제5장 공기유도계통과 과급기, 냉각, 배기계통 (Induction Systems, Superchargers, Turbochargers, and Cooling and Exhaust Systems)

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1 제5장 공기유도계통과 과급기, 냉각, 배기계통 (Induction Systems, Superchargers, Turbochargers, and Cooling and Exhaust Systems)

2 개 요 (General Description)
항공기 엔진 공기 유도계통 (공기흡입계 통)은 기본적으로 3가지 부분을 포함하고 있다. ① 공기 흡입구와 덕트, ② 기화기, 분사 계통의 공기조절 부분, ③ 공기 흡입 덕트와 파이프. 이러한 부분은 공기를 엔진으로 끌어들이기 위한 장치로 공기를 통과시키고, 조절 되어 진다. [그림5-1]은 기본적인 공기유도 계통이다.

3 2. 흡입계통의 기본 구성부품 2-1. 공기 스쿠프와 덕트 (Air Scoop and Ducting)
2. 흡입계통의 기본 구성부품 2-1. 공기 스쿠프와 덕트 (Air Scoop and Ducting) 과급기가 없는 엔진의 덕트계통은 4가지 기본부품은 ① 공기 스쿠프, ② 공기 필터, ③ 보 조 공기밸브, ④ 기화기 공기가열기 또는 히터머프로 구성되어 있다. 공기 스쿠프의 타입은 공기가 흘러 들어가는 입구로 외부의 공기를 끌어들이기 위한 입구로 프로펠러의 후류에 의하여 공기 흐름 을 증가시킨다. 공기속도는 적은 량의 공기를 압축하 는 효과를 주기 때문에 엔진에 들어가는 총 공기의 량은 추가되고 출력을 약 5% 증가시키는 요인이 된다. 공기 도관은 비금속 물질을 주조하거나 또는 유연성이 있는 호스를 사용하며 여러 가지 부분품이 포 함되어 있다. 2-2. 공기필터 (Air filter) 공기필터는 앞쪽[그림]에서 공기 흡입구 가까운 곳에 위치하고 있으며, 그 목적은 엔진으로 들어가는 공기 속에 포함되어 있는 먼지, 모래 기타 외부 물질을 걸러 내는 역할을 한다. 또 한 필터는 엔진으로 들어가는 공기의 압력을 감소시켜 엔진의 출력을 줄이는 역할 을 한다. 필 터의 종류는 습식철망필터(Wetted-type Mesh Filter), 건식종이필터(Dry Paper Filter), 폴리 우레탄 거품필터( Poly- urethane Foam Filter) 3가지가 있다. 습식철망필터는 필터의 일정한 틀에 미세한 철망으로 된 매트를 끼워 만들어진 것으로, 이 철망 매트에 특정한 오일에 적셔 놓은 것 으로 공기가 이 매트를 통과할 때 공기 속에 포함되 어 있는 먼지, 모래 등과 같은 이물질이 오일 피막에 붙어 제거시키는 방식의 필 터이다. 건식종이필터는 자동차의 공기필터와 같은 것으로 삼투성이 있는 종이를 주름상자 모양으로 제작한 것으로 공기가 이 필 터 엘러먼트(Filter Element)를 통과할 때 공기 중에 포함된 먼지, 모래와 같은 이물질이 걸러지는 형태로 이 필터는 시한성 품목으 로 일정한 시간 사용하면 교환해 주어야 한다. 거품형식 필터는 현대 항공기에 사용되는 새로운 모양으로 폴리우레탄 (Poly-urethane)을 이용하여 습식필터로 제작된 것으로 그 역할과 기능은 다른 필터와 동일하다. 또한 교환이나 점검방법도 같다. 필터의 서비스, 점검, 검사, 교환 등은 제9장에서 상세히 설 명하겠다.

4 2-3. 교체공기밸브 (Alternate Air Valve)
보조 공기밸브는 엔진으로 들어가는 공기 가 필터 또는 기타의 부분품이 막혀 흐르지 못할 때 공기를 공급하기 위해서 설계된 장치이다. 이 밸브는 조종실에서 조종사에 의 해서 또는 자동적으로 작동한다. 교체 계통 의 공기는 거르지 않은 외부 공기 또는 엔 진으로부터 더운 공기를 이용한다. 만약에 공기 유도 계통이 막히거나 차단되었을 때 사용한다. [그림 5-2]은 엔진으로 들어가는 공기를 흐르게 하는 보조공기 밸브의 도해로서 기화 기로 들어가는 공기통로에 결빙되어 공기 흐름이 원활하지 못할 때 더운 공기를 흘려 보내 결빙된 어름을 녹여 공기의 흐름을 원 활히 하게 한다.

5 2-4. 기화기 가열밸브와 히터 머프 (Carburetor Heat Valve and Heater Muff)
󰊱 기화기 가열밸브 기화기 가열공기밸브는 [그림 5-1]에서와 같이 기화기의 가열을 조종실에서 제어한다. 이 밸브는 간단한 게이트(Gate)로 조종실로 부터 작동 신호를 받으면 주 공기 덕트 쪽으로 게이 트는 닫치고, 히터머프(Heater Muff) 쪽은 열려 더운 공기를 기화기로 흐르게 한다. 정상 작 동중에는 히터 머프 쪽은 닫치고 주 공기덕트 쪽은 열린다. 즉, 이 게이트는 스프링 힘에 의 하여 정상 위치를 유지하 고 있다가 기계적인 수동작동에 의하여 움직인다. 󰊲 히터머프 히터머프는 엔진의 배기가스 파이프의 주변을 둘러쌓고 있는 원통형의 덮개로 중간에 공 간이 마련되어 있다. 또한 덮게 의 양쪽 끝 부분에는 공기가 흐를 수 있는 구멍이 마련되어 있으며 공기는 배기파이프와 덮게 사이로 흐르게 한다. 덮개의 공기흡입구는 엔진 격실 안으 로 연결되어 있고 배출구는 기화기 주 공기덕트와 연결되어 있다. 만약에 기화기 결빙이 예상되어 조종실에서 작동 손잡 이를 당기면 게이트가 히터 머프 쪽을 열면 엔진 격실로부터 들어온 찬 공기는 배기 파이프 주변을 돌아 흐르며 열교환 (Heat Exchange) 작용에 의하여 공기는 더워져 기화기 주 공기 덕트로 보내 결빙을 녹여 준다. 엔진이 높은 출력으로 작동하기 전에 이 히터를 사용하면 데토네이션과 엔진출력을 감소시키는 원인이 된다. 2-5. 흡입 메니폴드 (Intake Manifolds) 대향형 항공기 엔진의 공기 유도계통의 형태는 각각 실린더마다 유도 파이프가 있다. 이러 한 형의 한가지 모델은 파이프의 한 쪽은 플 랜지에 볼트에 의하여 장착되어 있고, 다른 한 쪽은 슬립 조인트(Slip Joint)에 의하여 메니폴드에 고정되어 있다. 다른 모델은 한쪽 끝에 고무 (합성고무) 호스가 크렘프에 의하여 연결되어 있다. 이러한 타입의 다른 모델은 기화기는 오 일섬프 위에 장착되어 있고, 연료-공기 혼합기의 흐름은 오일섬프 안의 통로를 지나 개별적 인 엔진 실린더로 흘러 들어간다. 이러한 형태는 혼합기가 오일섬프를 통과할 때 오일과 연료 -공기 혼합기가 열을 교환하여 혼합기는 온도가 상승하여 기화되고, 오일은 연료에 의하여 냉각시키는 역할을 한다. 이렇게 뜨거운 오일을 근처를 지나거나 또는 배기 파이프 근처를 지 나면서 열을 교환하는 상태를 열 반점(Hot Spot)이라 한다. 󰊱 가스 기밀실의 중요성 엔진의 기화기와 실린더 사이의 공기 흡입기에서 중요한 것은 엔진 작동중에 공기가 새 지 않도록 유지하는 것이다. 과급기가 없는 엔진에서는 항상 메니폴드 절대압력(MAP)은 대 기압보다 낮다. 이때 공기의 누설이 있다면 연료-공기의 혼합기는 희박하게 될 것이 다. 이것 은 엔진의 과열(Over Heat), 데토네이션(Detonation), 역화(Back Fire), 또는 엔진의 정지의 원인이 된다. 흡입 계통의 작 은 누설은 공기 흡입메니폴드와 대기압 사이의 차압이 증가하게 되고 엔진 회전수는 감소하는 경우가 발생하게 된다. 과급기가 있는 엔진에서 만약에 공기 흡입 계통 또는 파이프에 누설이 있다면 출력의 감소와 연료의 소모가 많아지게 된다. 위와 같은 이유로 공기 흡입 계통의 누설 방지는 엔진성능에 큰 영향을 주므로 엔진 공기흡입 파이프의 연결부분에는 합성고무패킹 링 이나 또는 가스켓을 이용하여 기밀 시켰다.

