앞 편은 MAP·RPM과 기화기 착빙에 이어 연료분사 여섯 구성까지 다뤘습니다. 이번 편은 보조 연료펌프부터 연료분사의 장단점, 과급기·터보과급기, 점화계통입니다.
연료분사 계통의 작동
보조 연료펌프(auxiliary fuel pump)는 시동과 비상 때 연료-공기 조절 유닛에 가압 연료를 보냅니다. 시동 뒤에는 엔진구동 연료펌프가 연료탱크에서 조절 유닛으로 가압 연료를 보냅니다. 이 조절 유닛이 기화기를 대신합니다. 혼합비 레버 설정에 따라 연료를 계량하고, 스로틀이 정하는 비율로 연료 매니폴드 밸브에 보냅니다.
매니폴드 밸브에 도착한 연료는 각 토출 노즐로 나뉩니다. 토출 노즐은 각 실린더 헤드에 있어, 연료-공기 혼합기를 각 실린더 흡기 포트에 직접 분사합니다.
연료분사는 기화기보다 착빙에 덜 취약하다고 보지만, 흡입구의 충격착빙(impact icing)은 어느 쪽이든 납니다. 충격착빙은 항공기 바깥에 얼음이 생겨 연료분사 흡입구 같은 개구를 막을 때입니다.
연료분사의 이점은 다음과 같습니다.
- 기화 착빙 감소
- 더 나은 연료 흐름
- 더 빠른 스로틀 반응
- 혼합비의 정밀한 조절
- 더 고른 연료 분배
- 추운 날 시동이 쉬움
단점은 다음과 같습니다.
- 뜨거운 엔진 시동이 어려움
- 더운 날 지상 운용 중 베이퍼 록
- 연료 고갈로 꺼진 엔진을 다시 걸 때의 문제
과급기와 터보과급기
엔진 마력을 올리려고 제작사는 강제 흡기 계통, 곧 과급기(supercharger)와 터보과급기(turbosupercharger) 계통을 만들었습니다. 둘 다 흡입 공기를 압축해 밀도를 올립니다. 핵심 차이는 동력원입니다. 과급기는 엔진이 돌리는 공기 펌프 또는 압축기에 의존하고, 터보과급기는 배기가 터빈을 지나며 압축기를 돌립니다. 이 계통이 있는 항공기에는 매니폴드 압력계가 있어 엔진 흡기 매니폴드 안의 MAP를 보여 줍니다.
표준대기 해면에서 엔진을 끈 상태이면, 매니폴드 압력계는 주위 절대기압 29.92 inHg를 가리킵니다. 기압은 고도가 1,000 ft 오를 때마다 약 1 inHg 떨어지므로, 표준대기 5,000 ft 공항에서는 약 24.92 inHg를 가리킵니다.
자연흡기 항공기가 상승하면 결국 정상 상승에 MAP가 모자라는 고도에 닿습니다. 이 고도 한계가 실용상승한도(service ceiling)이고, 엔진이 출력을 내는 능력에 직접 좌우됩니다. 흡입 공기를 과급기나 터보과급기로 가압하면 실용상승한도를 올릴 수 있습니다. 더 높은 고도에서 진대기속도가 커지고, 악기상 우회 능력도 커집니다.
| 조건 | 매니폴드 압력 |
|---|---|
| 표준대기 해면, 엔진 정지 | 29.92 inHg |
| 표준대기 5,000 ft | 약 24.92 inHg |
| 8,000 ft, 과급 없음(예) | 22 inHg |
| 8,000 ft, 과급 있음(예) | 25 inHg |
과급기
과급기는 엔진이 돌리는 공기 펌프 또는 압축기로, 흡입 공기에 추가 압력을 줘 엔진이 더 큰 출력을 내게 합니다. 매니폴드 압력을 올리고 연료-공기 혼합기를 실린더로 밀어 넣습니다. 매니폴드 압력이 높을수록 혼합기 밀도가 커지고 출력이 커집니다. 자연흡기 엔진은 그때의 대기압보다 높은 매니폴드 압력을 낼 수 없습니다. 과급기는 매니폴드 압력을 30 inHg 위로 올릴 수 있습니다.
예를 들어 8,000 ft에서 전형적인 엔진은, 공기가 덜 촘촘해 평균해면(MSL)에서 낼 수 있는 출력의 75%만 낼 수 있습니다. 과급기는 공기를 더 촘촘하게 압축해, 높은 고도에서도 해면에서와 같은 매니폴드 압력을 내게 합니다. 그래서 8,000 ft MSL에서 과급기가 있으면 매니폴드 압력 25 inHg를 낼 수 있고, 없으면 22 inHg뿐입니다. 과급기는 공기 밀도가 해면의 50%인 18,000 ft 같은 높은 고도에서 특히 쓸모가 있습니다. 많은 경우 과급기는 해면에서와 같은 밀도의 공기를 엔진에 공급합니다.
