1. 반켈 엔진
독일의 기술자 펠릭스 반켈이 고안한 내연기관.2. LiquidPiston 엔진
미국의 LiquidPiston 사가 만든 로터리 엔진. 2020년 미군과의 보조전원 개발, 그리고 차세대 드론 엔진 계약을 따냈다. 아무 연료, 예를 들어서 Jet-A을 집어넣든, JP8을 집어넣어도 구동되며, 로터리 엔진의 특성과 더불어 크기도 작다는 게 장점이다.[1] 물론 압축비도 남다른데, 디젤 사이클이 최대 24:1의 비율로 압축된다면, 이건 26:1로 압축된다.
최고로 작게 만든, 그리고 상용화 된 LiquidPiston X-Engine Mini가 이 정도 크기다.[2] 그래서 M777 155mm 곡사포에 붙인 보조 전원의 크기가 사람이 들고 다닐 만큼 작다. 그래서 기존 트레일러에 싣고 다녀야 하는 보조 전원이 아닌 달랑 2명이서 보조 전원을 들고 다닐 수 있게 됐다.
3. 성형엔진[A]
Radial engine.
실린더가 크랭크축을 중심으로 원형으로 배치되어 마치 별같이 보이는 왕복엔진. 발명자는 조지 웨스팅하우스. 이러한 형식의 내연기관을 로터리 엔진이라고 부르기도 하지만 지금은 성형엔진[A]이나 레디얼 엔진이라고 부르는 경우가 더 많다. 현대에는 로터리 엔진이라고 하면 주로 1번 항목을 지칭하기 때문이다.
로터리 엔진이라고 부른 이유는 간단한데 제1차 세계 대전 중기까지 사용된 이러한 엔진은 엔진 자체가 회전하면서 동력을 발생시키는 경우가 많았기 때문이다. 실린더가 직접 회전하기 때문에 냉각효율도 높고 무거운 플라이휠이 없어도 별모양으로 늘어선 실린더의 무게가 RPM을 일정하게 유지해주는 기능도 했다. 다만 실린더의 밸브를 열어 연소가스를 곧장 대기중에 방출하는 구조 때문에 윤활유 소모가 어마어마했고 열효율도 나빴으며, 결정적으로 엔진자체가 회전하는 구조상 엔진의 회전질량이 크기 때문에 생기는 토크와 자이로 효과 때문에 항공기 조종이 매우 어려워진다는 크나큰 단점이 있어 전쟁 이후에는 엔진을 고정시키고 축만 회전시키는 방식으로 개선되었다. 따라서 이 시기 이후로는 '로터리 엔진' 대신 '래디얼[5] 엔진'이라고 부른다.
이 래디얼 엔진의 가장 큰 장점은 별도의 복잡한 냉각장치가 필요 없다는 점이다.[6] 직렬 엔진이나 V형 엔진은 실런더가 배열된 방향 문제로 프로펠러의 후류를 이용한 냉각 효율이 크게 떨어지지만[7] 이러한 형태의 엔진은 프로펠러의 바로 뒤에 모든 실린더가 원형으로 배치되어 프로펠러의 후류를 이용한 냉각 효율이 대단히 높다. 덕분에 냉각 계통이 손상되면 엔진의 성능이 크게 떨어지거나 아예 정지하는 수랭식보다 내구성이 뛰어나고, 별도의 냉각 계통을 설치할 필요가 없고 크랭크축의 길이도 짧아져 저출력 소형 엔진일 때 특히 가벼워진다는 장점이 있다.
물론 단점도 존재한다. 가장 대표적인 것은 엔진의 면적. 실린더가 방사형으로 배열되므로 정면 단면적이 넓어지게 되고, 때문에 차량이나 항공기에 장착할 때 엔진의 폭과 높이를 고려해야 하는 등[8] 설계하기 까다로운 부분이 생기게 된다. 항공기의 경우 기수의 스피너와 카울링 형상을 날카롭게 다듬을 수 있는 직렬/V형 등 수랭식 대비 공기 저항이 증가한다는 단점과 군용일 경우 피탄 면적이 넓어진다는 단점도 존재한다. 이 정면 면적을 무작정 늘릴 수 없으므로 9기통을 넘어가는 대형 성형 엔진은 무조건 N열로 만들 수밖에 없는데[9], 이러다 보면 기껏 줄인 크랭크축 길이가 도로 늘어나고 수랭식 대비 뒤떨어진 냉각 효율 문제[10]로 엔진 동력을 소모하는 별도의 냉각팬(Cooling fan)을 달거나 엔진의 중량이 도로 늘어나게 된다.[11][12]
제2차 세계 대전까지만 해도 높은 내구도와 고출력 엔진을 공랭으로 만들 수 있어 맷집 덕분에 아예 헤드온시 파일럿을 가리는 장갑 역할도 하며 현역으로 쓰였다.[13] 실제로 래디얼 엔진을 장착한 비행기는 공격을 받고 실린더 몇 개가 망가진 상황에서도 털털거리면서 많이들 무사히 착륙했다. 물론 가스터빈 엔진이 나오고 난 이후로는 군용이나 상업용으로는 사실상 전멸했고, 가볍고 간단하다는 구조 덕에 민간용 경비행기 정도에 쓰이며 명맥이 이어지고 있다.
