왕복 엔진은 연료의 연소에 의해 얻는 열에너지를 회전일로 변화시키는 내연기관 중 가장 보편적으로 사용되는 기관으로, 연소가스를 팽창시켜 피스톤을 왕복 운동시킨 다음 크랭크 기구에 의해 회전일로 바꿔줍니다. 왕복 엔진은 1876년 독일의 오토에 의해 처음으로 개발되었는데 오토는 흡입, 압축, 팽창 및 배기의 네 개 행정으로 작동하는 4 행정 엔진 개발에 성공했습니다. 이 엔진은 동력축이 2 회전할 때마다 1회의 폭발이 이루어집니다. 1회전에 1회 폭발하는 2 행정 엔진은 클러크에 의해 개발되었습니다. 현재 사용되고 있는 항공기용 왕복엔진은 가솔린을 주 연료로 하는 4 행정 엔진이며 여기서 왕복엔진이라고 부르는 것은 이 엔진을 의미합니다. 항공기용 왕복엔진은 라이트 형제의 동력비행을 위해 사용된 이후 가스터빈 엔진이 나오기까지 40년간 발전해왔으나 현재는 소형항공기에 일부 적용되어 사용되고 있습니다.
이번 장에서는 왕복엔진의 작동원리와 종류, 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. 왕복엔진의 작동원리
왕복엔진은 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하면서 공기와 연료의 혼합가스를 흡입 연소시킴으로써 동력을 발생시킵니다. 실린더 내에서 피스톤이 맨 꼭대기에서부터 제일 아래까지 움직이는 것을 행정이라 하며 그 거리를 행정거리라고 합니다. 피스톤이 실린더 내에서 제일 깊이 들어간 위치를 상사점이라고 하며 이때 피스톤의 위치는 크랭크축에서 가장 멀리 떨어져 있습니다. 이와 반대로 크랭크축과 피스톤의 거리가 제일 가까울 때의 피스톤 위치를 하사점이라고 합니다. 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 내의 용적과 하사점에서의 실린더 내 용적의 비를 압축비라고 합니다. 4 행정 왕복엔진은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4개 행정으로 한 사이클을 완성합니다.
흡입 행정에서 피스톤은 하향 운동을 하고 열린 흡입밸브를 통해 새로운 혼합가스가 흡입됩니다. 피스톤이 하사점에 이르러도 실린더 내의 압력은 흡입관 내의 압력보다 낮기 때문에 피스톤이 상향 행정을 시작한 후에 흡기 밸브는 닫힙니다. 흡입밸브가 닫히는 시기는 실린더로 유입하는 혼합가스의 관성 속도가 0이 될 때인 크랭크축의 회전각도로 하사점 후 약 50~70˚ 정도 입니다. 압축 행정에서 피스톤이 상향 운동을 하고 흡입밸브가 닫히면 흡입된 혼합기는 실린더 내에서 압축되고 혼합기의 압력과 온도는 상승하게 됩니다. 이론상 압축 행정의 끝에서 혼합기가 점화되어 폭발은 순간적으로 행해져 연소실 체적이 일정한 상태에서 급격한 압력 상승을 일으키게 됩니다. 그러나 혼합기가 연소하려면 어느 정도의 시간이 필요하기 때문에 피스톤이 팽창 행정 초기에 왔을 때 완전히 연소시키기 위해 피스톤이 상사점에 오기 전에 점화시켜야 하는데 이때의 각도를 점화진각이라고 합니다. 일반적으로 점화진각은 압축 상사점 전 크랭크축의 각도로 20~30˚입니다.
압축된 혼합기는 점화에 의해 연소되어 순간적으로 실린더 내 압력과 온도가 상승하는데 이 압력은 피스톤을 강한 힘으로 밀어내어 하향 행정을 하고 크랭크축을 회전시키면서 필요한 동력이 만들어집니다. 이 일련의 과정을 팽창 행정이라 하며 엔진이 외부에 일을 하게 되는 유일한 행정입니다. 배기 행정은 실린더 내의 나머지 열과 연소된 배기가스를 방출시키는 과정으로써 이때 배기밸브는 보다 높은 압력으로 배기가스를 빨리 배출시켜 배기 효과 증대 및 엔진의 과열 방지를 위해 팽창 행정 하사점 전 50~70˚ 정도에서 열리게 됩니다. 다음 피스톤은 상향 행정을 하면서 나머지 배기가스를 밀어내고 피스톤이 거의 상사점 부근에 도달하여 피스톤 속도가 낮아지게 되면 실린더 내 압력은 배기가스의 관성에 의해 흡기관 압력보다 낮아지게 되고 동시에 흡입밸브가 열려 새로운 혼합가스가 실린더 내로 들어오면서 동시에 배기가스는 관성에 의해 계속 배출됩니다. 피스톤이 상사점을 지나 하향 행정을 하게 되면서 배기밸브에서 배기가스의 속도가 0이 되면 배기밸브가 닫히게 되는데 이때부터 흡입 행정이 다시 시작되어 다음 사이클이 같은 과정으로 반복됩니다. 흡입밸브는 배기 행정 상사점 전 10~25˚에서 열려서 상사점 후 10~20˚ 정도에서 닫히게 되는데 이때 흡입밸브와 배기밸브가 동시에 열려 있는 시간을 밸브 오버랩이라고 합니다.