과급 흡기계통의 구성은 자연흡기와 비슷하고, 연료 계량 장치와 흡기 매니폴드 사이에 과급기가 들어갑니다. 과급기는 기어열로 엔진에 연결되어 1속, 2속, 또는 가변속으로 돕니다. 단도 하나 이상일 수 있습니다. 각 단이 압력을 한 번 더 올리고, 압축 횟수에 따라 일단·이단·다단으로 분류합니다.
초기의 일단 1속 과급기를 해면 과급기(sea-level supercharger)라고 부르기도 합니다. 이 과급기를 단 엔진이 해면 엔진(sea-level engine)입니다. 기어로 도는 임펠러 하나로 모든 고도에서 출력을 올립니다. 단점은 고도가 오르면 엔진 출력이 떨어진다는 것입니다.
일단 1속 과급기는 고마력 성형엔진에 많고, 흡입구가 앞을 향해 램 공기(ram air)를 최대한 받습니다. 흡입 공기는 덕트를 지나 기화기로 가고, 기화기는 공기 흐름에 비례해 연료를 계량합니다. 연료-공기 전하는 과급기, 곧 블로어 임펠러로 가서 바깥으로 가속됩니다. 가속된 혼합기는 디퓨저를 지나며 속도 에너지가 압력 에너지로 바뀝니다. 압축된 고압 혼합기는 실린더로 갑니다.
제2차 세계대전 때 개발된 대형 성형엔진 중에는 일단 2속 과급기가 있습니다. 임펠러 하나를 두 속도로 돌립니다. 낮은 임펠러 속도를 로우 블로어(low blower), 높은 속도를 하이 블로어(high blower)라고 합니다. 2속 과급기 엔진은 조종석의 레버 또는 스위치가 오일 클러치를 작동해 속도를 바꿉니다.
평소 이륙은 과급기를 로우 블로어에 두고 합니다. 이 모드에서 엔진은 지상 부스트 엔진처럼 움직이고, 고도가 오르면 출력이 떨어집니다. 지정 고도에 닿으면 출력을 줄인 뒤 과급기를 하이 블로어로 바꾸고, 스로틀을 원하는 매니폴드 압력에 다시 맞춥니다. 이런 과급기를 단 엔진을 고도 엔진(altitude engine)이라고 합니다.
터보과급기
엔진 마력을 올리는 가장 효율적인 방법은 터보과급기 또는 터보차저(turbocharger)를 쓰는 것입니다. 엔진에 달면, 이 부스터는 엔진 배기가스로 공기 압축기를 돌려 기화기 또는 연료분사를 통해 엔진으로 들어가는 공기 압력을 올려 높은 고도에서 출력을 보탭니다.
기어 구동 과급기의 큰 단점, 곧 얻는 출력 증가에 비해 엔진 출력의 많은 부분을 쓴다는 점은 터보차저에서 피할 수 있습니다. 터보차저는 엔진 배기가스로 돌기 때문입니다. 그냥 버려질 뜨거운 배기가스의 에너지를 회수합니다.
터보차저의 두 번째 이점은 해면 정격 마력을 해면에서 엔진의 임계고도(critical altitude)까지 유지할 수 있다는 것입니다. 임계고도는 터보과급 엔진이 정격 마력을 낼 수 있는 최고 고도입니다. 임계고도 위에서는 자연흡기처럼 출력이 떨어지기 시작합니다.
터보차저는 엔진 흡기 압력을 올려, 높은 고도에서도 해면 이상 마력을 내게 합니다. 구성은 압축기와 터빈 두 요소입니다. 압축기 섹션에는 고속으로 도는 임펠러가 있습니다. 흡입 공기가 임펠러 블레이드를 지나면 공기가 가속되어 많은 양이 압축기 하우징으로 들어옵니다. 임펠러가 고압·고밀도 공기를 만들어 엔진에 보냅니다. 임펠러를 돌리려고, 엔진 배기가스가 임펠러 구동축 반대쪽 끝에 달린 터빈 휠을 돌립니다. 터빈으로 가는 배기가스 양을 바꾸면 뽑아내는 에너지가 달라지고, 임펠러가 엔진에 보내는 압축 공기도 달라집니다.
웨이스트 게이트(waste gate)는 배기계통에 달린 조절 가능한 버터플라이 밸브로, 터빈으로 들어가는 배기가스 질량을 바꿉니다. 닫히면 엔진 배기가스의 대부분이 터빈을 지납니다. 열리면 배기가스는 터빈을 우회해 배기관으로 바로 나갑니다.
