왕복엔진의 연료계통

• 왕복엔진의 연료는 항공용 휘발유, 터빈엔진는 Jet-A로 옥탄가에 따라 조절된다.
• 기본적인 왕복엔진 연료계통 구성:
• 엔진구동연료펌프, 연료/공기 조절장치, 연료 매니폴드 밸브, 연료분사노즐
• 연료조절계통은 엔진 작동 중 속도와 고도에 맞게  들어오는 공기에 비례하여 연료를 조절해야 한다.
• 최적의 출력과 최적의 경제조건은 거의 같다.

왕복엔진의 연료조정장치

• 기화기로부터 공기 흐름 속으로 연료를 분배하고 분무하여 모든 실린더로 공급되는 혼합가스의 양 이 각 실린더에 동일한 혼합비로 공급 되야 한다.
• 고도 상승 시 체적대비 중량유량이 감소한다.
• 이때 혼합조정장치가 혼합비를 조정해 준다.
• 기화기는 고도에 따라 수동 또는 자동적으로 농후한 혼합비를 희박한 혼합비로 조정해준다.
• 항공기 엔진에 대한 농후 혼합기 요구조건은 최대 허용출력을 얻기 위한 연료/공기혼합기를 결정 하기 위한 출력곡선이 제공된다.
• 이곡선은 완속속도에서 부터 이륙 속도까지 100rpm 간격으로 표시된다.
• 연료 / 공기 혼합기 :
• 연료는 공기와 혼합되지 않으면 연소되지 않는다.
• 실린더 내에 적절하게 연소가 이루어지기위해, 연료와 공기의 비율은 유지되어야 한다.
• 연료/공기 혼합가스의 비율은 엔진 성능에 매우 중요한 역할을 한다.
• 범위를 벗어나는 희박 또는 농후혼합비는 연소가 어려워지고, 연소실 안에서 불꽃이 꺼지는 일이 발생할 수도 있다.

기화기의 원리

• 기화기는 들어오는 공기 흐름을 측정하고, 값에 맞게 연료를 조절하여 공기 속으로 분사한다.
• 이 공기의 측정장치를 벤투리라 하며, 유체의 속도가 증가하면, 압력은 감소한다.
• 입구와 벤투리 목 부분 사이의 압력 차이를 이용한다.

• 흡입행정에서 피스톤의 움직임으로 실린더 내부 압력이 낮아지게 되면, 혼합가스는 기화기와 매니 폴드를 통해 실린더 내부로 흡입된다.
• 이때 기화기 벤투리를 거치게 되고, 스로틀 밸브에 의해서 공기의 흐름은 조절된다.
• 스로틀이 완전히 열리게 되면, 연료/공기 혼합비 유지를 위해 더 많은 연료를 공급하게 된다.
• 엔진 연료펌프에서 오는 연료가 기화기 입구 쪽의 벤투리 내에 공기 흐름 속으로 분사되고 있다.

기화기 계통의 주요 구성품 :

• 주 계량 장치
• 완속 장치
• 가속 장치
• 혼합기 조정 장치
• 연료 차단 장치
• 출력증강장치 또는 이코노마이저 장치

주 계량 장치 :

• 완속 이상의 모든 속도에서 엔진에 연료를 공급한다.
• 연료량은 벤투리 목 부분의 압력에 의해 결정된다.

완속장치 :

• 낮은 엔진회전수에서는 스로틀은 거의 닫힌 상태로 차압에 의해 주 계량장치를 작동할 수 없다.
• 이때 저속에서도 엔진에 연료를 공급하기 위한 장치가 완속장치이다.

가속 장치 :

• 급가속 시 공기 흐름은 관성력 때문에 즉시 증가 과히박 혼합비 상태가 된다.

혼합기 조정장치 :

• 공기 밀도의 변동으로 혼합비가 변동되지 않도록 공기와 연료의 비율을 결정한다.
• 수동일 때는 좌석에서, 자동일 때는 자동 혼합기 조정장치가 작동한다.  
• 이순간에 가속장치가 증가된 공기에 대해 부족한 연료를 추가적으로 공급한다.
• 엔진출력을 갑자기 증가시킬 때 추가 연료 공급한다.

