륜차는 1000cc당 160마력의 힘을 내는 반면, 승용차는 69마력에 불과한 것을 알 수 있다. 이러한 이륜차 엔진에 대해서 알면 알수록 신기하게 메카니즘의 세계로 빠져들게 된다. 2싸이클 엔진은 이륜차에만 사용되는 메카니즘!이륜차용 엔진에는 현재 가솔린기관만이 사용되고 있는데 4싸이클(4stroke라고도 함)과 2싸이클(2stroke) 엔진으로 나뉜다. 2싸이클 엔진은 이륜차만의 세계로 자동차에는 현재 채용하고 있지 않은 특수한(?) 분야이다. 그러나 최근 해외 유명 자동차 메이커에서는 간단한 구조 및 고출력 발생의 장점을 살린 2싸이클 엔진을 자동차에 새롭게 채용하려는 움직임이 일고 있다. 2싸이클이 이륜차의 세계에서 끝까지 살아남을 수 있었던 것은 말할것도 없이 경량, 컴팩트, 고토르크, 간단한 구조, 싸이렌 소리 같은 배기음 등으로 누가 뭐래도 경량 Class의 스포츠 바이크에는 없어서는 안될 엔진이기 때문이다. 그러나 이륜차 엔진에는 트럭이나 버스 등에 많이 채용되고 있는 디젤엔진은 전혀 찾아볼 수 없다. 그럼, 왜 이륜차에는 디젤엔진이 좋지 않는가? 초정밀의 분사기술을 필요로 하는 디젤엔진은 엔진자체가 매우 무겁고 커지게 마련인데 이는 보다 좋은 연비를 얻고자 하는 이륜차에는 불필요한 메카니즘이기 때문이다.
이륜차 엔진형식에는 어떠한 것이 있는가?
엔진형식에는 크게 병렬, 직렬, V형, 수평대향형 등으로 나눌 수 있는데 직렬형은 실린더가 차체와 나란하게 위치하는 것으로 직립 4기통, 즉 스퀘어(square) 엔진밖에 없다. 2기통의 경우 실린더가 차체와 나란하게 배치되어 직렬이라고도 할 수 있지만 배치형태가 V자형을 이루고 있어 V형이라 부른다. 그리고 직립엔진이란 말을 사용하기도 하는데 이것은 실린더가 수직으로 서 있다는 뜻으로 병렬 및 직렬형이 여기에 속한다. 이와 대칭되는 것이 수평형엔진이다.
4싸이클 직립단기통 엔진
이륜차 엔진중에서 가장 기본적이고 실용적인 엔진으로 국내 일부기종을 제외한 대부분의 기종에 채용되어 있는 타입이다. 동타입에서 세계적인 베스트셀러 모델로 가장 많은 소비자들로부터 사랑을 받는 기종은 혼다의 「Super Cub」(슈퍼커브)를 들 수 있는데 이는 대림자동차의 CT100과 같은 모델로 50~100cc의 소배기량 엔진으로 연비가 특히 좋아 경제성과 실용성이 뛰어난 제품이다. 그러나 드물게 「빅싱글(Big Single)」 이라고 불리는 고배기량 엔진도 있는데 이것은 「탓! 탓! 탓!」 하는 고배기량 단기통 특유의 중후한 음과 진동, 토르크 등의 독특한 맛이 있어 일부 라이더들로부터 사랑을 받고 있다.
메카니즘적인 특징은 SOHC 2밸브가 일반적이나 최근에는 국내에서도 4밸브가 많이 채용되고 있다. 냉각방식은 자연공냉 및 강제공냉이 주류를 이루고 있으며, 높은 연비로 경제적이기 때문에 최근 대부분 이륜차가 스포츠 지향적으로 바뀌고 있는데도 불구하고 아직까지 건재한 타입이다
2싸이클 직립단기통 엔진
소배기량 이륜차의 기본 타입의 하나로서 125cc 이하에는 압도적으로 많다. 2싸이클 엔진은 4륜차에는 거의 사용되지 않기 때문에 이륜차의 세계에서만 전성시대를 누린다.
중후하고 차분한 맛이 있는 4싸이클과는 달리 경량으로 부드러운 2싸이클은 여성적이라고 할 수 있을지도 모르겠다. 저회전시에는 푸득푸득하는 불안정한 기미도 있지만 회전이 상승하면 날카로운 싸이렌 소리같은 히스테릭한 고음을 낸다. 이것은 이 나름대로의 해방감을 주는 배기음이라 할 수 있다. 이것은 4싸이클에 비해 같은 회전수에서 폭발회수가 2배이기 때문이지만 그 덕분에 작지만 회전의 상승(급가속)도 빠르며, 강력한 토르크를 발생한다. 따라서 비포장도로를 질주하는 경쾌한 스포츠바이크에는 차체를 가볍게 다룰 수 있는 것도 즐거움으로 안성마춤의 엔진이다.