6 2-6. 6-실린더 대향형 엔진의 흡입 계통 [그림 5-3]은 콘티넨탈 엔진에 공기흡입계통의 주요한 부분품
실린더 대향형 엔진의 흡입 계통 [그림 5-3]은 콘티넨탈 엔진에 공기흡입계통의 주요한 부분품 의 도해이다. 이 계통은 공기 흡입박스 우측 후방을 통하여 외부 공기가 후방으로 연결된 덕트를 지나 공기 필터를 통하여 터 보과급기와 연료-공기 조절기로 들어간다. 필터와 연료-공기 조절기 사이에는 보조공기밸브가 위치하고 있어 주 공기덕트 또는 히터 덕트 중에 어느 한쪽은 닫고 있으며 조종실에 있는 조절 레버 또는 필터가 막혔을 때 자동 또는 수동으로 작동하여 엔진 낫셀(Nacell)부분 또는 엔진으로부터 뜨거운 공기를 공급한다. 연료-공기 조절기로부터 공기는 메니폴드 파이프를 통하여 각 실린더에 공급된다. 이 파이프는 “Y”자 형으로 분리되어 2개가 양쪽 실린더로 분리 공급된다. [그림]에서 “Y”형으로 분리된 파이프의 앞쪽의 끝 부분에는 균형 파이프가 마련되어 양쪽 메 니폴드 압력을 일정하게 균형을 만든다. 각각의 실린더와 연결 되는 짧은 부분을 실린더 흡입구로, 연료 직접분사식 엔진에서 는 이 부분에 연료를 직접분사 시킨다. 엔진 공기유도 계통에서 강조할 것은 여러 가지 형태의 엔진작동에 따른 많은 형태로 설 계되어야 한다. 또한 이 계통은 여러 가지 종류의 구성요소가 포함되어 있으며 작동 조건에 충족할 수 있도록 설계되어야 한다.

7 2-7. 흡입계통의 결빙 공기유도계통의 결빙은 엔진 작동 중에 대단히 위 험한 상태로 연료-공기의 흐름을 차단하던가 또는 공기와 연료의 혼합비를 변하 게 한다. 공기유도계통 의 결빙은 항공기가 비행 중에 구름, 안개, 비, 진눈깨비, 눈 또는 청명한 날씨에 높은 습기가 포함되어 있을 경우에 발생한다. 공기유도계통의 결빙은 일반적으로 3 가지 형태가 있다. ① 공기 충돌에 의한 결빙 (Impact Ice), ② 연료증발에 의한 결빙 (Fuel Evaporation Ice), ③ 스로틀 작동에 의한 결빙 (Throttle Ice) 공기 유도 계통의 결빙에 대한 자세한 설명은 “제6장 연료조절계통”에서 취급하겠다. 어떠한 형태의 결빙이라도 공기 유도 계통 (에어 스쿠프)의 기화기와 실린더의 흡입구 사이의 흡입 메니폴드에 일어나며, 이러한 결빙은 외기온도와, 습도, 엔진 작동조건에 따라 형성된다. 만약에 공기 스쿠프와 기화기 유도 덕트가 결빙점 이하의 온도에서 공기 중에 포함된 습기가 흡입 덕트의 스크린 에 부딪쳤을 때 발생하는 결빙을 공기충돌에 의한 결빙이라 한다. 또한 덕트 내에 조그마한 돌출부에도 유사한 형태의 결빙이 발생 한다. 결빙이 감지되면 엔진 스로틀 위치가 고정되어 있다면 출력이 떨어지는 결과를 가져오고, 고정피치프로펠러가 장착 되었다면 프로 펠러의 회전수가 감소하게 되며, 정속 프로펠러가 장착되었다면 메니폴드 압력 이 감소하고, 엔진 출력이 감소한다. 단 엔진 회전 수를 정속이라 할 때 항공기에는 위에 서술 한 결빙에 대한 것을 감지하기 위해서 기화기 공기온도계기를 장착하여 기화기로 들어 가는 공기의 온도를 읽을 수 있도록 하여 결빙 조건이 발생하면 조종실에 있는 보조 공기 밸브 (Alternate Air Valve) 조종레버를 작동시켜 보조 공기 밸브를 통하여 뜨거운 공기를 기화기 공기 유도 덕트로 보내 결빙을 방지한다.

8 3. 과급기(Supercharger)와 터보 과급기(Turbocharger)의 원리
3-1. 개 요 과급 (Supercharging/過給)과 터보-과급 (Turbocharging)는 엔진을 높은 고도에서 최대출력 을 요구하던가 또는 최대이륙출력을 얻기 위해서 사용되는 엔진구성부품이다. 높은 고도에서 과급기가 없는 엔진에서는 엔진 공기흡입계통으로 들어가는 공기의 밀도 가 감소하고, 그 원 인으로 엔진출력이 떨어지는 결과가 된다. 과급기 계통은 [그림]에서와 같이 엔진 흡입구에 원심력 형 공기 압축기를 이용하고 있다. 과급기는 엔진 크랭크축 또는 배기가스 에 의하여 구동된다. 높은 고도에서 엔진으로 흐르는 공기흐름의 증가로 인한 밀도의 감소를 보상하기 위하여 엔진 에 과급기를 장 착하였다. 공기를 압축시키는 이유는 고도를 보상하기 위한 것으로 엔진으로 들어가는 공기의 압력(MAP)을 항상 지상의 압력보다 높은 30 inHg ( ㎪)로 승압 시켜 엔진의 출력을 올리는데 있다. 어떤 높은 출력의 엔진은 MAP 를 35에서 48 inHg로 승압 시키는 것 도 있다. 이러한 장치를 해면고도 과급기(Sea-Level Supercharger) 또는 지상 승압 송풍기(Ground Boost Blower)라 하며, 이러한 엔진구동형 압축기는 MAP를 30 inHg를 초과지 않도록 하며, 이 압축기를 Normalizer라 부른다 터보과급기(Turbocharger)는 터빈에 의하여 구동되는 과급기를 말하며 터빈을 구동시키는 힘은 엔진배기로부터 고속의 배기가스 에 의하여 구동된다. 이 과급기는 MAP를 30 inHg (101.61㎪) 이상으로 승압 시키며, 일명 터보-과급기(Turbo-Supercharger)라 한다.

