제3장 내연기관의 이론과 성능

1. 개 요 항공기 엔진은 일반적으로 2가지로 분류한다. 하나는 왕복엔진이고 다른 하나는 가스터빈 엔 진으로 모두 열 엔진(Heat Engine)이라 한다. 이것은 열에너지를 출력으로 생성하는 것이 동일 하기 때문이다. 기본적으로 엔진은 에너지근원을 일의 량으로 변환하는 장치로 열 엔진의 에너지근원은 연료를 연소시켜 열을 얻고, 이 열을 출력으로(수행 한 일의 비율) 변환하는 것이다. 왕복엔진이란 연료가 연소되어 열을 발생하고, 이 열에 의하여 가스가 팽창하여 발생하는 압력을 피스톤에 전달 하고, 이 피스톤에 연결된 컨넥팅 로드를 통하여 크랭크축을 회전시켜 출력을 만들고 일을 하게 되는 기관을 말한다. 가스터빈 엔진에서는 열을 이용하여 가스를 팽창시키고, 이 가스를 엔진을 통하여 흘러 보낼 때 속도가 증가하고 속도가 증가한 가스는 터빈 을 구동시켜 축 출력을 만들어 낸다. 터보제트엔 진은 엔진으로부터 가스의 제트 흐름을 이용하여 출력을 만들어 낸다. 가스터빈 엔진은 제2 권에서 취급하겠다.

2. 기초과학 2-1. 열 에너지의 기계적인 에너지로의 변환 에너지에는 두 가지 종류가 있으며, 하나는 운동에너지 (kinetic energy) 이고, 다른 하나는 위치에너지 (potential energy)이다. 운동에너지는 포탄의 움직임, 폭포에서 물이 떨어지는 것과 같이 움직임에 의해서 진행되는 에너지를 말하고, 위치에너지는 코일 형 스프링이나, 물이 땜에 저장되는 것과 연료 (가솔린) 등이 위치에너지에 속한다. 에너지는 새로이 만들어지거나 파괴되지 않는다. 그러나 기계의 영구한 움직임은 없다 .그 것은 물체가 부품이 갖는 분자의 무게와 마찰력이 작용하기 때문이다. 에너지는 새롭게 만들 어지는 것이 아니라 다른 형태로 전달될 뿐이다. 코일 스프링이 감겨 있기 때문에 일을 한다. 스프링이 감겨 있지 않았다면 운동에너지는 위치에너지로 남아 있을 것이다. 가솔린과 공기가 혼합되어 점화되었을 때 연 소되면서 가스분자의 운동에너지가 증가하게 된다. 이 가스가 왕 복엔진의 실린더 내에 일어났을 때 압력(위치 에너지)이 증가하여 피 스톤을 밑으로 밀어내는 힘이 발생한다. 열 에너지는 기계적인 에너지로 전달되고, 기계적인 에너지는 전기에너지로, 전기에너지는 열 또는 빛, 화학 또는 기계적인 에너지로 이송되는 순환이 이루어진다. 연료의 위치에너지가 운동에너지로 변환하여 엔진을 움직임을 어떠한 물리적인 법칙에 의하여 조정 되어진다. 이러한 법칙은 압력, 체적과 온도에 관한 법칙을 아래와 같이 자세하게 나열 하겠다.

V1 / V2 = T1 / T2 󰊱 보일의 법칙 (Boyle’s Law) 일정한 온도에서 기체의 압력은 부피에 반비례한다 V1 / V2 = P2 / P1 󰊲 샤르의 법칙 (Charles’ Law) 일정한 압력에 있어서의 기체의 체적은 절대온도에 비례한다는 법칙으로 온도가 1℃올라 갈 때마다 0℃일 때의 체적이 237분의 1씩 팽창한다는 법칙이다. V1 / V2 = T1 / T2 보일의 법칙과 샤르의 법칙을 총합하여 보일-샤르의 법칙이라 하며, 기체의 부피는 압력 에 반비례하고 절대온도에 정비례한다는 법칙이다. 이러한 법칙이 엔진에 작용하는 체적, 압력, 온도의 관계를 엔진의 작동에 적용하는 기본으로 한다.

3. 엔진작동의 기초이론 사이클(Cycle)은 한 점을 출발하여 일정한 경로를 지나 일정한 시간 내에 제자리로 돌아오는 주기를 말한다. 엔진사이클은 내연기관에서 작동 중에 출력을 내기 위해서 일어나는 주기를 말하며, 4-행정(4-Stroke), 5-경로 (Event Cycle)인 흡입 (Intake), 압축(Compression), 점화 (Ignition), 연소 (Combustion)와 배기 (Exhaust) 가 진행된다. 내연기관 (Internal Combustion Engine) 은 피스톤 형 또는 가스터빈 엔진을 일컫는 것으로 연료를 내부에서 연소시킨다는 뜻이며, 더 나아가 피스톤 엔진의 진행과정을 말한다. 피스톤 엔진의 작동이 4-행정 5-경로로 이루어진다는 것을 제일 먼저 개발한 사람은 독일의 오토(August Otto)씨로서 이러한 주기를 오토사이클 (Otto Cycle) 이라 한다. 열 엔진의 다른 주기는 카노트 사이클 [Carnot Cycle (불란서 기술자 Nicolas-Leonard-Sadi Carnot이 제창)], 디젤 사이클 [Diesel Cycle (독일의 과학자 Dr. Rudolf Diesel이 제창)], 브레이톤 [Brayton Cycle (미국 의 기술자 George B. Brayton이 제창)] 이러한 모든 사이클은 공기의 압축, 압축공기 속에서 연료의 연소와 압력과 열을 출력에 적용된다.

3-1. 행정 (Stroke) 가솔린 엔진의 출력을 만들어 내기 위한 부분품은 실린더, 피스톤, 연결 로드와 크랭크축이 있다. [그림 3-1]에서 실린더 내에서 피스톤이 원활하게 움직이고 가스의 누설을 막기 위해서 적당한 씰이 피스톤에 장착되어 있으며 피스톤은 연 결 로드에 의하여 크랭크축에 연결되어 있다. 피스톤이 실린더 안에서 상하로 왕복 운동을 할 때 크랭크축은 회전 운동을 한다. 이때 피스톤이 실린더 안에서 움직일 때 그 거리를 행정 (Stroke) 이라 한다. 각 행정 중에 크랭크축은 180°회전한다. 피스톤이 실린더 안쪽으로 움직여 최대 정점에 도달했을 때를 상사점이라 하고, 피스톤이 반대쪽으로 움직여 끝까지 왔 을 때를 하사점이라 한다. 크랭크축이 1회전하기 위해서는 피스톤은 2-행정 해야만 이루어진다. 즉, 실린더가 수직으로 있다면 피스톤이 한번 위로 한번은 아래로 작동해야만 한 다.