미국에서는 항공기 외에도 전차용 엔진을 따로 개발할 시간이 부족해 항공기 분야에서 검증된 이런 성형엔진을 전차에 탑재했다.[14]
소련에서는 성형 디젤 엔진 여러개를 직렬로 주욱 이은(...) 42기통 직렬성형디젤 야코블레프 M-501, 즈베즈다 M-503/504를 생산한 바 있다.[15]
3.1. 성형엔진 목록
| 국가 | 제조사 | 모델명 | 기통수 | 비고 |
| 미국 | 콘티넨탈 | R-670 | 7기통 | |
| 라이트 | R-1300 사이클론 | 7기통 | ||
| 라이트 | R-975 훨윈드 | 9기통 | ||
| P&W | R-1340 와스프 | 9기통 | ||
| P&W | R-985 와스프 주니어 | 9기통 | ||
| P&W | R-1535 트윈 와스프 주니어 | 14기통 | ||
| P&W | R-1690 호넷 | 9기통 | ||
| 라이트 | R-1820 사이클론 | 9기통 | ||
| P&W | R-1830 트윈 와스프 | 14기통 | ||
| 라이트 | R-2160 토네이도 | 42기통 | ||
| P&W | R-2180 트윈 호넷 | 14기통 | ||
| 라이트 | R-2600 트윈 사이클론 | 14기통 | ||
| P&W | R-2800 더블 와스프 | 18기통 | ||
| 라이트 | R-3350 듀플렉스 사이클론 | 18기통 | ||
| P&W | R-4360 와스프 메이저 | 28기통 | ||
| 소련/러시아 | 쉬베초프 | ASh-62 | 9기통 | |
| 쉬베초프 | ASh-73 | 18기통 | ||
| 쉬베초프 | ASh-82 | 14기통 | ||
| 쉬베초프 | M-22 | 9기통 | ||
| 쉬베초프 | M-25 | 9기통 | R-1820의 라이센스 생산 버전 | |
| 쉬베초프 | M-62 | 9기통 | ||
| 쉬베초프 | M-63 | 9기통 | ||
| 투만스키 | M-85/86/87/88 | 14기통 | 미스트할 메져의 라이센스 생산 버전 | |
| 야코블레프 | M-501 | 42기통 | ||
| 즈베즈다 | M-502/503 | 42기통 | ||
| 일본 | 미쓰비시 | 즈이세이 | 14기통 | |
| 미쓰비시 | 킨세이 | 14기통 | ||
| 미쓰비시 | 카세이 | 14기통 | ||
| 미쓰비시 | Ha-43 | 18기통 | ||
| 미쓰비시 | Ha-211 | 18기통 | ||
| 나카지마 | 코토부키 | 9기통 | 브리스톨 주피터의 라이센스 생산 버전 | |
| 나카지마 | 사카에 | 14기통 | ||
| 나카지마 | 호마레 | 18기통 | ||
| 나카지마 | Ha-50 | 22기통 | ||
| 나카지마 | Ha-54 | 36기통 | 완성되지 않음 | |
| 이탈리아 | 알파 로메오 | 125/126 | 9기통 | |
| 알파 로메오 | 128 | 14기통 | ||
| 피아트 | A.74 | 14기통 | ||
| 피아지오 | P.X | 9기통 | ||
| 피아지오 | P.XI | 14기통 | ||
| 피아지오 | P.XII | 18기통 | ||
| 피아지오 | P.XV | 18기통 | ||
| 기타 국가 | 브리스톨 | 주피터 | 9기통 | 영국 |
| 브리스톨 | 센타우르스 | 18기통 | ||
| 그노메혼 | 미스트할 메져 | 14기통 | 프랑스 | |
| BMW | 801 | 14기통 | 독일 |
[1]
다만, 단점도 공유한다. 반켈보다는 공기순환이 빨리 되기는 하지만 열기 배출이 쉽지 않고, 일반 엔진보다 마찰면적이 넓어 역시 수명이 짧다. 자세한 건
반켈 엔진의 단점을 살펴보자.
[2]
비교 대상이 된 스마트폰은
iPhone 6.
[A]
표기법은
星
形으로, "별모양 엔진"이라는 의미이다.
성형수술의 성형이 아니다. 일본 명칭인 호시가타 엔진의 직번역이다. 엔진 관련으로 주물성형 같은 용어가 있기 때문에 직관적으로 저 한자를 떠올리기 어렵다.