9 3-2. 압축과 공기의 특성 (Properties of Gases as Related to Supercharging)
우리는 가스의 무게, 체적, 밀도에 대해서 잘 알고 있다. 모든 물질은 고체와 유체로 구분하고, 다시 유체를 분리하면 기체와 액체 로 구분한다. 이러한 3 가지 형태의 물질은 그 무게를 가지고 있다. 그러나 기체의 무게는 어떤 조건 아래에서만 일정하다는 것도 알았다. 예로서 해면고도의 압력에서 공기의 체적이 13 ft3[ ℓ],무게가 1 lb[0.45 ㎏]이다. 그러나 동일한 체적에서 압력을 증가시키면 무게가 같이 증가하고, 압력이 내려가면 무게도 감소한다. 그러 나 질량과 무게는 같지 않다. 일반적인 사람들은 이것 을 구분하지 않고 함께 사용한다. 가스 에 관련되는 여러 가지 법칙이 있으나 여기서는 보일의 법칙을 이용하여 체적과 압력과의 관계를 [그림]에 의하여 설명하겠다. [그림 5-6]에서 실린더에 같은 량의 가스를 넣고 움직일수 있는 피스톤을 고정시킨 상태에서 온도를 일정하게 유지하고 보일의 법칙에 따라 체적과 압력과의 관계를 살펴보자. 좌측 그림에서 가스의 체적이 15ft3 [424.4 ℓ] 압력이 10 psia[69.95 ㎪]일 때 무 게가 1 lb[0.45 ㎏]이 라 하면 우측그림에서 압력을 20 psia로 두 배 증가하면 체적이 고정되어 있으므로 무게는 2 배인 2 lb[0.91 ㎏] 이 되는 것을 알 수 있다.

10 아래 [그림 5-7]에서 좌측에 있는 실린더의 체적이 10 in3[0
아래 [그림 5-7]에서 좌측에 있는 실린더의 체적이 10 in3[0.17ℓ]이고, 압력이 15 psia 일 때 가운 데 있는 그림과 같이 피스톤을 밀어 넣어 체적 을 반으로 줄이면 압력은 30psia로 증가하며, 우 측에 있는 그림과 같이 피스톤을 끌어올려 체적 을 2배로 증가시 키면 압력은 1/2로 줄어든다는 것을 알 수 있다. 위의 실험에서 공기의 밀도를 생각하면 가운데 있는 실린더의 공기 밀도는 2 배 로 증가하고 오른쪽 그림에서는 밀도가 반으로 줄어든다는 것을 알 수 있다.

11 지구를 둘러쌓고 있는 공기의 무게는 해면고도에서 물체에 가해지는 압력으로 나타 낸다. [그림5-8]에서 해면고도보다 높아지면
압력, 밀도, 온도는 내려간다. 고도가 20,000 피트[6,096 m]에 도달하면 압력과 밀도는 해면고도의 약 반으로 줄어든다. 그림에서 10,000피트에서는 3/4, 30,000 피트에서는 1/3, 40,000피트에서는 1/4로 줄어듦을 알 수 있다. 내연기관에서 엔진의 출력을 내기 위해서는 유도되어 들어오는 공기의 량에 따라 결정된 다는 것은 잘 알고 있다. 어떤 엔진에서 과급기가 없이는 유도되는 공기의 량만을 가지고 피스톤의 움직인 거리 에 따른 체적효율만 얻을 수 있다. 그러나 엔 진 출력을 증가시키기 위해서는 공기의 압력 을 증가시켜 밀도를 높이는 역할을 하는 과급기나 또는 터보과급기를 장착하여 엔진 실린더로 들어가는 공기의 량을 증가시켜 체적효율 을 높여 엔진 출력을 증가시켰다. 위에서는 체적과 압력에 관계를 설명하였고, 지금은 체적과 온도, 압력과의 관계를 설명하기로 한다.

12 좌측[그림 5-9]에서는 온도와 체적의 관계를 도해한 것으로 가스의 압력을 일정하게 하고 온도 를 올리면 체적은 증가한다는 것을 불 란서의 수학자이자 물리학자인 Jacues A.C. Charles ( )가 발견한 것을 샤르의 법칙(Charles' Low)이라 하며, 식으로 표시 하면 V1/V2 = T1/T2이다. 좌측[그림]에서 첫 번째 실린더의 가스온도가 0℃[273 K (Kelvins)]이다. 여기서 온도를 273℃[546 K]인 절대온도까지 상승시켰더니 체적이 2배로 증가하였다. 만약에 10℃[283 K]일 때 가스의 체적이 10 ft3[283.2ℓ]이었다. 이 가스를 100℃[373 K]로 올렸을 때 체적을 구하면 샤르의 법칙에서 10/V2 = 283/373, 283V2=3730 , V2= 3730/283 = ft3[ L]이다. 위의 결과에서 온도가 상승하면 체적이 증가하는 것을 알았다. 그러면 우측[그림]에서 압력과 온도의 관 계를 알아보자. 그림에서 체적을 일정하게 유지하고 가스의 온도를 0℃ 에서 273℃로 오렸더니 압력이 2배 로 증가하였다. 이것을 식으로 표시하면 P1/P2=T1/T2 volume constant 다만, 위의 식에서 체적은 일정하다.

13 3-3. 메니폴드 압력 (Manifold Pressure)
메니폴드 절대압력(MAP : Manifold Absolute Pressure)은 엔진의 공기흡입도관의 압력이 다. 엔진 실린더로 들어가는 연료-공기 혼 합기의 무게는 혼합기의 온도와 MAP에 의하여 측정 된다. 엔진이 작동할 때에는 공기유도덕트로 공기가 지날 때 공기 마찰력에 의하여 대기압보다 낮아지는 것이 정상이다. 이러한 상태를 보상하기 위해서 엔진에 과급기를 장착하여 덕트의 압 력을 대기압보다 높게 만들 어 준다. 과급기가 작동할 때에는 대기압보다 높고 낮음은 과급기 조종과 스로틀의 설정에 따라 결정된다. 정속프로펠러가 장착된 엔진 에서 높은 성능을 얻기 위 한 중요한 것은 설정된 MAP을 벗어나지 말아야 한다. 만약에 MAP가 높다면 데토네이션과 엔진 과열의 원인 이 되며 엔진의 파손을 가져온다. 3-4. 공기 과급의 목적 (Purposes of Supercharging) 항공기엔진에서 공기압축이 요구되는 주요한 목적은 MAP를 대기압보다 높게 만들어 이륙 시에 높은 출력과 또는 비행기가 높은 고도 로 비행할 때에 정격출력을 만들 수 있도록 하기 위한 것이다. MAP를 증가시켜 엔진출력을 증가시키는 두 가지 방법은 다음과 같다. 󰊱 엔진 실린더로 이송되는 연료-공기 혼합기의 무게를 증가시킨다. 온도가 일정할 때 연료-공기 혼합기의 무게는 혼합기의 압력에 따라 변한다. 만약에 주 어진 체적에 가스의 압력을 증가시키면 가스의 무게가 증가하고 따라서 밀도가 증가하게 된 다.