3-1-1. 행정과 직경 [그림 3-2]에서 실린더의 행정(Stroke)이 5.5인치(13.97㎝)이고 실린더의 내경이 5.5인치(13.97㎝)인 것과 같이 행정과 실린더의 내경이 같은 엔진을 평방 엔진(Square Engine)이라 한다. 여기서 중요한 것은 피스톤의 상사점과 하사점의 위치는 밸브의 오버랩과 시기를 결정하는 중요한 요소가 된다는 것을 알아야 한다. 상사점은 크랭크축이 중심선으로부터 최대가 되는 점이고, 하사점은 크랭크축이 중심선으로부터 최소가 되는 점을 말하며 상사점과 하사점은 다음 [그림 2-3]에 도해되어 있다.

3-2. 압축비 (Compression Ratio) 실린더의 압축비란 피스톤이 하사점에 있을 때의 실린더의 용적과 상사점에 있을 때의 실린더의 용적의 비를 말한다. 예)로서 피스톤이 하사점에 있을 때 용적을 120in3(1.97 ℓ)이고 피스톤이 움직여 상사점에 도달했을 때 용적을 20 in3 (0.33 L) 라 하면 이때의 압축비는 120 : 20 즉 6 : 1이 라 한다. [그림]은 피스톤과 실린더의 압축비를 6 : 1 을 보여 주고 있다.

3-3. 4-행정 / 5-경로 사이클 4-행정 엔진에서 4행정이란 흡입행정, 압축행정, 출력 행정, 배기행정이 있으며, 4-행정 엔진에서의 크랭크축은 각각의 행정이 완전히 끝났을 때 2회전한다. [그림 3-4] (A)는 흡입행정에서 상사점에서 흡입밸브 가 열리고 배기밸브는 닫힌 상태로 피스톤이 밑으로 작동하면 연료와 공기의 혼합 기 (일명 Working Fluid)는 기화기로부터 실린더로 들어온다. 피스톤 이 계속 움직여 하사점에 도달했을 때 흡입행정은 끝나고 피스톤이 실린더의 헤드 쪽으로 더 움직이기 시작하여 크랭크축이 하사점을 지나 60°에 도달하면 흡입밸브는 닫힌다. 이것은 연료 -공기 혼합기가 더 들어와 체적효율을 증가시키기 위한 것이다. 이때 밸브는 닫히고 압축행정 에 들어간다. [그림] (B)는 압축행정이라 하며, 피스톤은 압축 상사점에 이르게 된다. 피스톤이 압축 행정의 상사점에 도달하기 몇도 전에 점화가 일어 나고 피스톤은 점화 시간만큼 상사점으로 움직인다. 점화는 연료-공기 혼합기에 불꽃이 옮겨 연소되고 압력이 증가하여 피스톤에 작용 하 면 피스톤은 상사점으로부터 하사점을 향하여 움직이기 시작한다. [그림] (C)에서와 같이 연소압력에 의하여 피스톤이 밑으로 움직일 때를 출력행정이라 한다. 출력행정에서 피스톤이 하사점에 도달하기 전에 배기밸브가 열리고 피스톤은 하사점을 지나 상사점을 향하여 [그림3-4](D)와 같이 움직이기 시작한다. 이것을 배기행정이라 한다. 피스톤이 상사점에 도달하기 전에 흡입밸브가 열리고 배기밸브는 상사점을 지난 후에 닫치는 시간을 밸브 오버랩(Valve Overlap)이라 한 다. 즉, 이것은 배기가스를 신속하게 배기 시키고 체적효과를 좋게 한다.

4. 밸브 타이밍과 엔진 점화순서 (Valve Timing and Engine Firing Order) 4-1. 정 의 밸브의 작동과 타이밍을 안다는 것은 엔진 작동의 기본 원리를 이해하는 근본적인 일이다. 현대의 항공기용 피스톤엔진의 4-행정 작동원리를 다시 상기할 필요가 있다. 엔진의 한 주기 중에 크랭크축은 2 회전하고 밸브들은 한번 작동한다. 즉, 크랭크축이 2회전할 때 흡입밸브 작동 기계장치는 한 번 작동한다. 대향형 엔진에서 캠축에 한 개의 로브가 있다면 크랭크축 이 2회전 할 때에 캠축은 1회전한다. 성형엔진에서는 밸브가 캠링 또는 캠 플레이트에 의하여 작동하며 캠링에는 3 개 또는 4, 5개의 로브 를 가지고 있으므로 캠링을 작동하는 감속기어는 1 : 6, 1 : 8 또는 1 : 10의 비율로 작동한다. 4-2. 밸브 타이밍 위치를 위한 약어 ABC : After Bottom Center EC : Exhaust Closes ATC : After Top Center EO : Exhaust Opens BBC : Before Bottom Center IC : Intake Closes BC : Bottom Center IO : Intake Opens BDC : Bottom Dead Center TC : Top Center BTC : Before Top Center TDC : Top Dead Center

4-3. 엔진 타이밍 도해 [그림 3-5 ](좌측) [그림 3-6](우측) 4-3. 엔진 타이밍 도해 [그림 3-5 ](좌측) [그림 3-6](우측) [Fig.3-5] Diagram for valve timing [Fig.3-6] Relation between piston travel and crankshaft travel.