결함으로서는 4싸이클에 비해 연비가 좋지않다든가 차체와 엔진의 조합에 따라 미세한 진동이 발생하는 것을 들 수 있다. 냉각방식은 공냉이 주류이지만 수냉이나 강제공냉도 있다. 또 4싸이클과 같은 Big Single 등은 없는데 이는 2싸이클 독특한 소리방식에 의한 가스교환 방식에는 기능적으로 무리이기 때문에 소배기량을 중심으로 많이 이용되고 있다.
병렬 4기통 or 6 기통
4개의 실린더를 횡축으로 늘어놓아 당당함이 돋보여 보기만해도 믿음직한 엔진이다. 400~750cc클래스 이륜차에 주로 사용되는데 그 이상의 1000cc클래스가 되면 4기통이라 하더라도 수평대향 또는 스퀘어 타입이 사용된다. 실린더를 종축으로 놓지않는 이유는 공냉의 경우 냉각 곤란이라든가 엔진 공간배치에 무리가 있기 때문이다. 병렬 6기통은 정숙하고 매끈한 엔진으로는 더할 나위없지만, 이륜차의 폭이 매우 넓어진다. 특히, 공냉방식의 엔진은 실린더 헤드부분에 운전자의 무릎부분이 닿기 때문에 엔진 전체를 전방으로 많이 기울어지게 설계해야 된다.
그러나 수평엔진의 경우 각 실린더의 간격을 크게 좁힐 수 있으므로 폭도 그만큼 좁아져 엔진전체를 직립으로 세워 차체에 채용할 수 있다.
V형 트윈엔진
V4엔진의 높은 출력을 얻기 위해서는 다기통으로 해야 하지만 엔진의 용적을 컴팩트하게 줄일 필요가 있을때는 V형식을 택하기도 한다. 더구나, OHC와 같이 머리가 유난히 큰 4사이클 엔진이라면 엔진 자체의 높이도 낮출 필요가 있다. 이때에는 V형 엔진이 매우 유용하다. 특히, 캬브레타, 에어크리너 등을 V형 사이의 공간에 배치할 수 있어 공간활용이 매우 효과적이다.
보다 좋은점은 V의 각도를 90도(소위 90도 V라 부름)로 설계하면 피스톤의 상하 왕복에 의한 1차진동을 서로의 기통이 흡수하기 때문에 1만 RPM이상에 이르는 고회전 엔진에 아주 적합한 타입이다. 그러나 냉각에 있어서 공랭의 경우에는 뒤쪽에 있는 실린더의 냉각효율이 떨어지기 때문에 수냉으로 하는 것이 유리하다. 또한 수냉으로 하면 차체의 크기도 슬림화 할 수 있는 장점이 있으나 중량이 무거워지는 단점이 있다.
수평대향 2기통
독일의 세계적인 명차 BMW가 채용하고 있는 방식이 「수평대향 2기통」. 피스톤과 샤프트에 걸리는 관성이 반대편 기통에서 상쇄되기 때문에 무엇보다 발란스(균형)를 잡기 좋은 형식의 하나이다.결점은 OHV방식이기 때문에 고 회전형 엔진이 불가능하다는 것과(OHC도 가능하기는 하지만 체인이 좌우로 필요하여 비효율적임) 회전시 뱅크각을 크게할 경우 실린더 헤드가 지면에 닿을 수 있는 위험이 있는 것이다.
또한 수평대향 방식은 앞이나 옆에서 보면 잘 알 수 없으나 위에서 보면 좌우의 기통이 앞뒤로 어긋나 있기 때문에 언뜻 보면 기이하게 느껴지며 실린더 아래에 있는 스텝바(STEP BAR)도 전후로 어긋나 있어 불편할 수 가 있다.
V형 3기통 엔진
앞에 2기통 뒤에 1기통의 진기한 실린더 배치로 「V3」 라고 부르기도 하며 2싸이클 기관이다.
앞의 2기통이 수평이며 뒤의 1기통이 직립으로 차체에 장착되기 때문에 보기에는 L형이지만 90도 V형이라 부른다(L형은 Italia의 명차 Ducati에서 지칭하는 말). 이 엔진은 혼다의 독자적인 아이디어 제품으로 이러한 실린더 레이아웃 (Layout)을 가능하게 한 것은 앞의 2기통과 뒤의 1기통의 관성중량을 콘로드(Con-Rod)의 특별한 형상으로 발란스를 잡음으로써 가능하다고 한다.