연료 차단 장치 :

• 엔진을 정지시키기 위해 연료를 차단하는 장치이다.
• 엔진은 점화장치를 차단하여 엔진을 정지시키지 않고, 연료를 차단하여 엔진을 정지시킨다.
• 점화장치를 차단하여 엔진을 정시시키려하면, 혼합가스가 계속 실린더 로 공급되어 혼합가스 발화가 발생할 수 있다
• 불안전 연소, 재시동, 배기 매니폴드 발화 등등 이상 작동이 발생할 수 있다.

출력증강장치 또는 이코노마이저 장치 :

• 고출력으로 작동하는 동안 자동적으로 혼합기를 농후하게 증대시킨다.
• 고출력 필요 시 농후혼합비를, 순항속도에서는 희박혼합비를 제공한다.
• 이 장치가 없다면, 계속해서 농후혼합비를 제공 할 것이다.
• 출력증강장치는 이코노마이저, 출력 보상장치로 도 불린다.

왕복엔진 기화기의 종류 : 부자식 기화기, 압력식 기화기

부자식 기화기 :

• 가장 일반적인 기화기이며, 저압상태에서는 연료가 완전히 기화되지 않는다.
• 결빙 현상 발생 : 저압에서 연료 공급 시, 연료의 기화로 인하여 발생하는 온도의 감소와 스로틀밸브의 오픈으로 쉽게 결빙이 형성성될 수 있다.
• 주요 구성품 : 부자기구 및 부자실, 완속 장치가속장치, 이코노마이저 장치, 혼합비조정장치, 주 계량장치

부자기구 및  부자실 :

• 기화기에 있는 연료 저장소 역할을 한다.
• 부자실의 연료높이는 연료노즐보다 낮게 유지
• 엔진정지시 연료가 노즐로 누설되는것 방지
• 부자실내 연료 레벨은 니들밸브와 니들 시트에 의해 일정하게 유지

주 계량장치 :

• 완속 이상의 속도에서 연료를 공급한다.
• 주요 구성요소 : 벤투리, 주 계량 제트, 주 분사 노즐, 완속장치 통로, 스로틀 밸브
• 부자와 니들밸브는 기계적으로 연결되어 부자실내에 연료의 양을 조절한다.
• 벤투리의 3가지 기능으로는,
• 1.연료/공기 혼합기의 비율을 조절한다. 2.최대 스로틀에서 공기흐름을 제한한다. 3.분사노즐의 압력을 감소시킨다.
• 연료분사노즐은 노즐끝부분이 벤투리의 가장 좁은 부분에 위치한다.
• 공기 흐름의 체적은 스로틀이 열린정도에 따라 달라진다.
• 벤투리를 지나는 공기의속도는 증가한다.
• 속도 증가로 인한 저압부분이 형성된다.
• 노즐주변의 압력강하로 인하여 부자실과 노즐 주변의 압력차가 발생하여 부자실에 있는 연료가 노즐을 통해 분사된다.
• 에어블리드 나 에어 미터링 제트는 급감하는 저속에서 연료공급의 감소를 제한한다.
• 연료유량의 감소 원인으로는,
• 연료는 분사노즐의 벽에 밀착하려는 경향이 있어 미세한 분무를 형성하는 대신에 간헐적으로 큰 덩어리로 떨어져 나가게 된다.
• 연료를 내보내는 힘 중 일부는 부자실을 채우는데 사용하여 연료를 분사하는 힘이 줄어든다.
• 에어블리드 나 에어 미터링 제트는 연료 밀도를 감소시키고, 표면장력을 파괴시킨다.
• 이현상은 좋은 기화와 낮은 엔진 회전속도에서, 연료분사를 효과적으로 제어할 수 있다.

스로틀밸브 :

• 벤투리 한쪽 끝단 근처에 위치하며,
• 스로틀은 엔진으로 들어가는 공기 흐름으 조절하여 엔진 회전속도 또는 출력을 제어하는 수단이다.
• 밸브는 회전하는 디스크로써 기화기의 공기통로를 열거나 닫히도록 회전할수 있다.

완속계통 :

• 완속 상태에서 스로틀밸브를 닫게 되면, 벤투리를 지나는 공기 속도가 너무 느려지게 되고 그로 인해 주분사노즐에서 충분한 연료가 분사되지 않는다.
• 완속계통은 스로틀이 닫혀있을때 연료를 공급한다.