4-3. 엔진 타이밍 도해 좌측[그림 3-5]은 컨티넨탈 모델 E-165엔진의 밸브 작동 시기를 도표로 표시하고 있다. 4-3. 엔진 타이밍 도해 좌측[그림 3-5]은 컨티넨탈 모델 E-165엔진의 밸브 작동 시기를 도표로 표시하고 있다. IO - 15° BTC, EO - 55° BBC, IC - 60° ABC, EC - 15° ATC 흡입밸브는 TC 일 때 열리고 BC에서 닫친다. 마찬가지로 배기밸브는 BC에서 열리고 TC에서 닫친다. 즉 밸브가 완전히 열리면 가스는 관 성에 의하여 움직이며 밸브를 통하여 배기 된다. 배기행정이 끝날 즈음에 도달하면 가스의 압력은 떨어지고 밸브 주위에 모여들게 된다. 이 때가 TC 직전으로 흡입밸브가 열리면서 새로운 연료-공기 혼합기가 실린더로 들어오면 압력은 증가하여 나머지 배기가스를 배출시키 고 새로운 흡입가스를 채워 용적효율을 증가시킨다. 만약에 흡입밸브가 보다 빨리 열리면 배기가스가 흡입밸브를 통하여 흡입메니폴드로 역류하여 후기점화가 일어난다. 후기점화는 또한 흡입밸브가 열린 상태로 고정되어도 발생한다. 피스톤이 TC를 지나면 서서히 배기밸브 는 닫쳐 배기가스가 실린더로 역 류하지 못하도록 한다. 이러한 밸브의 작동시기를 밸브오버랩(Valve Overlap)이라 하며 흡입 밸브는 BTC 15°에서 열리고 배기밸브는 ATC 15°에서 닫친다. 즉 밸브 오버랩은 30°이다. [그림]에서 2개의 그림은 밸브 타이밍을 안내하기 위한 도해이다 [그림]에서 흡입밸브는 ABC 60°까지 열려 있는 것은 연료-공기 혼합기를 실린더로 많은 량을 끌어들이기 위한 것으로 피스톤이 BC를 지난 후까지 혼합기를 끌어들이는 장점이 있다. 배기 밸브가 BC이전에 열리는 것은 두 가지 중요한 이유가 있다. ① 실린더의 충분한 배기를 위한 것이고 ② 엔진을 보다 더 좋은 냉각을 위한 것이다. 출력행정에서 TC를 지나 크랭크축이 120°가 되었을 때 연소된 연료의 열에너지가 최대가 되는 시점이고 피스톤은 거의 최하로 움직이게 된다. 이때에 배기밸브가 열리고 뜨거운 배기가 스는 배출된다. 흡입밸브가 TC후에 열리거나 배기밸브가 BC후에 닫치는 것을 밸브 래그 (Valve Lag)라 하고, 흡입밸브가 BC 전에 열리거나 배기밸브가 TC전에 닫치는 것을 밸브 리드(Valve Lead)라 한다. 예로서 흡입밸브가 BTC 15°에서 열리는 것을 밸브 리드 15°라 한다. 우측 [그림 3-6]]에서 점C를 중심으로 된 원주는 크랭크축의 중심으로부터 크랭크축이 움직인 궤적이고, TC는 피스톤 핀이 최상의 위치 이고 BC는 피스톤 핀이 최하로 움직인 범위이다. 숫자는 피스톤 핀이 크랭크축을 따라 180°움직일 때 피스톤이 움직인 거리를 나타내고 있다. 그림에서 첫 번째 90°는 나중의 90°보다 거리가 길다. 또한 이 움직인 거리는 피스톤의 움직이는 속도를 나타내며, TC를 지나 80～ 90°사이에서 피스톤의 속도는 최대가 된다. [그림 3-5]의 도해는 밸브-타이밍 특성에 대한 도해로서 각 밸브의 열려있는 시기를 크랭크축의 움직이는 괘도에 따라 표시해 보면 흡입 밸브는 TDC 15°전에 열리고, BDC를 지나 60 도에서 닫치므로 흡입밸브가 열려있는 시기는 15+180+60 즉 255°열려 있고, 배기밸브는 BDC 55°전에 열려 TDC 15°을 지나서 닫친다. 여기서 밸브 오버랩은 30°이다. 밸브가 닫쳐 있는 시기는 크랭크축 전체 회전거리에서 압축행정에서 흡입밸브가 닫쳐 있을 때부터 출력행정에서 배기밸브가 열릴 때까 지로 결정한다. [그림 3-5]에서 흡입밸브는 60°ABC에서 닫치고 크랭크축은 흡입밸브 닫침으로부터 TC까지120 도(180 -60°)회전한다. 배기밸브 열림 은 55°BBC 일 때 크랭크축은 배기밸브 열림으로부터 크랭크축은 125°(180°-55°) 회전한다. 그러므로 흡입밸브가 닫치는 점으로부터 배 기밸브 열림 위치까지의 크랭크축의 전체 회전각은 120°+125°또는 245°회전한다. 이러한 크랭크축 회전 각을 지속기간(Duration)이라 한다.

4-4. 점화순서 (Firing Order) 밸브 또는 점화시기에 대한 순서는 엔진의 형태와 관련 부품에 따라 그 순서가 정해져 있으며, 어떠한 엔진이라도 엔진의 점화순서 (Firing Order)를 표찰에 기록하여 부착하고 있다. 대향-형 엔진 또는 V-형 엔진에서 점화순서는 최대한 진동에 대응할 수 있는 실린더 순서로 정하여져 있다. 좌측 [그림 3-7]은 6-실린더 라이코밍사 대향-형 엔진의 점화 순서를 도해로서 보여주고 있다. 즉 크랭크축의 주 베어링을 중심으로 하여 서로 쌍을 이루고 있는 실린더의 순서로 점화가 이루어진다. 실린더의 번호는 제작회사의 설계에 따라 일정하지 않으며 앞에서부터 뒤로 또는 뒤에서부터 앞으로 순번을 정하나 라이코밍 회사에서 제작된 엔진은 앞쪽 우측으로부터 좌우를 번갈아 가며 후방으로 순번을 정하고 있다. 실린더가 한 줄로 나열된 성형엔진의 점화 순서는 4-행정이 필히 교대로 이루어 져야 하므로 먼저 홀수 숫자의 실린더가 순서대로 점화하고, 다음에 짝수 수의 실린더가 순차적으로 점화되 어야 한다. 실린더가 두 줄로 나열된 성형엔진의 실린더 배열은 뒤에 있는 줄의 실린더의 장착 순서는 홀수 순서 (1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 또는 1, 5, 9, 13, 17, 3, 7, 11, 15)로 배열되어 있고 앞에 있는 실린더의 배열은 짝수 순서(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 또는 2, 6, 10, 14, 18, 4, 8, 12, 16)로 배열되어 있다. [그림3-8]은 대표적인 점 화순서를 나열해 놓은 도표이다. 우측의 도표에서 14- 실린더와 18-실린더 성형엔진에서의 점화 순서는 일정한 공식이 적용한 다. 14-실린더의 경우는 어떠한 실린더에 서부터 점화가 시작하든지 시 작되는 실린더의 번호에 9를 더하거나 5를 빼면 점화순서가 결정되고, 18 실린더의 경우는 동일한 방법으 로 11을 더하거나 7을 빼어 점화 순 서를 결정시킨다.