14 󰊲 압축압력의 증가. 엔진에 주어진 압축비는 일정할 때 압 축 행정의 시작에서 연료-공기 혼합기의 압력을 높이는 방법은 압축공기의 압력을 증가시키 면 압축행정의 끝에서 혼합기의 압력이 증가하게 되고, 높은 압축압력은 MEP가 높아져 엔진출력은 자연히 높아지 게 된다. 아래의 [그림]은 압축 압력의 증가 를 도해한 것이다. [그림 5-11]의 좌측 실린더의 압축행정의 시작에서 압력이 36 inHg[ ㎪]이다. 두 번째 실린더는 압축행정의 끝에서 실린 더의 압력이 270 inHg[ ㎪]가 된다. 이러한 경우는 낮은 흡입압력에 인한 결과이다. [그림5-11]의 3번째 실린더에서 실린 더의 압축행정 시작에서 흡입압력을 45 inHg [154.42㎪]로 증가시켰을 때 압축행정의 끝에서 405 inHg [1,371.74㎪]로 증가된다. 이것은 높은 흡입공기의 압력증가에 의한 것이다.

15 󰊲 마력과 MAP 사이의 관계 (Relation Between Horsepower and MAP) MAP와 마력(Hp)의 관계는 [그림]에서 엔진 최대회전수에서 메니폴드 절대 압력과 엔진출력과의 관계를 보여주고 있다. [그림5-12]에서 가로축은 MAP를 수은주 높이로 세로축은 마력을 나타내고 있다. 대기압 30 inHg에 서 가로 축을 따라가면 곡면과 만나는 점에서 세로축 따라가 보면 550 마력 [410.14㎾가 된다. 이것은 과급 시키지 않은 상태의 엔진의 출력을 표시하 고 있다. 과급기가 있는 엔진에서 흡입덕트의 MAP를 45 inHg[ ㎪]로 올렸을 때의 출력은1050 Hp[ ㎾]로 출력이 증가한다.

16 3-5. 공기 과급의 제한 (Supercharging Limitations)
엔진의 흡입 공기의 압축은 엔진으로부터 나오는 출력에 다른 요인과 함께 작용한다. 그 중 에 하나의 요인은 온도이다. 공기가 압축되면 온도도 함께 상승하고 공기의 온도를 증가시켜 팽창하게 되어 과급기의 효율을 감소시키게 된다. 즉, 공기 온도가 증가 하면 따라서 엔진효율도 감소하게 된다. 그러므로 연료-공기의 혼합기의 온도는 필히 차가워야 한다. 만약에 연료-공기 혼합기의 온도가 과도하게 높아지면 조기 점화 와 데토네이션이 발생하게 되고 엔진의 출력을 잃게 된다. 공기 압축으로 온도 상승과 실린더 의 압축으로 열은 추가된다. 이러한 이유로 과 급기와 실린더의 압축이 혼합되기 때문에 제한 을 두어야 하고, 그 제한은 안티녹크성 또는 엔진연료의 옥탄 값에 의하여 결정된다. 만약 과급기가 설계되었다면 해면 고도에서의 대기 압 14.7 psi에서 20 psi [101.36에서 ㎪]의 압력을 만들어 과급기가 없는 엔진보다 약 40%의 출력을 더 낼 수 있다. 즉 과급기가 장착되어 있는 엔진이 1000Hp[745.7㎾]을 출력을 가지고 피스톤 배기량에 의한 출력이 1000-Hp라 할 때 과급기가 없다면 피스톤 배기에 의한 출력은 710 Hp [ ㎾]의 출력밖에 못 낸다. 해면고도에서 과급기가 공기를 압축시켜 만들 어 낼 수 있는 출력과 고도에 대한 관계를 해면고도 과급기가 있는 것과 없는 것을 비교한 것 을 [그림]에서 보여주고 있다.

17 3-6. 내부구동과 외부구동 과급기 (Internal and External Supercharges)
대기의 항공기에 사용하는 과급기는 고속으로 회전하는 임펠러(Impeller)를 이용하여 공기 또는 혼합기를 압축시키는 역할을 하며 장착 위치에 따라 내부구동형과 외부구동형이 있다. 과급기가 기화기와 실린더 흡입구 사이에 위치하고 있으면 내부구동 형 과급기라 하며, [그림 5-14]에 도해되어 있다. 공기는 흡입구를 통하여 기화기로 들어와 연료와 혼합되어 대기압에 가까운 압력으로 기화기를 떠나 과급기를 지나며 대기압보다 높게 압축되어 엔진 실린더로 들어간다. 과급기 임펠러는 엔진 크랭크축에 의하여 구동되며 높은 변속비에 의하여 크랭크축보다 빠르게 회전한다. 만약에 변속비를 조절할 수 있는 2가지 속도로 작동되면 이러한 과급기를 2-단 속도 과급기라 한다. 일반적으로 내부구동형 과급기는 대단히 높 은 고도 또는 기화기 흡입압력을 낮게 요구될 때에는 사용하지 않는다.

18 외부구동형 과급기는 기화기로 들어가는 공기를 압축시키는 압축기로서 [그림] 에 도해되어 있다. [그림]에서 외부 구동형 과급
기는 기화기로 들어가는 공기를 압축시켜 냉각기를 거쳐 기화기로 보내 압 축된 공기와 연료를 혼합하여 실린더로 이송한다. 외부구동형 과급기는 터빈 브레이드를 엔진 배기 가스를 이용하여 터빈을 구동하여 압축기를 구동시킨다. 압축의 속도 는 터빈을 구동시키는 배기가스의 량을 Waste Gate로 조절하여 압축기 임펠러의 속도를 조절한다. 이러한 과급기를 터보-과급기 또는 다회전 과급기라 한다.

19 4. 내부구동형 1단 과급기 (Internal Single-Speed Supercharger)
실린더 대향형 엔진의 과급기 내부구동형 1단 속도의 과급기는 구형 항공기엔진에 사용하던 것으로 실린더의 흡입구와 기화기 사이에 위치한 기어구동 임펠러로 구 성되어 있다. [그림]은 1단 속도 과급기의 대표적인 도해이다.

20 󰊱 성형엔진의 1단 과급기 (Single-speed Supercharger for a Radial Engine)
높은 출력의 성형엔진의 후방 부분에 장착 되어 있는 것으로 연료-공기 혼합기는 기화기를 거쳐 과급기 또는 블로워(Blower) 로 보내 진 다. 과급기에서 압축된 혼합기는 디퓨져 (Diffuser) 부분과 개개의 흡입파이프를 통하여 엔진 실린더로 공급된다. 또한 과급기는 내부 임펠러에서 분사하고 증기로 만들어 모든 실린더에 동일하게 공급하도록 한다. [그림 5-17]은 Pratt and Whitney R-985 엔진의 과급기부분으로 엔진의 과급기 케이스에 임펠러가 장착되어 있고, 후방 케이스에는 디퓨져 베인이 마련되어 연료-공기 혼합기를 9 개의 흡입 파이프로 분배한다. 임펠러는 엔진에 의하여 구동되며, 크랭크축 속도의 10 배의 속도로 회전한다. 이때 최대 MAP는 37.5 inHg[ ㎪]이고 출력은 450 Hp[ ㎾]가 된다.