혼합기 조정계통 :

• 고도가 증가함에 따라 공기는 점점 더 희박해진다.
• 기화기 내 벤투리는 공기 속도를 조절하여 고고도 에서도 저고도와 같은 양의 연료를 분사하게 한다.
• 결과적으로 고도가 증가함에 따라 더 농후한 연료 혼합비가 된다.
• 기화기는 수동 혼합기 조정장치와 자동 혼합기 제어장치로 조절된다.
• 부자식 기화기의 혼합기 조정장치는 작동원리에 따라 니들형 과 역흡입형으로 분류된다.
• 니들형은 부자식 바닥에 있는 니들밸브를 조종석 에 있는 조정장치를 위아래로 수동으로 조정한다.
• 조정장치를 농후에 놓으면, 밸브가 열려 연료를 공급한다.
• 반대로, 희박으로 움직이면, 밸브가 닫히는 방향으로 움직이게 되어 연료흐름을 제한한다.
• 역흡입형은 벤투리에 만들어지는 저압을 이용해서 연료흐름을 조절하는 방법으로는,
• Rich에서는 역흡입 라인을 막아 충분한 연료 공급하고,
• Lean에서는 라인을 열어 부자실내 압력을 낮추어 연료흐름을 희박하게 한다.
• Idle cutoff에서는 연료흐름을 완전히 차단하여 엔진정지한다.

가속계통 :

• 스로틀을 급격히 열면, 많은 공기가 유입되지만, 주계량장치는 반응이 늦어 연료공기혼합기가 희박해진다. 이러한 경향을 극복하기 위해 기화기 에는 가속계통이 있다.
• 스로틀이 급격히 열리면, 기계적연결을 통해 피스톤을 아래로 누름으로서, 연료를 가압하여 고속으로 연료를 공급한다.

이코노마이저 장치 :

• 고출력시 연료를 추가적으로 공급하여 엔진을 더 강하게 작동하고 연료 소모를 줄여준다.
• 니들밸브식 이코노마이저계통은 스스로틀 움직임에 따라 스로틀이 커지면, 니들이 올라가면서 추가 연료를 공급하는 방식이다.
• 스로틀 연동 대신, 출력이 높아짐에 따른 흡기압력 의 변화에 따라 이코노마이저가 자동으로 열려 추가 연료를 공급한다.
• 저출력 시, 벨로즈가 수축되고, 밸브가 닫힌다.
• 고출력 시, 벨로즈가 팽창하고, 밸브가 열린다.

압력시 기화기 :

• 대기압보다 큰 압력으로 스로틀밸브에서 엔진으로  들어가는 공기 흐름 안으로 연료를 분출한다.
• 스로틀 밸브를 통과한 후 공기의 흐름은 엔진의 열에 의해 온도 강하가 발생한다.
• 따라서, 연료 기화 결빙을 어느정도 상쇄시킨다.
• 최근에는 실린더 내에 직접 연료를 분사하는 직접 연료분사장치로 발전되었다.
• 단순히 벤추리 효과에만 의존하지 않고, 연료계통의 연료펌프를 통해 가압된 연료를 분사하는 방식이다.
• 다이어프램 : 압력차이 감지
• 연료밸브 : 연료흐름 조절
• 연료입구라인 : 연료를 공급
• 분사노즐 : 연료를 분사
• 다이어프램을 기준으로 외쪽은 흡입공기, 오른쪽은 벤투리 목부분 공기이다.
• 일반적인 공기의 흐름에 의해 오른쪽의 공기압력이 낮으므로, 다이어프램은 오른쪽으로 이동하고 연료밸브를 열어준다
• 이때 가압된 연료는 분사노즐을 통해 분사된다.
• 주요 구성품 : 스로틀 바디, 자동 혼합기제어장치, 조절기 장치, 연료 제어장치
• 스로틀 바디 :
• 실린더로 들어가는 모든 공기는 스로틀 바디를 통과해야 하므로 스로틀 바디는 공기량을 제어하고 측정하는 장치이다.
• 스로틀 바디내 공기의 흐름은 자동 혼합 제어장치 로 보내져 입구 공기와 벤투리 통과 공기를 다이어프램 챔버로 전달하면서 압력 차이로 연료 공급량을 조절한다.
• 스로틀 밸브는 조종석 스로틀 제어장치와 연결되 어 엔진 완속 속도를 조절 한다.