5. 2-행정 사이클 (The Two-Stroke Cycle) 5-1. 개 요 일반적으로 항공기 왕복엔진은 4-행정 엔진을 사용하고 있으나 일부 소형 항공기에는 2-행 정을 원리로 한 소형의 왕복엔진을 사용 하기도 한다. 2-행정 엔진은 각 작동 사이클 당 행정 과 연료-공기 혼합의 차이점이 있으며, 기계적으로 대단히 간단하나 엔진의 효 율이 낮고 윤활 하는데 큰 문제점이 있다. [그림]는 2행정 엔진의 작동관계를 도해한 것이다. 2-행정 엔진의 구조도 4-행정 엔진과 동일하게 실린더, 피스톤, 크랭크축, 컨넥팅 로드, 크 랭크 케이스 등은 같으나 단지 밸브의 정열과 연료-공기 혼합기 계통이 차이가 난다. 피스톤 이 위로 올라갈 때 크랭크 케이스 부분에 저압이 발생하고 이때 기화기로부터 혼합기가 체크 밸브를 통하여 크랭크 케이스로 들어온다. 피스톤이 TDC에 도달하면 크랭크 케이스에 들어온 혼합기는 채워지고 피스톤이 내려오기 시작하면 체크 밸브는 닫치고 크랭크 케이스에 있던 혼 합기는 압축을 시작하며 피스톤이 밑으로 내려와 흡입구가 열리면 크랭크 케이스에서 압축된 혼합기는 실린더로 들어간다. 이러한 과정을 흡입과정(Intake Event)이라 한다. 피스톤이 위 로 올라가 흡입구가 막히면 피스톤에 의하여 압축이 일어나고 이때 크랭크 케이스에는 새로운 혼합기가 체크밸브를 통하여 크랭크 케이스에 채워진다. 이러한 과정을 압축과정 (Compression Event)이라 한다.[그림 3-9](A) 피스톤은 계속하여 실린더 위쪽으로 움직여 거 의 최 상부에 도달할 즈음에 점화가 일어난다. 이 과정을 점화 과정(Ignition Event)이라 한 다. 혼합기가 점화되어 연소되면 가스가 팽창하고 피스톤은 밑으로 작동하고 크랭크 케이스에 들어온 혼합기는 압축이 되는 과정을 출력행정(Power Event)이라 한다.[그림 3-9](B) 피스톤 이 거의 밑 부분 끝에 도달했을 때 배기구가 열리고 뜨거운 연소가스는 배기구를 통하여 빠져 나간다. 피스톤이 좀더 밑으로 내려오면 흡입구가 열려 새로운 혼합기를 크랭크 케이스로부터 실린더로 들여보낸다. 배기가스의 압력이 떨어지면 새로운 혼합기에 의하여 배기구를 통하여 연소가스는 완전히 빠져나가고 흡입과 배기가 거의 동시에 끝나게 된다. [그림](C)는 이러한 과정에서 우리는 2-행정이 완결될 때에 크랭크축은 1회전한다는 것을 알았다. 그러나 2-행정 엔진은 기능상 세 가지 단점이 있 다. ① 배기와 흡기가 동시에 같이 일어나므로 배기를 통하여 흡기의 일부가 빠져나가는 이유 로 인하여 엔진의 효율이 떨어진다. ② 엔진의 냉각에 어려움이 있다. ③ 윤활에 문제가 있다. 즉, 크랭크 케이스 내부에서 연료-공기 혼합기와 윤활유가 섞일 우 려가 있다.

6. 출력의 산정 (Power Calculation) 출력은 수행한 일의 비율을 말하며 일의 량은 무게가 있는 물질을 일정한 거리만큼 들어올리는데 필요한 힘이다. 예로서 무게 1톤 (907.2 ㎏)의 물건을 100피트(30.48 m) 수직으로 들어올렸다면 100 톤-피트(27651 ㎏-m)의 일을 했다고 한다. 또는 1톤은 2000파운드이므로 200,000 ft-lb의 일을 했다고 한다. 출력은 다음과 같은 3가지 요인에 의하여 결정된다. ① 힘의 연장, ② 힘이 움직인 거리, ③ 일을 한 시간 증기기관을 발명한 영국의 제임스-와트는 말이 한 일의 비를 550 ft lb/s(77 ㎏-m/s) 또는 33,000 ftㆍlb/min으로 표시하고 이것을 마력 (Horse Power/Hp)이라 정의하였다. 1000파운드 (450㎏)의 무게를 33피트(10.6m)들어 올리는데 1분 걸렸다면 이것을 1Hp(마력)이라 한다. 만약 에 같은 무게를 2분 걸렸다면 1/2마력, 4분 걸렸다면 1/4마력이라 한다. 1 마력은 33,000 ftㆍlb/min(4563 ㎏ㆍm/min) 또는 550 ft-lb/s(77 ㎏ㆍm/s)의 한일과 같다 6-2. 피스톤의 배기량 (Piston Displacement) 엔진의 출력을 계산하는데 실린더의 직경, 피스톤이 움직인 거리, 배기량이 기본적인 측정 단위로 사용된다. 배기량은 실린더의 단면적에 움직인 거리(높이)를 곱하면 배기량(용적)이 계 산된다. 예로서 한 개의 실린더의 직경이 6인치이고 움직이는 거리가 6인치인 실린더의 배 기량 을 구하기 위해서는 먼저 단면적을 구하면 28.274in2[단면적=πr2]이고, 배기량은 6× 28.274=169.644 in3이 된다. 엔진의 전체 배기 량은 하나의 실린더의 배기량에 총 실린더의 수를 곱하여 얻을 수 있다.

