항공기 엔진(aircraft engine) 2

흡입계통(induction system)

 

흡입계통은 연료와 공기의 혼합가스를 실린더 내로 공급시키는 장치로서 크게 기화기(carburetor system)방식과 직접분사(fuel injection) 방식으로 나눌 수 있다.

 

기화기 시스템(carburetor system)

기화기는 플로트식 기화기와 압력식 기화기로 구분한다. 플로트식 기화기는 구조가 간단하여 주로 소형항공기에 이용되지만 항공기 자세변화에 따라 플로트실의 연료의 면이 변화하므로 분사노즐에서 분사되는 연료의 양이 불규칙하고 압력이 작아 불완전하게 분사되는 단점이 있다.

또한, 분사노즐은 연료와 혼합되기 위한 공기가 벤투리를 통과하면서 속도가 빨라져 압력이 작아지는 지점에 있으므로 저압으로 인한 저온 효과와, 연료의 기화로 발생되는 온도 강하로 인하여 착빙(icing)이 발생하는 큰 단점이 있다.

이러한 단점을 보완한 것이 압력식 기화기와 직접 분사식이다. 압력식 기화기는 연료펌프를 이용하여 연료의 흐름 압력을 증가키셔 연료를 기화기의 스로틀 밸브 뒷부분 또는 과급기의 입구에서 분사노즐로 분사시키는 장치이다.

 

플로트식 기화기

플로트 실의 구조는 연료량에 따라 위아래로 움직이는 플로트와 여기에 연결된 니들밸드로 구성되어 있다. 연료가 소모되어 플로트가 내려가면 니들밸브가 열려 연료탱크로부터 연료가 들어오고 연료가 차서 다시 플로트가 올라가면 니들밸브가 닫혀 연료가 들어오는 입구를 막게 되므로, 항상 플로트실의 연료량을 일정하게 유지시킨다. 플로트 실에 있는 연료는 벤투리관 쪽으로 이동하는데 벤투리관 쪽으로 이동되기 전에 연료는 공기흐름관을 통해 들어오는 공기와 먼저 섞이게 된다. 연료 속에 공기방울들을 미리 섞여 있게 만들면 연료의 무게가 가벼워지므로 분사노즐에서 더 작은 방울들로 분무되어 효율적으로 혼합가스가 만들어진다.

플로트 실에서 이송된 연료는 엔진의 전면에 있는 공기 주입구에서 들어오는 외부공기가 벤투리를 지나면서 섞이게 된다. 벤투리는 폭이 좁기 때문에 벤투리를 흐르는 공기의 속도는 빠르게 되어 압력이 낮아지게 된다. 그럼으로써 상대적으로 압력이 높은 플로트실의 연료는 분사노즐을 통해 자연스럽게 밖으로 분사된다.

벤투리를 통과하면서 공기와 혼합된 연료, 즉 혼합가스는 스로틀밸브를 통해 실린더 내로 들어가게 되는데 스로틀밸브를 많이 개방할수록 혼합가스가 많이 주입되므로 출력이 증가한다. 스로틀밸브는 조종석에 있는 스로틀 레버로 조절한다.

 

기화기 착빙(carburetor icing)

카뷰레터(carburetor) 기화기의 가장 큰 단점은 기화기 착빙이다. 면적이 좁은 벤투리를 통과하는 공기흐름은 베르누이 정리에 따라 속도가 빨라지고 그에 따라 압력이 작아지는데 압력이 작아짐으로 인하여 발생하는 저온효과와 연료의 기화로 발생하는 온도강하로 인하여 착빙이 발생한다. 기화기 착빙은 기화기로 들어오는 공기의 온도가 21도 이하이고 상대습도가 80% 이상일 때 잘 발생한다.

 

착빙은 벤투리를 지나 스로틀밸브 쪽에 얼음이 형성되므로 실린더 내로 들어가는 혼합가스의 양이 줄어들게 되어 그 결과 엔진의 출력이 줄어들게 되며 증상이 심하면 엔진이 정지하게 된다.

고정피치프로펠러 항공기의 경우 기화기 착빙이 생기면 엔진 RPM이 감소하며, 증상이 악화되면 엔진에 진동이 일어나기도 하여 쉽게 인지할 수 있다. 정속프로펠러 항공기는 착빙이 발생해도 엔진RPM이 줄어들지 않아 착빙 발생을 쉽게 인지할 수 없으므로 착빙이 일어난 상태에서 엔진의 출력을 줄이면 위험한 상황을 초래할 수 있다.

 

카뷰레터 착빙이 의심되면 카뷰레터 열 장치(carburetor heat)를 작동시켜 카뷰레터로 들어가는 차가운 외부 공기 대신 엔진배기가스를 이용하여 덥혀진 공기를 카뷰레터에 공급하여 얼음을 녹이거나 착빙을 예방하여야 한다. 특히 착빙이 예상되는 지역에서 강하하는 경우 카뷰레터 열 장치가 장착되어 있으면 이를 우선 작동시킨 다음에 엔진의 출력을 줄여야 한다.

 

카뷰레터 열 장치를 작동시킬 경우 연료와 혼합되는 공기는 덥혀져 밀도가 감소하게 되므로 혼합비조절장치(mixture)를 이용하여 혼합비를 줄여야 한다. 카뷰레터 열장치를 작동시키면 엔진 출력은 저하되며 경우에 따라 15%까지 줄어들기도 한다.

 

직접 분사식(fuel injection system)

직접 분사방식은 카뷰레터와 같이 공기와 연료를 미리 혼합하여 실린더로 보내는 것과는 달리 흡입밸브 직전에서 연료를 직접 실린더로 분사시키는 방법이다. 직접 분사방식은 엔진에 의해 구동되는 연료펌프, 혼합가스 조절장치, 연료분배장치, 분사노즐, 보조연료펌프, 연료압력 및 흐름계기 등으로 구성된다.

 

직접 분사방식은 공기와 연료를 미리 혼합시키지 않기 때문에 착빙현상이 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 직접 분사방식은 카뷰레터 방식에 비하여 다음과 같은 장.단점이 있다.

 

장점 

- 착빙현상이 거의 발생하지 않는다.

- 연료의 흐름이 균일하다.

- 스로틀 조작에 빨리 반응한다.

- 엔진 출력을 세밀하게 조절할 수 있다.

- 연료를 균등하게 분사할 수 있다.

- 혹한기에 쉽게 엔진 시동을 할 수 있다.

 

단점

- hot engine 상태에서 시동이 어렵다.

- vapor locks 현상으로 더운 날씨에 시동이 어렵다.

- 엔진이 정지되었을 경우 연료 공급이 잘 안되어 재시동이 어려운 문제가 있다.