가스터빈 엔진과 마찬가지로 왕복엔진의 사이클 전 과정에 대해 열역학적 이론을 적용하여 사이클을 해석할 수 있는데 이 특성을 이상적인 사이클로 표현하면 오토 사이클이 됩니다. 오토 사이클은 압축, 팽창 과정이 단열 상태에서 이루어지며, 연소가 일정 체적 하에서 이루어지기 때문에 정적 사이클이라고도 합니다. 오토 사이클의 이론적인 열효율은 엔진의 압축비와 공기의 비열비에 따라 결정되는데 압축비가 커질수록 증가합니다. 단, 사용연료와 실린더의 강도 문제 때문에 열효율을 높이기 위해서는 압축비를 무한정 높일 수가 없습니다.
2. 왕복엔진의 종류
항공기용 왕복엔진의 종류는 사이클에 따라 4 행정과 2 행정으로 나뉘며 냉각방법에 따라 수랭식과 공랭식이 사용되나 현재 항공기에는 4 행정 공랭식 엔진이 주로 사용됩니다. 그리고 실린더의 배열 방법에 따라 직렬형, 수평대향형, 성형, 등 여러 종류의 엔진이 사용되나 현재는 거의 대부분 수평대향형 또는 성형 엔진을 사용합니다.
수평대향형은 크랭크 케이스 양쪽에 수평으로 실린더를 마주 보도록 배열한 것으로 주로 4개 또는 6개의 실린더를 사용하는데 이는 4기 통 또는 6기 통이라고도 합니다. 수평대향형은 경비행기에 널리 사용되며 400마력까지 동력을 낼 수 있습니다. 이 엔진은 구조가 간단하고 엔지의 전방 면적이 적어 공기의 저항을 줄일 수 있으나 마력을 위해 실린더를 늘리게 되면 엔진의 냉각이 어렵기 때문에 큰 마력의 엔진에는 적합하지 않습니다.
성형 엔진은 크랭크 케이스 둘레에 별 모양으로 실린더가 부착되어 있으며, 크랭크축이 2회전 하는 동안 모든 실린더가 한 번씩 고르게 폭발하도록 홀수 실린더로 구성되어 있습니다. 성형 엔진의 장점으로는 엔진당 실린더 수를 많게 할 수 있어 진동이 적고, 다른 형식에 비해 마력당 중량비가 적어 중대형 엔진에 적합합니다. 그러나 전면 면적이 넓어 공기의 저항이 크며, 2열성형 엔진의 경우 뒷열의 실린더 냉각이 어렵다는 단점이 있습니다.
3. 왕복엔진 구조와 구성품의 작동원리
4 행정 엔진의 기본구조는 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 축 및 두 개의 밸브로 구성됩니다.
왕복엔진의 연소실은 실린더, 피스톤, 커넥팅 로드, 크랭크 축, 흡배기 밸브, 점화를 위한 스파크 플러그 등의 부품들로 구성되며 연소실은 실린더 기통과 실린더 헤드로 구분됩니다. 실린더 기통은 보통 합금강으로, 실린더 헤드는 알루미늄 합금으로 되어 있습니다. 최근의 실린더는 공랭식 냉각방식을 사용하므로 실린더 헤드는 냉각핀을 주조나 단조에 의해 제작합니다. 실린더 기통은 단조 후 기계가공에 의해 핀을 제작하거나, 주물로 된 알루미늄 핀이 달린 통을 합금강의 기통에 끼워 제작하기도 합니다. 실린더 헤드에는 흡기, 배기밸브와 점화하기 위한 스파크 플러그를 보통 두 개씩 장착합니다.
피스톤은 실린더 내의 폭발 압력을 힘으로 변환하여 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크축으로 전달하는 역할을 하는 구성품으로 피스톤 상부는 고온과 고압에 노출된 상태에서 왕복운동을 하므로 열전도가 잘되고 강도가 높으로 무게가 가벼워 관성력이 적여야 하기 때문에 알루미늄 합금으로 단조 또는 주조하여 만듭니다. 피스톤은 고압에 견디고 열 발산을 잘할 수 있도록 내부에 냉각핀을 달아 방열 면을 가능한 한 넓게 하고 있습니다.
밸브 기구의 구성은 크랭크 축 기어와 캠축 기어, 밸브 리프터, 푸시로드, 로커암, 밸브스프링, 밸브, 밸브시트 등으로 구성됩니다. 밸브의 크랭크축이 2회전마다 1회씩 열리게끔 크랭크 축 속도의 반으로 회전하는 캠에 의해 작동됩니다. 수평 대향형 및 직렬형 엔진은 밸브를 작동시키기 위해 캠축이 사용되나 성형 엔진에는 이열의 캠 로브를 가진 캠 플레이트 또는 캠링을 사용합니다.
주 저널은 엔진의 회전 중심이 되며 마모를 감소시키기 위해 질화처리로 표면강도를 높여줍니다. 크랭크 핀은 크랭크축을 회전시키는 힘이 커넥팅 로드로부터 가해지는 부분입니다. 무게를 감소시키고 윤활유 통로와 아울러 탄소 찌꺼기나 불순물이 모일 수 있는 방의 역할을 할 수 있도록 중공으로 만듭니다. 이곳의 윤활은 크랭크축의 내부에 뚫린 구멍을 통해 주 저널에서 윤활유가 공급됩니다. 크랭크 암은 크랭크 핀과 주 저널의 연결부가 되며, 반대편에는 크랭크축의 정적 평형을 위한 평형추와 동적 평형을 위한 댐퍼가 장착됩니다. 내부에는 윤활유 통로가 있습니다.