6-3. 지시마력 (Indicated Horsepower) 지시마력(Indicated Horsepower / IHP)은 엔진이 열에너지를 기계적인 에너지로 변환된 총 에너지의 합을 말한다. 만약에 엔진의 특성을 안다면 IHP는 계산이 가능하다. 하나의 실린더 에서 피스톤에 작용하는 지시평균유효압력(IMEP=Indicated Mean Effective Pressure)을 P라 하고 피스톤의 면적을 A, 피스톤이 움직인 거리를 L, 실린더가 분당 일한 행정 수를 N이라 하 고 실린더의 수를 K 라 하면 다음 식이 성립한다. 위의 식에서 33,000은 엔진의 지시마력 비로 단위는 Foot-pound/min 이다. 1 Hp = 33,000 ftㆍlb/min [1 W=6.12 ㎏ㆍm/min]

6-4. 제동마력 (Brake Horsepower) 제동마력(Brake Horsepower=BHP)은 엔진에 의하여 프로펠러 또는 다른 구동장치를 작동 시키는데 필요한 마력으로 엔진의 지시마력에서 엔진이 구동될 때에 마모되는 마찰마력을 뺀 것을 제동마력이라 한다. 즉, BHP = IHP - FHP이다. 또한 제동마력은 일반적으로 지시마력의 85%에서 90% 정도로 산출해 낸다. 어떤 엔진의 제동마력은 엔진에 연결된 구동부품에 의하여 결정된다. 만약에 하나의 발전기가 연결되어 있고, 이 발전기의 하중과 효율을 알고 있다면 엔 진이 발전기를 구동시키는데 필요한 제동마력 을 구할 수 있다. 예) 발전기가 110 volt(V)/50 amp(A)의 정격 전류를 발전한다면 이것을 일 량인 와트(Watt) 로 환산하면 5500 Watt가 된다. 1Hp=746W이므로 5500Watt = 7.36 Hp이다. 여기서 발 전기의 효율이 60%라 하면 이것을 구동하기 위해서는 12.27 Hp(7.36/0.60 = 12.27)[9.17 Watt]가 소요된다.

6-5. 포니 브레이크 (Prony Brake) 포니 브레이크 또는 동력계 (Dynamo meter)라하며, [그림3-10]에 도해되어 있으며, 이 장치는 토크 또는 회전 모멘트를 측 정하는 장치이다. [그림 3-11]에서와 같이 일정한 거리(L)를 가지고 있는 칼라(Collar)를 프로펠러 축에 연결하고 암의 끝 부분에 저울을 놓아 프로펠러가 회전할 때 만들어지는 힘(F)을 측정 하여 제동마력을 구한다. 그림에서 암의 길이가 4 feet이고 프로펠러가 1800 rpm으로 회전할 때 저울 의 눈금 이 200 lb[889.6 N]을 지시하였다면, 이 엔진의 제동마력은 위의 식에서 구할 수 있다. bhp = 200 x 4 x 2pi x 1800 / 33,000 = 274 [204.3 kW]

6-6. 평균유효압력 (Mean Effective Pressure/MEP) 전수에 따라 측정된 실린더 내의 압력을 평균한 값으로 지시평균유효압력(IMEP; Indicated Mean Effective Pressure)와 제동평 균유효압력(BMEP; Brake Mean Effective Pressure)으로 구분한다. ihp = PLANK / 33,000 P(BMEP) = 33,000 x BHP / LAN

6-7. 지시마력 도해 지시마력은(IHP)은 이론에 기초를 두고 한일의 량(각 행정)에 따라 압력을 계산하여 [그림 3-12]과 같이 그래프로 나타낸 도표를 Indicator Card라 한다. 특정한 Indicator Diagram은 압축행정에서 점화 후에 급격히 압력이 올라갔다가 출력행정 중에 가스가 팽창한 다음 압력이 떨어지 는 것을 볼 수 있다. 엔진의 출력행정에서 피스톤에 작용하는 힘은 일정하지 않음은 연료-공기 혼합기는 일순간에 연소하기 때문에 행정의 상사점에서 높은 압력이고 피스톤이 내려가면서 압력은 감소하게 되기 때문이다. 지시마력(IHP)을 알기 위해서는 모든 행정에서 피스톤에 작용하는 압력은 일정해야 하기 때문에 상승, 감소하는 압력의 평균치를 계산해야 한다. 이 평균압력을 지시평균유효압력(IMEP)이라 한다.

6-9. 임계고도(Critical Altitude) 6-8. 출력 비 (Power Ratings) 엔진의 이륙출력비 (Takeoff Power Rating)는 항공기가 이륙을 위해서 엔진이 최대출력 회전과 메니폴드 압력에 의하여 만들어진다. 이륙 출력은 1에서 5분 이내로만 가능한 제한조건 이 따른다. 메니폴드 압력은 기화기 또는 내부과급기와 흡입밸브 사이의 흡입 메니폴드 내의 압력을 말하며, 압력 단위는 수은주 높이(inHg) 또는 킬로 파스칼 (㎪) 로 표시하며, 표준대기상태에서 해면고도의 대기압은 29.92inHg[101.34 ㎪] 이고 메니폴드 압력 계기에는 낮거나 또는 높게 지시한다는 것을 알 수 있다. 메니폴드 압력이 증가하면 엔진의 출력이 증가하게 된다. 이때 회전속도를 일정하게 유지해야 한다. 같은 방법으로 출력을 증가하면 rpm이 증가하고, 메니폴드 압력을 일정하게 유지해야 한다. 엔진의 이륙 출력은 미국에서는 최대 연속 출력의 10%높게 책정하고, 영국에서는 최대 순항출력의 15%높게 책정한다. 이러한 결정은 과속 (Overspeed) 조건에 대응하도록 하기 위한 것 이다. 최대연속출력은 또한 최대허용이륙출력(Maximum Except Takeoff Power) 이라고 한다 6-9. 임계고도(Critical Altitude) 임계고도(Critical Altitude)는 엔진이 주어진 마력으로 출력을 유지 할 수 있는 제한고도를 말한다. 즉, 고도변화에 따라 공기의 밀도가 변화하여 엔진 출력에 영향을 미치는 제한고도를 말하며, 이 고도보다 높은 고도로 비행하기 위해서는 엔진에 과급기를 장착하여 사용 한다 과급기에 관한 것은 다음 장에서 자세하게 설명하겠다.