즉, 콘로드 상단에 피스톤이 조립되는 부분을 소단부 또는 스몰엔드(Small End)라고 부르는데 뒷 실린더의 소단부를 대단부(크랭크 샤프트가 조립되는 부분, Big End)와 같은 크기로 설계하여 중량을 확보함으로써 균형을 잡는 것이다. 그렇기 때문에 V4와 같이 이론상의 1차 진동이 제로가 되어 2 싸이클의 특유의 진동을 해소하며 「V3」라는 특이한 레이아웃이 가능하게 된 것이다.
직립 4기통 엔진(스퀘어4)
4기통을 직렬도 아니고 병렬도 아닌 정방형으로 배치한 형식으로 V4보다도 기통의 배치가 어긋남이 없는만큼 슬림화가 가능하다. 이 직립 4기통 엔진은 앞뒤에 병렬 2기통 엔진 2개가 서로 붙어 있다고 생각하면 이해하기 쉽다. 엔진의 작동은 대각선상에 있는 각 기통이 동시 폭발함으로써 2개의 크랭크 샤프트를 같은 방향으로 회전시켜 그 사이에 있는 1개의 파이롯트 샤프트(Pilot Shaft)의 드리븐 기어를 구동시킨다. 그렇기 때문에 1차 진동이 거의 발생하지 않기 때문에 별도의 발란스(Balance)를 잡기 위한 장치가 필요없다.
●V TWIN(트윈)의 매력
V TWIN 즉, V형 2기통의 V각도를 90도보다 작은 45~75도로 하면 어떠한 효과가 있을까? 이륜차는 단지 달리는 기계와는 다른 또다른 맛을 가지고 있기 때문에 운전자 중에는 열광적인 V 트윈 매니아가 생겨나고 있다. V각도를 70~75도로 하게 되면 90도로 할 경우와는 달리 폭발에 의한 진동을 느낄 수 있는데 엔진의 폭발음도 등간격이 아닌 불규칙한 음을 내게 된다. 즉 탓, 탓, 탓 하는 규칙적인 음이 아니라 탓, 탓-, 탓, 탓, 탓-, 탓과 같이 일종의 음악적인 진동으로 운전자의 신체에 전해지게 된다. 아메리칸 스타일의 대표적인 메이커인 하레이 데이비슨의 V 트윈은 42도로 특유한 배기 사운드를 연출하고 있다. 이 하레이데이비슨의 독특한 배기음이 특허로 등록되었다고 해서 세간의 화제가 된적이 있었다.
통상 이륜차 엔진은 가솔린을 연료로 하는 내연기관으로서 간단하게 작동 원리를 설명하면 폭발시 피스톤이 연소압을 받아 눌려지는 힘이 콘로드를 통해 크랭크샤프트를 회전운동 시키게 된다. 그리고 크랭크샤프톤의 회전을 클러치에 전달하여 밋션에서 변속이 이루어져 드라이브 스프라켓으로 전달된다(이것을 1차 감속, 또는 전달이라고 한다). 이것을 다시 체인으로 뒷바퀴의 드리븐 스프라켓으로 전달(이것을 2차 감속)하여 뒷바퀴를 회전시킴으로서 이륜차가 앞으로 나아가게 된다.
이때 악셀그립을 당겨 스로틀밸브를 많이 열어 혼합기(가솔린+공기)를 많이 흡입하면 폭발이 왕성하여 피스톤을 누르는 힘이 커지게 되며 따라서 이륜차의 속도도 빨라지게된다. 또 엔진의 배기량을 크게 하면 주행성능이 좋아지며 가속도 빨라지고 최고속도도 더 나오게 된다. 배기량이 같은엔진이라도 엔진의 특성에 따라 엔진의 회전수가 낮은 영역에서 큰힘이 나오는 것과 반대로 높은 회전영역에서 큰 힘을 내는 것이 있다.
이러한 엔진 힘의 크기(엔진성능)가 이륜차를 앞으로 나아가게 하는 성능(주행성능)을 결정하는데 이 「엔진의 힘」의 크기를 나타내는 것이 「토르크」와 「출력」이라 한다. 그러나 같은 힘의 크기를 나타내는 「토르크」와 「출력」이지만 각각의 최고치를 발휘하는 회전수는 일치하지 않는다. 지금부터 엔진의 성능을 분석한다.