기체를 압축하면 온도가 오르므로, 터보과급은 흡기 온도를 올립니다. 이 온도를 낮춰 디토네이션 위험을 줄이려고, 많은 터보과급 엔진은 인터쿨러(intercooler)를 씁니다. 이 작은 열교환기는 외기로 뜨거운 압축 공기를 식힌 뒤 연료 계량 장치로 보냅니다.
| 항목 | 과급기 | 터보차저 |
|---|---|---|
| 동력원 | 엔진 기어 구동 | 배기가스 터빈 |
| 출력 대가 | 엔진 출력의 상당 부분을 씀 | 버려질 배기 에너지를 회수 |
| 해면 정격 마력 | 고도가 오르면 떨어지기 쉬움(해면 과급) | 임계고도까지 유지 |
| MAP 상한 | 30 inHg 초과 가능 | 흡기 가압으로 고고도에서 해면 이상 마력 |
계통 작동
요즘 터보과급 엔진 대부분에서 웨이스트 게이트 위치는 액추에이터에 연결된 압력 감지 제어 기구가 맡습니다. 이 액추에이터로 들어가거나 나오는 엔진 오일이 웨이스트 게이트 위치를 움직입니다. 이런 계통에서는 스로틀만 바꿔도 액추에이터가 원하는 MAP를 내도록 자동으로 자리 잡습니다.
다른 설계는 웨이스트 게이트를 놓는 수동 조종을 따로 둡니다. 수동이면 원하는 MAP가 나왔는지 매니폴드 압력계를 주의 깊게 봐야 합니다. 수동 계통은 애프터마켓 터보과급을 단 개조기에 많습니다. 특별한 운용 주의가 필요합니다. 예를 들어 높은 고도에서 강하한 뒤 웨이스트 게이트를 닫아 두면, 엔진 한도를 넘는 매니폴드 압력이 날 수 있습니다. 이 상태를 오버부스트(overboost)라고 하고, 강하 중 공기 밀도가 커져 혼합비가 희박해지는 효과 때문에 심한 디토네이션이 날 수 있습니다.
자동 웨이스트 게이트도 오버부스트가 전혀 없는 것은 아닙니다. 엔진 오일 온도가 정상 운용 범위보다 낮은 상태에서 이륙 출력을 넣으면, 찬 오일이 웨이스트 게이트 액추에이터에서 빨리 빠져나오지 못해 오버부스트를 막지 못할 수 있습니다. 오버부스트를 막으려면 스로틀을 조심히 밀어 최대 매니폴드 압력 한도를 넘기지 않습니다.
터보차저를 단 항공기를 나는 조종사는 계통 제한을 알아야 합니다. 예를 들어 터보차저 터빈과 임펠러는 극히 높은 온도에서 80,000 rpm을 넘기며 돌 수 있습니다. 이 회전수를 내려면 계통 안 베어링에 엔진 오일이 끊임없이 공급되어 마찰과 고온을 줄여야 합니다. 충분한 윤활을 얻으려면 높은 스로틀을 넣기 전에 오일 온도가 정상 운용 범위에 있어야 합니다. 또 엔진을 끄기 전에 터보차저를 식히고 터빈이 느려지게 둡니다. 그렇지 않으면 베어링 하우징에 남은 오일이 끓어, 베어링과 축에 단단한 탄소 침전물이 생깁니다. 이 침전물은 터보차저의 효율과 수명을 빠르게 떨어뜨립니다. 그 밖의 제한은 AFM/POH를 봅니다.
고고도 성능
터보과급 항공기가 상승하면, 허용 최대 매니폴드 압력을 유지하려고 웨이스트 게이트가 서서히 닫힙니다. 어느 지점에서 웨이스트 게이트가 완전히 닫히고, 그 이상 고도가 오르면 매니폴드 압력이 떨어집니다. 이것이 임계고도이고, 항공기 또는 엔진 제작사가 정합니다. 지정 임계고도보다 먼저 매니폴드 압력이 떨어지기 시작하면, 자격 있는 항공정비사(AMT)에게 엔진과 터보과급 계통 점검을 받아 정상 작동을 확인해야 합니다.
점화계통
불꽃점화 엔진(spark ignition engine)에서 점화계통은 실린더의 연료-공기 혼합기에 불꽃을 줍니다. 구성은 마그네토, 점화플러그, 고압 리드, 점화스위치입니다.
마그네토(magneto)는 영구자석으로 전류를 만들고, 항공기 전기계통에 전혀 의존하지 않습니다. 각 실린더 점화플러그 갭을 건너뛸 만큼 높은 전압을 냅니다. 스타터가 걸리고 크랭크축이 돌기 시작하면 점화가 시작되고, 크랭크축이 도는 동안 계속 작동합니다.