ITE= ihp x 33,000 / 분당 연소된 연료의 무게 x Btu x 778 7. 엔진효율[Engine Efficiency] 7-1. 기계적 효율 (Mechanical Efficiency) 엔진의 기계적 효율은 제동마력 비 또는 지시마력에서의 출력 축 또는 실린더에서 만 들어 지는 파워에 의하여 측정된다. [예] 만약에 BHP와 IHP의 비가 9:10이라 하면 엔진의 기계적인 효율은 90%라 한다. 나머지 10%는 다른 요소에 의하여 소비된다는 의미이다. 효율(Efficiency)이란 말은 입력에 대한 출력의 비 (Ratio)를 말한다. 7-2. 열효율 (Thermal Efficiency) 열효율(Thermal Efficiency)은 연료가 연소 할 때 만들어지는 열에너지가 기계적인 일로 변환 할 때 잃어버리는 열을 측정한 량을 말한다. [그림]에서 열은 냉각을 위해서 25%, 배기가스로 40%, 피스톤이 일을 할 때 마찰력 에 의하여 5%가 소비되고 프로펠러 축에 전달되는 열량은 30%에 해당된다. 지시열효율(Indicated Thermal Efficiency / ITE)을 식으로 표시하면 다음과 같다. ITE= ihp x 33,000 / 분당 연소된 연료의 무게 x Btu x 778 위의 식에서 제동 열효율(BTE)을 그대로 표시하면 IHP을 BHP로 대체하면 된다. [1 BTU= 778 ftㆍlb] [예] 어떤 엔진이 회전수 2600 rpm일 때 출력 104 BHP를 내기 위하여 시간 당 6.5 개론의 연료가 소비되었다. 이 엔진의 열효율은 단, 연료의 열량은 20,000 BTU이다. [먼저 식을 풀기 전에 연료의 소비량이 시간당으로 주어졌으므로 분당소모량으로 바 꾸면 6.5/60=0.108 gal/min이다. 이것을 다시 무게 단위로 바꾸면 (1 gal = 6 lb) 0.108/6=0.648 lb/min이다.] Bte = 104 x 33,000 / 0.648 x 20,000 x 778 = 0.34 즉, 제동 열효율은 34% 이다. 즉, 엔진이 100개론의 가솔린을 연소시켰다면 34 개론 만 기계적인 일을 하였 고 나머지 66개론은 배기가스 또는 마찰력에 의하여 소모되었 음을 알았다. 그러나 항공 기 엔진에서는 이 정도는 아주 훌륭한 열효율을 가졌다고 한다.

7-3. 출력과 효율(Power and Efficiency) 엔진의 효율은 입력에 대한 출력의 비(ratio) 이다. [예] 연료를 소모하여 BTU당 300Hp[223.71㎾]을 만들어 100Hp[74.57 ㎾]로 사용했다면 이 때 열효율은 100/300 또는 33⅓%라 한다. 어떤 엔진이 30 lb/h[13.61㎏/h] 또는 ½ lb/min[0.23㎏/min]의 연료를 연소시켜 70 Hp을 만들었다면 출력(Power)은 ? 단; 가솔 린 1/2 lb/lb가 연소될 때의 열량은 10,000 BTU이다. 1BTU는 778 ftㆍlb 임으로 분당 한 일은 10,000×778 ftㆍlb 이므로 Power = 778 x 10,000 / 33,000 = 235 hp [ 175.25 kW ] [예]에서 총 출력은 235마력이나 엔진에서 나오는 출력은 70마력 밖에 안된다. 이것을 열효율로 표시하면 70/235 또는 약 30%가 된다. 즉, 약 70%가 다른 곳에 사용되었다 는 결과를 볼 수 있다. - 제동마력 30% - 마찰과 열손실 20% - 배기가스(화학적 에너지로 변환) 50%

7-4. 체적효율 (Volumetric Efficiency) 체적효율은 실린더 용적에 해당하는 대기압과 온도에 대한 연료-공기 혼합기의 용적비를 말한다. 만약에 엔진 실린더 내에 연료-공기 혼합기가 표준대기상태의 압력과 온도에 해당 하 는 용적으로 채워졌다면 이때의 용적비는 100%라 한다. 용적이 100-in3 인 실린더 내에 연료-공기 혼합기가 95-in3 만큼 채워졌다면, 이때의 체적 효율은 95%라 한다. 체적효율을 식으로 표시 하면 {체적효율 = 대기압일 때 채워진 량 / 피스톤의 용적 } 이다. 체적효율은 엔진으로 들어가는 공기 질량의 감소가 커다란 요소로 작용한다. 그러한 여러 가지 요인은 ① 밸브 타이밍의 개선, ② 높은 엔진 회전속도, ③ 높은 기화기 온도, ④ 흡기계통의 설계 개선, ⑤ 높은 온도의 연소실 등은 어느 한가지라도 요인으로 제외될 수는 없다. 󰊱 밸브타이밍의 개선은 흡입밸브의 열리는 각도에 따라 실린더로 들어가는 공기의 흐름 량에 영향을 주고 배기밸브의 열리고 닫치는 시기에 따라 배기가스의 배기량에 영향을 주기 때문 이다. 즉 흡입밸브의 열림은 흡입행정에서 정확한 시기에 넓게 열려야 하고 배 기밸브는 정해 진 시기에 닫쳐야 한다. 󰊲 엔진속도(rpm)가 높아지면 체적효율에 제한을 준다. 그 이유는 흡입 메니폴드, 밸브구멍, 기 화기 등에서 공기흐름의 저항이 커지기 때문이다. 흡입구의 공기속도가 증가하면 저항도 증 가하고 공기의 체적도 감소하게 된다. 󰊳 기화기 공기온도가 체적효율에 미치는 영향은 공기의 온도가 상승하면 공기의 밀도가 낮아 지기 때문이다. 이 결과로 공기의 질량이 감소하여 연소실로 들어가는 공기의 질량이 감소하 기 때문이다. 최대체적효율은 엔진 스로틀을 완전히 열어 엔진이 최대의 하중으로 작동 할 때이다. Naturally Aspirated (Unsupercharged) Engine은 체적효율이 항상 100% 보다 작은 엔진을 말한다. 과급형 엔진(Supercharged Engine)은 체적효율을 100%보다 높게 유지한다. 이유는 공 기가 실린더로 들어가기 전에 과급기를 이용하여 공기를 압축시켜 실린더로 보내기 때문이다. Naturally Aspirated Engine이 체적효율을 100%보다 낮게 하는 2가지 이유는 ⓐ 흡입계통이 꾸부러졌거나, 장애물이 있거나 또는 흡입관 내부가 거칠어 공기가 흐를 때 저 항에 의하여 흡입관 내의 압력이 대기압보 다 떨어지기 때문이다. ⓑ 스로틀과 기화기 사이에 벤츄리가 마련되어 압력이 떨어지기 때문이다.