21 5. 터보차져 (Turbocharger) 터보차져 (터빈구동형 과급기)는 엔진배기로부터 가스출력을 받는 터빈에 의하여 압축기 부 분이 구동되는 외부구동형 과급기이 다. 압축기는 외부공기를 받아 압축시켜 내부에 있는 냉각기를 통과시켜 온도를 낮게 만들어 기화기 또는 연료분사기로 보낸다. [그림 5-18]은 터빈 구동형 과급기의 기본 구성품과 그 기능을 도해한 것이다. 만약에 기화기로 들어가는 압축공기의 온도 가 높게 되면 엔진작동 중에 데토네이션이 발생되는 원인이 된다. 그림에서 터빈은 배기가스에 의하여 작동되며 터빈의 작동 속도는 Waste Gate의 열리는 각 도에 따 라 터빈을 통과하는 가스의 량을 조절하여 터빈의 속도가 조절된다. 터보차져는 일반적으로 임계고도 이상에서만 작동하도록 설계되어있다.

22 5-1. 소형항공기에 사용하는 터보차져 (Turbochargers and Normalizers for Light-Aircraft Engines)
소형의 경비행기에 장착되어 있는 터보차져는 [그림]에 도해되어 있다. 각 실린더의 배기파이프는 주 배기덕트에 연결되어 있다. Waste Gate는 배기가스 배출구 가까운 곳에 위 치하고 있으며, Waste Gate가 닫치면 배기가스는 직접 터빈으로 흘러 터빈을 구 동시키고 터빈을 구동시킨 가스는 다시 엔진 배기가스와 함께 엔진 바깥으로 배출된다. 특정한 터보차져 는 고도가 피트 이상에서는 작동하지 못하도록 설계되어 있다. 이것은 과급기 없이도 최대출력을 낼 수 있는 고도이기 때문이다.

23 󰊱 개 요 이 유니트의 구성은 정밀하게 균형된 회전축에 축류형 터빈이 한쪽 끝에 장착되어 있고, 반대쪽 끝에는 원심력 압축기 임펠러가 장착 되어 하나의 하우싱에 둘러싸여 있다. 터보차져의 주요한 구성품은 [그림 5-20]에서와 같이 몸체는 주물 기계 가공되었으며 터빈과 압축기 임펠러 주물하여 기계가공하고 연마하여 제작되어 있다. 터빈은 엔진 배기가스에 의하여 구동하여 압축기 임펠러를 구동시켜 기화기 흡입구에 높은 압력을 공급한 다. 이렇게 높여진 압력은 공기의 무게를 크게 하여 엔진 출력을 증가시킨다.

24 좌측[그림 5-21]은 기화기 에어 덕트와 터보차져의 사진이고 , 우측[그림]은 도해한 그림이다
좌측[그림 5-21]은 기화기 에어 덕트와 터보차져의 사진이고 , 우측[그림]은 도해한 그림이다. 이 두 개 의 그림을 비교하면서 작동 원 리를 알아보자. 기화기 공기 박스의 스윙체크밸브는 터보차져가 작동하지 않을 때 흡입 작동 중에 자연스럽게 열린다. 체크밸브는 자동적으로 작 동하며 외기 압력보다 터보차져에서 승압 된 압력이 클 때 닫친다 웨스트 게이트(Waste Gate)는 배기덕트의 출구 쪽에 위치하고 있으며, 이 게이트가 열 리면 배기 가스는 직접 터빈을 회전시키고 따라서 압축 기가 회전하여 공기를 압축시켜 기화 기 공기 박스로 이송시킨다. [그림5-22]에서 기화기 가열은 보조공기 덕트 (Alternate Air Duct)를 통하 여 이루어지며, 기화기 가열은 보조공기 밸브(Alternate Air Valve)가 닫치면 외부로부터의 공기는 차단되고 가열기 머프를 통하여 공기가 흐른 다. 기화기 가열기가 사용 되지 않았을 때 터보차져는 5 inHg[16.94 ㎪]높게 승압 된다.

25 󰊲 윤활계통 터보차져의 윤활유는 엔진 조속기 (Governor), 연료 펌프, 2중 구동 패드(Dual-drive Pad) 위의 피팅에 연결된 관을 통하여 공급 된다. 피팅과 윤활유 공급 관을 포함한 모든 윤활유 압 력은 압력조절 포핏 밸브를 통하여 60psi에서 80psi[414에서 552 ㎪]로 공 급되며, 터보차져로 들어가는 오일압력은 30psi에서 50psi[207에서 345 ㎪]로 조절되어 공급된다. 이 압력범위는 1～2 Qt/min 정도의 오일을 공급하는 량이다. 만약에 과급기 윤활유 공급압력이 27에서 30 psi[186에서 207 ㎪]이하로 떨어지면 적색 경고등 (Red Warning Light)이 들어온다. 󰊳 조절 터보차져의 작동은 이전에 설명한 것과 같이 웨스트 게이트의 닫쳐있는 각도에 따라 결정된다. 웨스트 게이트의 작동은 조종석에 있는 조종핸들을 작동하면 푸쉬-풀 케이블 (Push-Pull Cable)에 의하여 게이트가 열리고 닫친다. 게이트를 통하여 흐르는 배기가 스의 량에 따라 터빈의 속도가 결정된다. 󰊴 작동 특정한 터보차져는 고도 4,000에서 6,000 피트[1,219에서 1,829 m]이상에서만 사용하도록 설계되어 있다. 지상에서 작동중인 엔진은 과급기가 없는 엔진 작동과 같으며 항공기가 상승 중에 일정한 고도에 도달하면 출력이 떨어지게 되고, 이때 조종사가 스로틀을 더 열게 되면 웨스트 게이트는 서서히 닫치면서 터보차져가 구동되어 MAP를 28 inHg[94.83 ㎪]을 고도 20,000 피트 [6,096 m]까지 유지한다. 항공기가 상승을 위해서 엔진 작동 조건은 다음과 같다. 1. 최대 2400 rpm에서 최소 2200 rpm까지 터보차져 작동 2. 최대 MAP가 25에서 28 inHg[84.67에서 ㎪] 3. 실린더 헤드 온도가 최대 400 ℉에서 475℉[204.44℃에서 ℃]에서 터보차져 작동 4. 기화기 흡입구 공기 온도가 100℉에서 160℉[37.78℃에서 71.12℃]범위에서 출력선택에 따르거나 또는 외기온도에 따라 작동. 항공기가 순항고도에 도달하면 MAP는 23에서 25 inHg[77.9에서 ㎪] 엔진속도는 2,200에서 2,300 rpm으로 감속하여 항공기 는 순항 속도로 교정되고 연료-공기 혼합기는 최상의 경제-혼합기로 조절한다. 즉 엔진출력을 75%이하로 줄이고 혼합기 조절 레버를 서서히 뒤로 당겨 희박하게 만들면 MAP도 서서히 떨어진다.