토르크(Torque) : 축을 회전 시키는 능력을 표시한다.
토르크는 물체를 회전시키는 능력의 크기를 나타낸다. 쉬운 예를 들어보면 두 사람이 야구배트의 끝을 서로 잡고 돌린다고 가정하면 같은 힘을 가하더라도 배트의 굵은쪽을 잡고 있는 사람이 쉽게 이길 수 있다. 이것은 굵은 쪽이 토르크가 크기 때문이다.
토르크는 회전체에 가해지는 힘과 회전체의 중심에서 힘이 가해지는 곳까지의 거리를 곱한 것으로 단위는 kg·m가 된다. 길이 1m의 막대 끝에 1kg의 힘으로 회전시킨다면 토르크는 1kg×1m=1kg·m로 표시할 수 있다. 카다로그 등에서 최대토르크를 2kg·m/7,500rpm이라고 표기한 것을 볼 수 있는데 이는 그 이륜차엔진의 회전수가 7,500 rpm (revolution per minutes 분당 회전수)일때 2kg·m라는 최대 토르크가 발생한다는 것을 의미한다. 2kg·m의 최대토르크라는 것은 엔진의 회전중심 즉, 크랭크샤프트의 중심에서 1m떨어진 거리에 2kg의 힘이 걸린다는 것으로 실제 1m보다 휠씬 작은 이륜차엔진에서는 그보다 몇십배의 힘이 걸린다.
출력 (出力) : 시간당 일의 양(量)을 나타낸다.
토르크는 단지 힘의 크기만을 나타내는 것으로 시간과는 관계가 없다. 그리고 주어진 힘과 그에 의해 움직인 거리를 곱한 것을 일의 양이라고 하는데 이것 역시 시간과는 무관하다. 그러나 일의 양을 걸린 시간으로 나눈 것을 일의 능률이라고 하는데, 그것을 마력으로 표시한것이 출력(power)이다. 만약 75kg되는 역기를 1m 들어 올렸다면 일량은 75km×1m=75kg·m이다. 그것을 1초 동안에 했다면 일의 능률을 75kg·m / sec가 된다. 즉, 이것을 1마력이라고 하고 1ps(또는 1HP)라고 쓴다. 만약, 이 일을 2초에 걸려 했다면 출력은 0.5ps가 되는 것이다. * 주의 출력은 최고출력, 토르크는 최대토르크라고 부르는 것에 유의.
출력과 토르크의 관계
■스트로크에 따라 토르크는 달라지나?
토르크를 크게 하기 위해서는 단순히 폭발압력을 높이든가 크랭크샤프트의 회전반경을 크게하면 된다. 회전반경을 크게하면 필연적으로 피스톤의 스트로크는 길어지기 때문에 그만큼 저회전엔진이 되며 저회전영역에서 최대토르크가 발생하기 때문에 끈기있는 엔진이 된다. 한편 짧은 스트로크로 고회전하는 엔진에서도 연소실 형상 그 밖의 성능을 개선하여 폭발압력을 높이면 토르크는 커지게 된다. 고회전 엔진은 또한 고속 주행이 유리하기 때문에 이륜차엔진에는 역시 짧은 스트로크로 고회전하는 엔진이 주류를 이루고 있다. 연소압력이 같더라도 피스톤의 면적이 2배가 되면 회전력도 2배가 된다. 그러나 배기량을 같게 하려면 피스톤면적이 적은 쪽은 스트로크를 길게 해야 하기때문에 토르크는 같다. (토르크 = 회전력 × 크랭크샤프트의 반경) 즉, 같은 배기량이라면 숏스트로크엔진이든 롱스트로크엔진이든 최대 토르크는 거의 차이가 없다.
■압축비가 높으면 높을수록... 고출력? 가솔린 엔진은 압축비가 높으면 높을수록 출력이 높게 나오는 특성이 있다. 그렇기때문에 혼합기를 될 수 있으면 고압축하기 위해 엔진설계를 하지만 크기에는 어디까지나 한계가 있는데 그것의 적정한 비율을 압축비라고 부른다. 압축비를 위의 그림을 보면서 설명하면 실린더의 용적V1 과 연소실의 용적V2의 비율을 말한다. 즉 (V1+V2)/V2 로 나타낼 수 있다. 카다로그 등에는 단지 10 또는 10:1 등과 같이 적혀 있는데 이것은 흡입된 혼합기의 체적을 1/10 로 압축하는 것을 말한다. 현재 일반적인 압축비는 6.0~10.0정도이다.
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