8. 엔진출력에 영향을 주는 요인 [Factors Affecting Performance] 앞에서 엔진출력에 대하여 설명할 때 평균유효압력, 회전수, 배기량과 기타 여러 가지 요인 이 엔진의 특성을 결정하는 요인이 된 다는 것을 언급하였다. 이장에서는 실재로 엔진작동에 직접적으로 작용하는 요인을 설명하기로 하겠다. 8-1. 메니폴드 압력 메니폴드 압력 또는 메니폴드 절대압력(MAP/Manifold Absolute Pressure)은 실린더의 흡 입구로 들어가기 전의 연료- 공기의 절대압력을 메니폴드 압력이라 한다. 절대압력이란 진공상 태를 기준으로 하여 측정된 압력으로 단위는 psia (pounds per square inch absolute) 또는 수 은주 높이로 inHg 이나 MAP는 때로는 kPa (Kilo Pascal)로 나타낸다. 압력계기에 지시하는 것을 직접 읽었을 때의 압력을 계기압력 또는 psig로 표시한다. 일반적으로 해면 고도에서 메니폴드 압력계기는 엔진이 작동하지 않을 때는 대기압 [29.92 inHg/101.34 ㎪]를 지시한다. 엔진이 완속으로 작동 중에 메니폴드 계기는 10에서 15inHg[33.87에서 50.81 ㎪]을 지시한다. 그 이유는 스로틀 밸브를 공기가 통과 할 때 발생하는 저항에 의한 것이다. 8-2. 폭발과 조기점화 폭발과 조기점화는 이미 전에 언급하였지만 여기서 좀더 자세하게 엔진의 성능과 엔진관련 변수와 연결하여 다시 언급하겠다.

A. 데토네이션 (Detonation/폭발) 데토네이션은 실린더 내에서 연료-공기 혼합기가 연소할 때 연소부분과 미연소부분으로 구분되고 연소되지 않은 부분을 말단가스라 하고, 이 말단가스가 압축되어 자연발화 온도에 도달하여 폭발하는 현상을 데토네이션이라 한다. 아래[그림 3-15]은 데토네이션의 원인과 그 효능에 대한 결과 를 보여 주고 있다. 즉, 엔진 작동 중에 실린더 안에서 발생하는 온도와 압력에 함수관계를 나타내고 있다. 데토네이션이 발생하면 폭발적인 연소에 의하여 생긴 충격파가 연소실 내에서 일어나 진동을 일으키고, 이때 가스의 진동이 실린더와 함께 공진 되면서 커다란 굉음이 일어난다. 이것을 녹킹 (Knocking) 현상이라 한다.

8-2. 폭발과 조기점화 B. 압력-체적에 대한 폭발 도해 데토네이션이 일어나면 다음 [그림]의 좌측과 같이 실린더 내 의 압력과 온도는 급격히 증가하게 된다. C. 정상 점화

8-2. 폭발과 조기점화 (Detonation and Preignition) E. 조기점화 (Preignition) 조기점화는 아래[그림]에서와 같이 정상적인 점화 플러그에 의하여 점화되기 전에 점화되는 상태를 말하 며, 조기점화는 실린더 내에서 가열된 점화플러그, 또는 탄소알맹이의 과열표면(Hot Spot)에 의하여 새로이 흡 입 되는 혼합기에 점화되어 연소되는 현상을 말한다. D. 데토네이션 (Detonation)

8-3. 압축비 (Compression Ratio) 내연기관의 압축비는 엔진의 최대출력을 만들기 위한 요인으로 다른 요소와 같이 알아두어야 한다. 엔진의 최대출력을 증가시키기 위해서 는 압축비를 증가시켜야 한다. 그러나 내연기관의 압축비를 10 : 1이상 으로 만들면 조기점화 또는 데토네이션을 일으키고 엔진과열과 함께 출력을 잃게된다. [그림 3-20]은 엔진 압축비와 압력과의 관계를 나타내고 있다. 압축비란 실린더의 피스톤이 흡입행정의 밑(BDC)에 있을 때의 실린더 용적과 압축행정에서 피스톤이 최고 정점(TDC)에 도달했을 때의 용적 에 대 한 비율을 말한다. [예] 피스톤이 BDC에 있을 때의 용적이 140 in3이고 압축행정에서 피스 톤이 TDC에 있을 때의 실린더 용적이 20in3이라면 이 엔진의 압축비 는 140/20 또는 7:1이라 한다. 일반적으로 가솔린 엔진의 압축비는 7:1을 유지하고 이 압축비를 최상의 압축비라 한다. 이 압축비보다 높으면 앞에서 말한 데토네이션이나 엔진과열을 일으켜 출력저하를 가져오게 된다.