26 5-2. Textron Lycoming Automatic 터보-슈퍼차져
여기서는 Textron Lycoming TIO-540-A2A 엔진에 장착된 자동 터보차져에 대하여 알아 보자. 이 엔진은 Sea-Level Boosted Engine으로 해면 고도에서 터보차져가 작동이 가능한 엔진으로 작동범위는 해면고도로부터 약 19,000 피트[5, m]까지 이다. 해면고도에서 이 엔진에 터보차져를 장착하지 않았을 때는 290마력을 낼 수 있으나 여기에 터보차져를 장착하면 MAP가 약 10 inHg만큼 더 승압 되 어 엔진 출력은 310마력으로 상승 한다. 이렇게 상승된 엔진출력은 고도 19,000피트까지 이 상태를 유지한다. 터보차져는 원심력을 이용한 압축기가 같은 축에 터빈이 연결되어 있으 며, 터보차져의 제 어계통은 3가지 구성부품으로 이루어져 있으며, 이것은 자동 또는 수동으로 작동한다. 3가지 구성품은 다음과 같다. ① 밀도조절기 ② 차압조절기 ③ 배기가스 바이패스 밸브 󰊱 밀도 조절기 (Density Controller) 밀도 조종장치는[그림]에서 압축기를 지난 공기의 밀도를 감지하도록 설계 되어 있으며 압축기와 스로틀밸브 사이에 위치하고 있으며, 이 사이의 압력 을 덱 압력(Deck Pressure)이라 한다. 밀도는 압력과 온도에 의하여 결정되 며 밀도조종장치는 온도에 민감한 건조한 질소를 넣은 벨로우즈와 밸브, 스 프링과 하우싱에 오일입구와 출구가 마련되어있다. 온도가 상승하면 벨로우 즈는 팽창되고 압력이 증가하면 벨로우즈는 수축된다. 벨로우즈는 엔진으로 들어가는 공기흐름 속에 노출되어 있으며 만약에 최대출력이 요구되는데 밀 도가 일치하지 않으면 과급기를 작동시킨다. 벨로우즈는 조절밸브를 제어하여 엔진으로 귀유 되는 오일의 흐름을 제한하 게 되고, 이때 배기 바이패스 밸브 작동기 쪽 오일 압력을 증가시켜 바이패 스 밸브를 닫치는 쪽으로 작동시킨다. 바이패스 밸브가 닫치면 배기 가스는 터보차져의 터빈 구동 속도를 증가시 켜 공기압축을 증가시킨다. 바이패스 밸브는 오일 압력에 의하여 작동되는 나비형 밸브이다. 밀도 조종장치는 엔진이 완전 최대 출력에서만 작동하고 스로틀을 부분적으 로 작동할 때 에는 차압 조종장치(Differential Pressure Controller)에 의 해서 터보차져를 제어한다.

27 󰊲 차압조절기 (Differential Pressure Controller)
차압 조절장치(Differential Pressure Controller)는 [그림5-24]에 도해되어 있으며, 격막 (Diaphragm)을 가운데 두고 한쪽 공방에는 압축기로부 터 나오는 공기 압력이 채워지고 다른 쪽 공방 에는 MAP가 채워진다. 격막에는 오일 조절 밸브가 장착되어 스프링 압력에 의하여 밸브는 닫쳐 있다. 오일 조절밸브는 격막 사이의 압력 (스로틀 밸브를 사이에 두고 MAP와 압축기 출구압력)이 약 2에서 4 inHg[6.77에서 13.55 ㎪]의 차이가 나면 열려 터보차져의 속도를 감소시켜 압축기 출구압력을 감소시킨다. 이러한 작동은 차압이 원상으로 될 때까지 계속된다.

28 󰊳 배기가스 바이패스밸브 (Exhaust Bypass Valve Assembly) 배기가스 바이패스 밸브는 일명 웨스트 게이트(Waste Gate)라고 하며, [그림5-25]에 도 해되어 있다. 이 밸브는 항상 열려 있 으며, 배기가스가 엔진 배기덕트를 통하여 빠져나가 고 터빈 쪽으로는 흐르지 않게 한다. 밸브가 완전히 닫쳤을 때 그림에서와 같이 간격 A는 0.023에서 0.037인치[0.58에서 0.94㎜]로 유지된다. 즉, 밸브가 밸브 하우싱에 닫지 않도록 한다. 이것은 밸브 가 부딪침에 의하여 파손되는 것을 방지하고 터빈이 과속으로 회전되는 것을 방지하기 위한 것이다. 밸브가 완전히 열렸을 때 의 간격 B는 0.73에서 0.75인치[18.54에서 19.05㎜]이다. 밸브의 작동은 조절기에 의해서 만들어지는 오일압력에 의하여 이 루어지며 완전 열림과 완전 닫침 사이 어느 위치에 있다. 이 밸브의 작동위치는 임계고도 이하에서는 조종사가 선택한 출력 범 위에 맞게 작동된 위치를 유지한다. 항공기가 임계고도에 도달하면 밸브는 완전히 닫쳐지고 엔진 출력은 최대 출력비로 작동한 다. 만약에 항공기가 이 임계고도를 초과하여 더 높이 상승을 한다 해도 더 이상의 출력은 낼 수 없다.

29 5-3. 터보차져 조절계통의 작동계통 (Operation of the Turbocharger Control System)
[그림 5-26]은 터보차져의 자동조종계통의 도해를 보여 주고 있다. 공기는 공기 흡입구와 필터를 거쳐 터보차져의 압축기 부분으로 들어간다. 압축기를 지난 공기는 밀도조절기를 통과하여 스로틀 밸브와 엔진 흡입 밸브를 거쳐 엔진으로 들어간다. 엔진 배기밸브로부터 나오는 배기가스는 배기관을 거쳐 배기 바이패스 밸브로 흐르고 바이 패스 밸브의 위치에 따라 배기 덕트 또는 터빈으로 흐른다. 만약에 최대의 압축 공기가 필요하면 나비 형 밸브가 닫쳐 배기 가스는 터빈 쪽 으로 흐르게 하여 압축기의 회전을 최대로 하여 압축공기 의 량을 최대로 만든다. 압축이 필요 없게되면, 나비형 밸브는 완전히 열려 배기 가스는 엔진 배기덕트를 통하여 흐르게 되고 터빈은 최소 속도로 회전한다. 바이패스 밸브의 나비형 밸브의 위치는 작동기의 오일 압력에 따라 작동한다. 엔진 오일 압 력은 작동기 피스톤의 상부에 연결되어 출 구로 빠져나간다. 만약에 오일이 자유롭게 작동기 피스톤을 통하여 그대로 귀유 되면 작동기는 스프링 힘에 의하여 밸브는 열린 상태를 그대로 유지하고 있다. 작동기 피스톤을 거쳐 빠져나가는 오일은 밀도 조절기와 차압 조절기에 의하여 제어된다. 만약에 두 개의 조절기가 오일을 그대로 크랭크 케이스로 자유롭게 귀유 시키면 바 이패스 작동기의 나비형 밸브는 열린 상태를 그대로 유지한다. 만약에 하나의 조 절기가 귀유 되는 오일을 차단하면 다른 조절기도 닫치게 되어 오일 압력은 상승하여 배기 바이패스 밸브 의 작동기 실린더에 오일압력이 작동하여 바이패스 밸브는 닫치는 쪽으로 작동하고 배기가스 는 압축기 터빈을 구동시키게 되고, 터빈과 압축의 회전속도가 증가하여 들 어오는 공기를 압축 시키게 된다.

30 5-4. 가변압력조절기 (Variable-Pressure Controller)
라이코밍사 엔진 TSIO-541의 다른 터보차져 계통의 조종장치는 밀도와 차압 조종 장치를 혼합한 가변 압력조종장치가 장착되어 있 다. 가변 압력 조종장치는 압축기와 스로틀 밸브 사이 의 공기 압력 의 반응을 이용하며 작동한다. [그림]은 가변압력조절장치의 도해이다. 조절장치의 구성은 벨로우 모두개, 스프링, 포핏 밸브 또는 서보 밸브, 캠 추종장치 (Cam Follower), 하우싱과 오일 입구와 출구, 스로틀 케이블에 연결된 캠으로 되어 있다. 벨로우즈는 스로틀 밸브를 지난 공기덕트 내에 노출되어 있으며 공 기 압력의 변화를 감지(벨로우 모두개의 사양의 다변화)하여, 포펫 밸브를 움직이게 된다. 포펫 밸브는 계량 제트(Metering Jet)로서 엔진 오일을 섬프로 보내던가 또는 차단시켜 증가되는 오일압력을 배기 바이패스 밸브 작동기로 보내는 역할을 한다. 작동기에 가해진 압력은 나비형 밸브를 닫치는 쪽으로 작동시킨다. 조종 캠은 스로틀밸브에 연결되어 있으며, 스로틀 밸브가 움직이면 캠이 함께 작동하여 캠 추종장치가 움직이게 된다. 이때 캠 추종장 치와 포펫 사이에 있는 스프링을 압축시켜 포펫밸브가 작동하여 조 종장치와 작동기에 오일압력이 작용하여 웨스트 게이트를 작동시 켜 터빈의 회전 속도를 조종하게 된다.