표준 감항증명을 받은 항공기는 대부분 이중 점화계통입니다. 마그네토 두 개, 배선 두 벌, 점화플러그 두 벌을 두어 신뢰도를 올립니다. 각 마그네토는 독립적으로 각 실린더의 점화플러그 하나를 점화합니다. 플러그 두 개가 점화하면 혼합기 연소가 나아지고 출력이 조금 더 납니다. 마그네토 하나가 고장 나도 다른 쪽은 영향이 없습니다. 엔진은 정상적으로 계속 돌고, 출력만 조금 떨어질 수 있습니다. 실린더의 점화플러그 하나가 고장 나도 같습니다.
마그네토 작동은 조종석 점화스위치가 맡습니다. 위치는 다섯입니다.
- OFF
- R (right)
- L (left)
- BOTH
- START
RIGHT 또는 LEFT를 고르면 해당 마그네토만 켜집니다. BOTH이면 양쪽 마그네토로 돕니다.
이륙 전 점검에서 점화스위치를 BOTH에서 RIGHT로, 다시 BOTH에서 LEFT로 옮길 때 rpm 감소를 보면 점화계통 이상을 알 수 있습니다. 이 점검에서 엔진 rpm이 조금 떨어지는 것은 정상입니다. 허용 감소량은 AFM 또는 POH에 나와 있습니다. 한쪽 마그네토로 바꾸자 엔진이 멈추거나, rpm 드롭이 허용 한도를 넘으면 고칠 때까지 날지 않습니다. 원인은 오염된 플러그, 마그네토와 플러그 사이 단선·단락, 플러그 점화 시기가 틀린 경우일 수 있습니다. rpm이 “안 떨어지는” 것도 정상이 아니며, 그때도 날지 않습니다.
엔진을 끈 뒤에는 점화스위치를 OFF에 둡니다. 배터리와 마스터가 OFF여도, 점화스위치가 ON인 채 프로펠러를 움직이면 엔진이 점화되어 돌 수 있습니다. 마그네토는 외부 전원이 필요 없기 때문입니다. 이 상황에서 중상이 날 수 있습니다.
점화스위치가 OFF여도, 마그네토와 점화스위치 사이 접지선이 빠지거나 끊어지면, 실린더에 잔류 연료가 있는 채 프로펠러를 움직이면 엔진이 우발적으로 시동될 수 있습니다. 그때 엔진을 멈추는 유일한 방법은 혼합비 레버를 아이들 컷오프(idle cutoff)에 두는 것이고, 그다음 자격 있는 AMT에게 계통을 점검받습니다.
다음 편은 윤활계통입니다.
핵심 정리
- ● 연료분사는 시동·비상 때 보조 연료펌프, 그다음 엔진구동 펌프 → 조절 유닛 → 매니폴드 밸브 → 각 실린더 헤드 노즐입니다. 기화 착빙은 줄지만 충격착빙은 남습니다.
- ● 연료분사 단점은 뜨거운 엔진 시동, 더운 날 지상 베이퍼 록, 연료 고갈로 꺼진 엔진의 재시동입니다.
- ● 과급기는 엔진 구동, 터보차저는 배기 터빈입니다. 자연흡기는 대기압보다 높은 MAP를 낼 수 없고, 과급기는 30 inHg 위로 올릴 수 있습니다. 8,000 ft 예에서 과급 시 25 inHg, 없으면 22 inHg입니다.
- ● 해면 정지 MAP는 29.92 inHg, 1,000 ft당 약 1 inHg 감소, 5,000 ft는 약 24.92 inHg입니다. 2속 과급은 이륙 로우 블로어, 지정 고도에서 출력 감소 후 하이 블로어로 바꿉니다.
- ● 웨이스트 게이트가 닫히면 배기가 터빈으로, 열리면 우회합니다. 임계고도는 정격 마력을 내는 최고 고도입니다. 그 전에 MAP가 떨어지면 정비 점검을 받습니다.
- ● 오버부스트는 강하 뒤 게이트가 닫혀 있거나, 찬 오일에서 이륙 출력을 넣을 때 납니다. 터빈·임펠러는 80,000 rpm을 넘길 수 있어, 고스로틀 전 오일 온도를 정상 범위에 두고 셧다운 전 식힙니다.
- ● 이중 마그네토는 항공기 전기에 의존하지 않습니다. 점화스위치는 OFF / R / L / BOTH / START입니다. rpm 드롭이 없거나 한도를 넘으면 날지 않습니다. 스위치 ON이면 프로펠러만 움직여도 시동되고, OFF여도 접지선이 끊어지면 잔류 연료로 시동될 수 있어 그때는 아이들 컷오프입니다.
이 글은 미국 연방항공청(FAA)의 Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge(FAA-H-8083-25B)(퍼블릭 도메인)를 번역·재구성한 시리즈입니다.
“연료분사 작동·과급기·터보과급기와 점화계통 — 조종사 핸드북 7장 (3/8)”에 대한 1개의 생각