8-4. 제동특성 연료소비량 (Brake Specific Fuel Consumption) 엔진의 성능을 측정하는 요인 중에 하나는 제동특성 연료소모량(BSFC)이다. BSFC는 각 제동마력을 만들기 위해서 시간 당 연소된 연료의 량을 말한다. 현대의 왕복엔진의 BSFC는 0.40에서 0.50(Hp/h)[0.18에서 0.226 ㎏/㎾ㆍh]이다. BSFC는 엔진의 설계요인과 작동, 체적효율, 엔진속도, BMEP, 마찰력, 등과 같은 많은 요 소에 의하여 결정된다. 최상의 BSFC량은 엔진의 최대 출력의 70%보다 조금 넘는 출력으로 순항하는 것이 좋다. 이륙출력 중에는 경제순항출력의 약 2배의 연료소비량이 요구된다. 이유는 이륙 중에는 혼합 기를 농후(Rich)하게 유지 해야 하기 때문이고, 최대출력을 위해서는 고속으로 엔진이 작동하면 엔진의 효율이 떨어지기 때문이다. 8-5. 무게-출력비 (Weight-Power Ratio) 무게-출력비는 엔진의 성능을 표시하는 중요한 다른 요소이다. 엔진 무게 당 출력비는 최 고의 적정한 출력의 제동마력을 얻을 수 있다. [예] 엔진의 기초무게가 150 lb[68.04 ㎏]이고, 출력이 100마력이라면 무게 당 출력비는 150:100 또는 1.5 lb/Hp[0.91 ㎏/㎾]이라 한다. 왕복엔진에서 무게-출력비는 1.0에서 2.0 lb/Hp[0.61에서 1.22 ㎏/㎾ 사이로 설계되나, 최고성능 의 엔진은 1.0에서 1.5 lb/Hp[0.61에서 0.91 ㎏/㎾]을 유지 한다.

8-6. 엔진성능에 미치는 고도의 영향 (Effects of Altitude on Performance) 엔진이 특정한 RPM과 MAP에서 출력은 공기밀도에 영향을 받고, 공기 밀도는 압력, 온도와 습도의 요인에 따라 변하고 엔진 성능에 영향을 미친다. 엔진의 출력은 출력 차트에 의하여 교정되어져야 한다. 첫째 밀도고도(Density Altitude)는 표준 대기압 계기에서 보여주는 압력 고도에 의하여 교정되어야 한다. 우측[그림 ]은 압력고도를 밀도고도로 환산하기 위한 차트이다. 만약에 특정한 고도에서 표준 온도와 같다면 밀도 교정은 요구되지 않는다. 단, 습도 요인은 무시한다. 다음[그림 3-32]은 콘티넨탈 O-470-M 엔진을 고도에 따른 출력을 결 정하는 차트이다. 좌측에 있는 차트는 표준 대기 해면 고도에서 기화기 흡입구에 램 공기를 적용하지 않은 것을 보여주고, 우측에 있는 차트는 좌측의 차트와 연결되어 고도 요인을 적용하여 메니폴드 압력을 적용하 는 차트이다. 차트에 표시된 각 지점은 엔진의 RPM과 MAP의 관계를 보 여주고 있다. 다음 [그림]의 좌측의 Sea-level Chart 에서 엔진 RPM과 메니폴드 압력 을 알면 제동마력을 측정할 수 있 다. 이점(점 B)에서 직선으로 평행으로 우측 차트에 선을 긋고 SL선과 만나 는 점(C)에서 그 칸 내에서 엔진 RPM에 해당되는 점(A)까지 선을 그으면 이것이 고도에 따른 교정을 하 기 위한 범위가 된다. 예로서 점D에서 가로지르는 선이 엔진의 출력을 교정해야 할 밀도 고 도이다. 엔진마력은 표준온도(TS) 밑으로 각 6℃[10.8℉]씩 감소할 때마다 1%씩 더해 주어 야 하고 표준온도(TS) 위로 6℃씩 증가할 때마다 1%식 빼 주어야 한다.

8-7. 연료-공기 혼합비의 영향 (Effects of Fuel-Air Ratio) 연료와 공기의 비율은 엔진의 성능과는 좀 먼 사항으로 연료-공기의 비는 일반적으로 고정 되어 있고 실재 작동조건에서 다른 변수와는 관계가 없다. 연료-공기 혼합비는 엔진 작동자가 Best Power Mixture와 Best Economic Mixture 인가를 선정해야 할 사항이다. 항공기 엔 진에서의 Best Power Mixture는 특정한 rpm에서 최대의 출력을 만들어 내는 것이고, Best Power Mixture는 연료-공기 혼합기를 낮은 BSFC로 만들어 주는 것을 말한다. 8-8. 엔진성능에 미치는 다른 형태의 요인 (Other Variables Affecting Performance) 항공기의 엔진성능을 결정하는 요인은 여러 가지가 있으나, 그 이외에 기화기공기흡입구의 램(Ram)압력, 기화기의 공기온도, 물-증기 압력과 배기역류압력 등이 있다. 󰊱 대기압력 (Ram Air Pressure) 기화기 공기흡입구의 공기압력은 입구의 모양과 공기의 흐름속도에 의하여 결정된다. 대 기의 공기압력은 엔진으로 들어가는 공기를 과급(Supercharging)시켜 사용하므로 표준조건 아래 보다 실재출력을 크게 만든다. 이것을 실험식으로 표시하면 다음과 같다. Ram = (V2/2024)-2 이 식에서 Ram의 단위는 Inch of Water이고, V는 mph 이다. 󰊲 기화기 공기온도 (Carburetor Air Temperature/CAT) 기화기 공기온도는 밀도와 질량에 영향을 주기 때문에 중요한 요인이다. 만약에 CAT가 높으면 데토네이션의 원인이 된다. 만약에 과급 기가 장착된 엔진이라면, CAT보다 메니폴드 내의 혼합기 온도가 조금 높다. 그것은 혼합기가 실재로 엔진으로 들어갈 때 축적되기 때 문 이다. 표준대기법칙에 의하여 온도 요인에서 표준 온도 이하에서는 6℃ 내려갈 때마다 출력마 력에 1%을 더하고, 표준온도 이상에서는 6℃ 올라갈 때마다 1%씩 빼 주어야 한다. 󰊳 수분과 증기압력 수분과 증기압은 엔진이 높은 습도에서 최대출력에 가까운 출력으로 작동할 때 결정해야 할 요인 중에 하나이다. 습도가 높으면 최대 출력의 약 5%가 손실되고 이륙 거리는 길어지게 될 것이다. 󰊴 역 배기압력 (Exhaust Back Pressure) 역 배기압력은 엔진의 성능을 결정하는 요인으로 작용한다 그 이유는 높은 대기압이 배 기구를 통하여 실린더 내로 들어오면 체적효율 을 감소시키기 때문이다. 그래서 엔진의 배기 구는 제작사에서 설계할 때 배기 구를 통하여 대기압이 역류하지 않도록 하기 위해서 여 러가지 장치를 마련하여 놓았다.