31 5-5. 콘티넨탈 엔진 터보차져계통 일부의 콘티넨탈 엔진에는 웨스트 게이트 작동기(Waste Gate Actuator)를 작동시키는 오일 압력조절장치에 절대압력 조절장치 (Absolute pressure controller), 변화율 조절 장치(Rate of change controller)와 압력 변화율 조절장치(Pressure ratio controller)로 구성되어 있다. 모든 조절장치는 웨스트 게이트 작동기의 오일을 바이패스 시키거나 또는 차단시킨다. [그림]은 그 작동에 대한 도해이다. 절대압력 조종장치는 미리 정하여 놓은 덱크 압력을 벗어났을 때 오일을 바이패스 시키고, 변화율 조절장치는 덱크 압력의 변화량 이 급격히 증가하여 초당 약 6.5inHg이상 되면 작동한다. 높은 고도에 도달했을 때 터보차져는 정해놓은 MAP를 유지하도록 작동 한다. 고도 16,000피트(4,876.8m)에 도달하면 압력비 조절치는 터보차져 승압 가능 총량이 감소하도록 한다. 압력비조절기 (Pressure-Ratio Controller)는 덕트 압력을 엔진 낫셀 안의 공기압보다 약 2.2배 높게 유지시킨다. 계통의 작동은 스프링 힘에 의해서 열려 있는 웨스트 게이트 작동기에 의해서 이루어진다. 엔진이 시동되었을 때 오일 압력은 웨 스트 게이트 작동기를 거쳐서 튜브를 통하여 모든 조종장치를 거쳐 엔진으로 귀환된다. 조종 장치들이 시트(Seated) 되었을 때 오 일의 흐름은 차단되고, 웨스트 게이트는 닫치는 쪽으로 작동된다. 웨스트 게이트가 닫치면 배기 가스의 흐름은 터보차져의 터빈 쪽으로 흘러 압축기의 속도는 증가하여 덱크 압력은 증가하게 된다. 덱크 압력이 최고 값에 도 달하면 절대압력 조종장 치의 아네 로이드 벨로우 가 압력을 감지하여 시트로부터 떨어지면 오일 압력이 감소하여 웨스트 게이트 작동기는 배기가스를 바이패스 시켜 터빈과 압축기의 회전속도를 감소시켜 덕트 압력을 서서 히 감소시킨다. 만약에 압축기 출구압력이 급격히 증가하여 초당 6.5 inHg이 상 급격히 상승하면 변화 율 조종장치는 시트로부 터 떨어져 웨스트 게이트 작동기의 오일 압력을 감소시켜 덱크 압력 이 급격히 증가하는 것을 방지한다.

32 압력비 조절기(pressure-ratio-controller) [그림5-29]는 엔진 낫셀 외부 공기의 압력과 압 축기 출구압력을 감지하여 터보차져 출
력을 외기 압력의 2.2배의 비율로 출력이 나오도록 조종한다. 일부의 터보차져 계통에는 가변 오리피스 연료펌프(Variable-Orifice Fuel Pump)를 사 용하기도 한다. 이 계통의 목적은 스로틀이 급격히 열리는 중에 연료의 흐름이 감소하기 때문 에 사용한다. 엔진이 완속으로 작동 중에는 MAP가 약 14inHg[47.39 ㎪]이고 UDP는 대기압이 다. 만약에 스로틀을 급격히 열리면 터보차져와 압축기는 느려지고, UDP는 떨어지게 된다. 이러한 조건은 농후한 혼합기를 만들게 되므로 이때 가변 오리피스 연료펌프가 작동하여 터보 차져 가 UDP가 충분히 올라갈 때까지 연료를 바이패스 시켜 정확한 연료-공기 혼합기를 만들어 준다.

33 콘티넨탈 터보차져계통의 여러 가지 형태의 가변절대압력조절
기는 앞에 설명한 것 중에서 [그림]에 도해되어 있다. 이 조절기의 작동은 간단한 것으로 Waste Gate에 가해지는 오일압력 즉, Upper Deck의 압력에 따라 움직이는 시트가 변화하게된다. 캠이 풀리면 Upper Deck 압력이 감소하게 되고, 이에 따라 조 절기의 시트가 떨어지면서 Waste Gate 작동기의 압력이 감소 하게된다. 이 결과로 터보차져의 출력은 감소하게 된다. 캠 위치의 조절은 엔진 스로틀에 연결되어 조절되어 진다. 스로 틀이 열리면 보다 많은 승압이 요구되므로 캠 시트를 눌러 주게 되고 조절기는 시트로부터 떨어지면서 승압의 량이 증가하고, 따라서 터보차져의 출력이 증가하게 된다. 가변 절대압력 조절 기에는 과승압(Over Boost) 릴리프 밸브 또는 MAP(Manifold Absolute Pressure) 릴리프 밸브가 연결되어 있다. 이 MAP 릴리프 밸브는 스프링 힘을 받는 Pop-off 밸브로 안 전밸브와 같이 작동한다. 다음[그림]의 단면도에서 보는 것과 같이 어떠한 고도에서라도 절대압력이외의 압력은 릴리프 시킨 다. 밸브의 구성은 스프링과 벨로즈로 되어 실에 의하여 기밀 되어 압축기 출구 상부 덱 압력 메니폴드에 장착 되어 있다. 만 약 압력이 과도하게 되면 압력을 릴리프 시켜 일정한 압력으로 유지시킨다. 다른 하나의 형태의 콘티넨탈 엔진 터보차져 계통의 형태 에는 조절 스크류가 마련되어 있으며, [그림5-32]와 같이 조 절 스 크류를 회전시켜 게이트 밸브의 위치를 조절할 수 있다.

34 MAP 릴리프 밸브 Waste Gate 조절 스크류

35 6. 왕복엔진 냉각계통 (Reciprocating-Engine Cooling Systems)
내연기관에서 과열은 바람직하지 못한 3가지 이유가 있다. ① 연료-공기 혼합기의 연소에 악 영향을 준다. ② 엔진 부분품의 수명을 단축시킨다. ③ 윤활을 해친다. 만약에 실린더 내의 온도가 높으면 연료 혼합기가 요구한 시기에 점화가 되지 않고 조기점화의 원인이 되고, 더 나아가 데토네이션, 녹킹(knocking)과 다른 여러 가지 형태의 결함이 나타난다. 이러한 이유에서 왕복엔진의 냉각은 필수 조건이다. 6-1. 공기 냉각 (Air Cooling) 공냉식 엔진은 [그림]과 같이 엔진 실린더헤드와 벽 표면에 얇은 금속 핀(Fins)을 만 들어 열전도성을 높여 엔진에서 발생하는 열을 대기 중으로 발산시킨다. 실린더 주위에는 냉각효과를 증가시키기 위해서 [그림]과 같이 배플 (Baffle) 을 장착시켜 공기 의 흐름을 실린더 벽으로 흐르도록 유도한다. 배플은 얇은 알루미늄 합금판으로 제작되어 있다. 이것은 공기압력에 의하여 공기의 방향을 유도한다 하여 Pressure Baffles이라 한다.

