항공기 엔진(aircraft engine)

항공기 엔진은 크게 왕복엔진(reciprocating engine)과 터빈엔진(turbine engine)으로 구분할 수 있다. 왕복엔진은 공기밀도가 큰 저고도 저속에서 엔진과로펠러 효율이 좋고, 운용비용이 적게 들어 일반항공(general aviation)에 많이 사용되며, 터빈엔진은 고고도 고속에서 효율이 좋고 엔진 출력이 강하여 대량수송이 가능한 운송용 항공기에 사용되고 있다.

 

왕복엔진

왕복엔진은 연료탱크에서 이송된 연료를 실린더 내에서 연소시켜 얻어지는 열에너지를 기계적 에너지, 즉 피스톤의 왕복운동을 크랭크축을 이용하여 회전운동으로 바꾸어 주는 엔진이다. 크랭크축에는 프로펠러가 연결되어 있으며 크랭크축의 회전운동으로 프로펠러를 돌려 추진력을 얻게 된다.

 

왕복엔진의 분류

왕복엔진은 엔진의 냉각방법과 실린더의 배열 방법에 따라 분류할 수 있다.

 

냉각방법에 의한 분류

- 공랭식 방법 : 엔진 주의에 흐르는 공기를 이용하여 고온의 실린더를 냉각시키는 방법으로 이 방법은 냉각효율이 좋고 정비하기가 쉬우며 제작비가 싼 장점이 있어 대부분의 항공기 엔진에 많이 사용되고 있다. 카울플랩을 이용하여 엔진 주위에 흐르는 공기의 흐름을 조절한다.

 

- 수냉식 방법 : 물 또는 냉각액으로 엔진을 냉각시키는 방법으로 이 방법은 실린더 주위에 물탱크, 물 펌프 등으로 구조가 복잡하고 무게가 증가하는 단점이 있어 항공기용 엔진에는 많이 사용되지 않는다.

 

실린더 배열방법에 따른 분류

왕복 엔진의 출력을 크게 하는 방법은 실린더의 개수를 증가시키거나 실린더의 크기를 증가시키는 방법이 있다.

실린더의 크기를 크게 하면 완전 연소가 이루어지지 못하고 디토네이션과 같은 이상폭발 현상이 일어날 수 있으므로 사용하지 않고, 실런더의 개수를 증가시키는 방법을 택한다.

 

실린더를 배열하는 방법은 실린더를 서로 마주보게 배열하는 수평 대향형 엔진(horizontally opposed type)과 V자 형태로 배열하는 V형 엔진, 직렬로 배열하는 직렬형 엔진, 원형모양으로 배열하는 성형 엔진 등으로 분류할 수 있다.

 

성형엔진은 무게에 대한 출력의 비율이 커서 큰 출력을 낼 수 있으므로 중형 및 대형항공기에 사용된다. 수평 대향형 엔진은 실린더를 크랭크축 양쪽에 수평으로 배열하는 방법으로 구조가 간단하여 크기가 작고 무게가 가벼우며, 엔진의 전면 면적이 작아서 공기 저항을 줄일 수 있으며, 엔진무게에 대한 출력의 비율이 좋아 대부분의 소형항공기에 많이 사용된다.

 

왕복엔진의 작동원리(reciprocating engine operating principles)

 

일반적으로 왕복엔진은 연료와 공기의 혼합가스를 실린더 속으로 주입시켜 압축한 다음 스파크플러그로 점화, 연소, 폭발시켜 강한 팽창력을 얻는다. 강한 팽창력을 이용하여 피스톤은 왕복 운동하게 하고 피스톤에 연결된 크랭크축으로 전달하여 회전운동으로 바꾸어 프로펠러를 회전시켜 추력을 얻는 엔진이다.

 

항공기에 사용되는 왕복엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4단계로 이루어지는 4행정 엔진이다.

 

4행정 엔진의 실린더 구조

4행정 엔진의 실린더 구조는 실린더, 크랭크케이스, 각종 부속품, 흡입/배기 밸브, 스파크플러그, 피스톤, 크랭크축, 커네깅로드 등으로 구성되어 있다.

 

4행정의 과정

4행정은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 과정으로 이루어진다. 크랭크축이 2회전하는 동안에 한 번의 폭발이 일어나는데 폭발에 의해 발생한 에너지는 피스톤을 상하로 왕복운동을 하게 하고 피스톤에 연결된 커넥팅로드를 이용하여 크랭크축에 연결된 프로펠러를 회전시킨다.

 

4행정의 과정은 다음과 같다.

- 흡입행정 : 흡입행정은 피스톤이 아래로 움직일 때 흡입밸브를 통하여 연료와 공기의 혼합가스가 실린더 안으로 흡입되는 과정이다. 흡입밸브는 피스톤이 실린더 내에서 가장위로 올라간 위치인 상사점에 도달하기 전에 열리고 가장 아래로 내려간 위치인 하사점 후에 닫힌다.

 

- 압축행정 : 압축행정은 흡입밸브가 닫히고 피스톤이 위로 움직이면서 실린더에 들어온 혼합가스를 압축하는 과정이다. 

엔진 성능에 영향을 끼치는 중요한 요소 중의 하나가 압축비인데 압축비는 피스톤이 하사점에 있을 때의 실린더 체적과 상사점에 있을 때의 실린더 체적의 비를 말한다.

 

- 팽창행정 : 실린더 내로 들어온 혼합가스는 압축행정 과정 중에 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 스파크플러그에 의해 점화되어 폭발된다. 혼합가스가 점화되어 폭발하면 실린더 내의 압력은 최고로 도달하고 연소된 가스는 피스톤을 아래로 밀려 실리너 내의 온도는 급격히 상승한다. 엔지은 이 팽창행정에서 동력을 얻게 된다.

 

- 배기행정 : 배기행정은 피스톤이 위로 움직이면서 배기밸브가 열리고 연소된 가스가 실린더 밖으로 배출되는 과정이다. 배기밸비는 팽창행정의 끝부분인 하사점 전에 열리고 흡입행정의 시작 부분인 상사점을 지난 후에 닫히도록 되어 있다. 그렇게 함으로써 배기관으로 빠져나가는 배기 가스의 관성을 이용하여 실린더 안의 잔류가스를 더 많이 배출시키고 새로운 혼합가스의 흡입량을 증가시키게 된다.