[A]
[5]
radial. 한자로는 방사형(放射形)이라고 한다. 원 또는 구의 중심에서 원호 또는 구면에 수직한 방향으로 뻗어나가는 형태를 발한다. 즉 한 점에서 밖으로 뻗어나가는 형태. 방사형 또는 방사상(放射狀)이라고도 한다.
방사능(放射形)의 방사와 한자가 같다.
[6]
물론 방열대책이 아예 필요하지 않은 것은 아니다. 특성상 반드시 바람이 있어야 엔진 냉각이 가능한데, 실린더 자체의 단면적은 그리 크지 않으므로 실린더에 방열핀(Cooling fin)을 달아 단면적을 늘리는 방식을 적용한다. CPU나 그래픽카드에 사용되는 공랭 쿨러와 같은 원리로 보면 된다.
[7]
실린더가 일렬로 배열되므로 뒤로 갈수록 공기가 전달되지 않아 열배출이 힘들기 때문이다.
[8]
M4 셔먼은 성형엔진으로 인해 전고가 아주 높은 것이 특징이다.
[9]
성형 엔진의 1열은 보통 7기통 or 9기통이다. 이를 n열 배치하게 되면 총 기통 수는 7이나 9의 n배수가 된다. 2차 대전기에는 n=2인 경우가 보편적이었으니 복열 성형 엔진은 14기통이나 18기통이 되는 것이다. 드물게 고출력 성형 엔진에선 5기통으로 1열을 구성하고 3열 이상 배열하여 15기통이나 20기통을 만드는 경우도 있는데, 이는 앞에서 봤을 때 뒷열 실린더와 앞열 실린더가 겹쳐지면 뒷열 실린더에 공기가 닿지 않아 냉각이 안 되기 때문이다. 열 수를 3개 이상 늘리려면 한 열의 실린더 수는 적어 실린더 사이 공간이 넓은 쪽이 유리하다.
[10]
공기의 열전도도와 밀도는 물에 비해 매우 낮다. 열전도도도 낮은 유체가 밀도까지 낮으니 질량 유량은 부피 유량 대비 적고, 고열원인 엔진의 연소 온도는 순간적으로 섭씨 1000도도 넘는 것을 생각하면 상공의 차가운 공기라 한들 고열원과의 온도차가 엔진 블록 안 냉각수 대비 엄청 큰 것도 아니다. 결국 엔진에서 냉각 유체로의 열전달량은 적을 수밖에 없다.
[11]
냉각 효율 문제 때문에 과급압을 높이거나 회전 수를 늘리는 등 배기량 대비 출력을 올리는 조치를 취하기 어렵다. 배기량 대비 출력이 증가하면 배기량 대비 발열량도 증가한다는 소리라 냉각이 발목을 잡기 때문. 출력을 올리기 위해 배기량을 깡으로 올리는 것만으로도 엔진 중량 관리 측면에선 불리해진다. 헌데 배기량 늘린다고 기통수 늘리면서 n렬 배치를 하다 보면 단열일 때에 비해 냉각 문제가 더 까다로워진다. 이쯤 되면 냉각핀 도배는 기본이고, 엔진의 열피로 저항성과 열용량도 늘릴 겸 엔진 무게를 깡으로 늘리게 되니 엔진 중량은 또 늘어난다. 2차 대전 중 50HP/1000cc 이상의 배기량 대비 출력과 2000HP 이상의 고출력을 동시에 안정적으로 찍은 엔진은 네이피어 세이버 등 영국의 수랭식 엔진이었다.
[12]
P-47처럼 고공 작전 능력을 위해 터보-슈퍼 과급기를 달고 과급압을 끌어 올린 사례도 있으나, 터보 과급기 자체도 아직 크고 무겁던 시대에 크고 복잡한 공랭식 인터쿨러 및 덕트까지 필요했고 이는 P-47이 어지간한 쌍발기 이상으로 덩치 큰 단발 전투기가 된 주 원인이다. P-38도 터보 슈퍼차저를 달았으나 이 쪽은 수랭식 쌍발이었고, 엔진 나셀에 터보 과급기가 들어갈 공간 배치를 위해 특유의 쌍동체 설계가 나오긴 했으나 전체적인 중량과 크기는 동급 쌍발기와 엇비슷하거나 오히려 다소 가볍고 경쾌한 수준이다.
[13]
극강의 내구력으로 유명했었던 미육군 항공대 소속 전투기인
P-47 썬더볼트,
함재기인
F6F 헬캣 등이 예시로 유명하다. 수랭식 엔진은 냉각계통이 손상될 경우 엔진 과열로 성능이 크게 떨어지거나 아예 정지할 위험이 대단히 크다.
[14]
엔진 때문에 전차의 높이가 높아졌다고 알려져 있으나 이는 복합적인 요인이 겹친 결과물이다. 자세한 부분은
셔먼 전차의 높이 부분 참고.
[15]
엔진의 자중만 5.4톤이다. 28기통인 프랫 & 휘트니 R-4360 와스프 메이저 엔진의 자중이 1.6톤인걸 감안하면 엄청난 무게이다.