36 6-2. 액체 냉각 (Liquid Cooling)
엔진의 작동온도를 조종하기 위해서 엔진 카울링에는 카울 플랩(Cowl Flap)을 마련하여 냉각을 위하여 엔진 실린더와 배플을 통과한 공기가 잘 흐르도록 배기부분을 만들어 준 장치이다. 어떤 항공기에는 이 카울 플랩(Cowl Flap) [그림5-34]의 작동을 수동으로 작동하는 전기 스 위치에 의하여 전기 모터에 의해서 작동 하든가 또는 온도 감지 계통에 의해서 작동하는 작동기에 의하여 작동하기도 한다. 6-2. 액체 냉각 (Liquid Cooling) 엔진의 액체냉각계통은 엔진 실린더 주위와 기타 열을 받는 엔진부품의 주위에 냉각액을 펌프를 이용하여 엔진의 가열 부분에 냉각액을 순환시켜 냉각시키는 방법이다. 일반적으로 물 을 이용하나 일부의 엔진에는 에틸렌-그리콜(Ethylene Glycol)을 사 용하던가 또는 에틸렌 그리콜과 물을 희석하여 사용하기도 한다. 에틸렌-그리콜의 작동 온도범위 0℉ [ -17.7℃] 에서 350℉[177℃] 까지 이다.

37 7. 왕복엔진 배기계통 (Reciprocating-Engine Exhaust System)
엔진의 배기계통은 작동 상 중요한 위치를 차지하고 있다. 배기가스는 독성이 있으며 대단히 뜨겁기 때문에 설계, 구조에 정비에 특별 한 주의가 요하는 계통으로 정비, 검사를 위해서는 제작사의 사양서 (instruction)에 의하여 이루어져야 한다. 7-1. 배기계통의 발달 구형 항공기 엔진의 배기 계통은 대단히 단순하였다. 즉 각각의 실린더의 배기구에 짧은 배기덕트를 연결하여 사용하였으나 소음이 크고 가스의 흐름이 흐트러져 조종사의 시계를 흐리게 하는 원인이 되기도 하였다. 그러나 야간에 비행할 때에 결함을 발견하기도 한 다. 만약에 정상 작동 중에 짧은 불꽃이 나오면 희박한 혼합기를 나타내고, 희고 붉은 색의 불꽃이 나오면 농후한 혼합기를 나타낸다. 만약에 하나의 실린더에서만 희거나 붉은 색 불꽃이 나오면 밸브 의 잘못된 작동 또는 피스톤 링의 마모에서 오는 결함이다. 다음 단계로 개발된 배기 계통이 직렬형 엔진 또는 대향형 엔진에는 배기 메니폴드를 성형 엔진에는 수집 링(Collector Ring)을 장착 하였다. 이 계통은 객실이나 조종실에 배기가스 가 들어가는 것을 감소시키고 메니폴드에 머프(Muff)를 장착하여 소음을 억제하였으 며 머프를 이용하여 공기의 열 교환을 시켜 더워진 공기를 객실의 난방, 기화기의 방빙, 방풍 유리의 방빙 등에 사용하게 되었다. 현대 항공기에는 배기메니폴드, 열-교환기(Heat Exchanger),와 머플러(Mufflers)가 장치되어 있고 추가로 터보차져를 작동시키는 장치로 도 사용하게 된다. 대개의 배기계통은 인코넬 또는 열과 부식에 견딜 수 있는 재질의 금속을 사용하여 만들어졌다.

38 7-2. 대향형 엔진의 배기계통 대향형 항공기 엔진의 배기계통은 여러 가지 다른 형태로 설계되어 있으나, 그 중에 일반 적으로 많이 사용하는 형태는 좌측[그림]에서 와 같이 4-실린더 대향형 엔진의 그림이다 배기 메니폴드의 구성은 배기 라이저(Exhaust Risers)와 머플러가 실린더 장착 프랜지에 열저항 놋쇠 너트로 장착되어 있으며, 이 장착부 분에는 구리와 석면 가스켓이 장착되어 배기가스의 누설을 방지한다. 배기 라이저, 머플러와 슈라우드는 부식에 잘 견디는 금속으로 제작 되어 있다. 6-실린더 대향형 과급기가 장착된 엔진의 배기계통의 정열은 우측 [그림]에서 보여주고 있다 이 계통은 엔진 밑에 있는 공통의 배기 덕 트를 통하여 머플러를 통하여 직접 배기 된다. 가로지른 파이프는 좌측 실린더로부터의 배기 가 스와 우측 배기가스 머플러로 이송하는 장치 이다. 배기 라이저는 머플러에 클램프로서 연결되어 있으며 내식강 쉘(Shell) 또는 슈라우드 (Should)로 쌓여 있다.

39 소형의 쌍발 경 항공기의 배기계통은 [그림]에서 보는 것과 같이 열 교환 장치가 없 이 연소형 히터계통이 마련되어 있다.
이러한 계통은 엔진 한쪽에 3개의 라이저가 있고, 라이 저와 머플러 사이에는 신축성 있는 연결 법으로 장착되어 있고 ,테일 파 이프는 기체구조에 스프링 형 충격 완충기(Spring-Type Isolator)에 의하여 매달려있다.

40 Flexible-joint 구조 6-실린더 엔진의 배기계통구성품

41 7-3. 성형엔진의 배기계통 성형엔진은 원래 짧은 굴뚝을 통하여 배기가스가 배출되도록 설계되어 있다. 이것은 실린더의 헤드의 배기부분과 배기밸브 의 신속한 열 방출을 위해서 이다. 그러나 원형으로 분산된 배기덕트에서 나오는 뜨겁고, 유독한 가스가 항공기 기체 및 조종 실, 흡입공기에 영향을 주므로 이러한 유해 성분으로부터 보호하기 위해서 수집 링을 만들어 개별적인 배기 굴뚝을 연결하여 한곳으로 모아 배기 하도록 설계하였다. [그림]은 14-실린더 2중 성형엔진의 배기가스 수집 링의 모양이다. 이 링은 대칭 된 7개의 부분으로 제작되어있으며 한 부분 에 2개의 실린더가 연결되어 있다. 맨 위쪽 부분으로부터 밑으로 갈수록 그 직경이 넓게 만들어져 충분한 배기가스를 수용할 수 있도록 되어 있다.

42 7-4. 배기 증대장치 일부의 항공기 엔진에는 배기 증대장치 (Exhaust Augmentor) 또는 분출장치가 마련 되어 있다. R 실린더 엔진에는 분출 장 치가 마련되어 있으며 배기는 엔진의 우측으로부터 수집 링에 모여 우측 분출장치의 종 모 양의 입구로 분출되고 좌측은 좌측대로 동일 한 방법에 의하여 분출되도록 설계되어 있다. [그림]은 배기 분출장치의 간단한 도해로서 엔진 낫셀로부터 공기를 흡입하여 벤츄리 효과를 이용하여 흐름을 증가시켜 엔진을 냉각시 키고 작은 분사제트를 통하여 배기 분출 장 치로 분사하여 배기가스와 함께 분사되도록 하여 배기가스가 빨리 배기 되도록 한다.