자동혼합기제어장치 :

• 다이아프램에 의해 조절되는 장치이다.
• 5개의 챔버, 2개의 다이아프램, 1개의 포핏밸브로 구성되어 있다.
• 연료가 inlet으로 들어오고, 여과기를 지나면서 이물질이 제거되어 공급된다.
• Poppet valve는 다이어프램의 움직임에 따라 열리고 닫힘에 따라 연료 유량을 조절한다.
• 더 많은 연료 필요시, 다이어프램은 밸브를 밀어 열리게 함으로 서 연료 유량을 증가시킨다.

조절기 장치 :

• 밸런스 다이아프램과 에어 다이아프램은 각각 연료 압력과 공기 압력을 감지하여 밸브를 조절한다.
• 흡기압력이 낮아지면, 에어 다이아프램을 움직여서 포펫밸브를 열고, 더 많은 연료를 공급한다.
• 연료에 생긴 기포는 증기분리기가 제거하여 연료만 분사되도록 한다.
• 혼합기 제어 블리드는 비행고도에 따라 연료/공기 비율을 미세하게 조정한다.
• 연료압력 연결구는 좌석에 있는 작동자에게 압력값을 전달한다.

연료제어장치 :

• 연료의 유량을 정확히 계량하고 조정하여 분사노즐로 정확한 연료유량을 보내는 장치이다.
• 정상 운전 : 스로틀 위치와 엔진 부하에 따라 자동 희박제트를 통해 적절한 연료량을 분사한다.
• 아이들 상태 : 스로틀이 거의 닫힌 상태에서 완속 운전 니들밸브를 통해 소량의 연료를 공급한다.
• 급가속 시 : 급속으로 스로틀을 열어 부하가 증가 하면, 출력증강밸브가 열려 츨력증강제트가 많은 연료를 공급한다.

구성요소	역할	작동원리
완속운전 니들밸브	아이들때 연료량 미세 조정	스로틀이 거의 닫힌 상태어서도 필요한 연료를 공급
수동 혼합기 제어	작동자 직접 혼합비 조정	고도 상승시 연료 회박화 조정
자동 희박 제트	저부하/고고도 운전시 자동 연료 감소	자동의로 연료를 적게 분사해 연비 향상
조절기 밸브(필밸브)	연료 흐름 제어 및 저장	연료를 저장하고 필요시 다이어프램으로 전달
자동 농후 제트	고부하/저고도 운전 시 자동 연료 증가	연료를 많이 분사해 출력을 높임
츨력증강 밸브	전력 상승시 추가 연료 공급	스로틀 급개방 시 더 많은 연료 분사
츨력증강제트	출력증강밸브와 연동하여 추가 연료 공급	급가속, 급등 시 필요한 추가  연료  증가

 

기화기에 발생하는 여러가지 결빙 현상들

• 연료 증발 결빙 : 연료가 증발할때 온도는 기화가 일어나는 구역 에서 더 낮아지므로, 공기 중 습기에 의해 발생
• 스로틀 결빙 : 스로틀밸브가 닫혀있을때 전면과 후면 온도차에 의해 발생, 공기흐름 방해, 밸브 결빙에 의한 고정
• 충돌 결빙 : 대기의 많은 수분에 의해 스크린, 기화기 엘보등 공기흐름의 방향이 바뀌는 표면에 충동하여 발생

직접 연료 분사 계통 :

• 연료를 실린더 내부로 직접 분사하는 방식이다.
• 장점으로는,
• 결빙 발생 가능성이 낮다.
• 연료분사 확실성으로 가속효과가 높다.
• 정확한 혼합비를 통한 규칙적인 연료를 분배한다.
• 벤딕스사와 콘티넨탈사의 연료분사계통이 대표적이다.
• 주요 구성품으로는,
• 연료분사 펌프, 조절장치, 연료매니폴드, 연료분사 노즐이 있다.
• 엔진 공기 흐름에 맞도록 연료유량을 제어하는 연속흐름식으로 지속적으로 연료를 공급한다.
• 연료의 연속적인 흐름을 위해 공급펌프는 로타리 베인 펌프를 사용한다.

직접 연료 분사 계통의 주요 구성품

연료분사펌프 :

• 정용량식 펌프이며, 엔진의 액세서리 구동축과 연결되어 작동한다.
• 연료내 증기 분리기는 소용돌이 운동으로 증기를 분리하여 연료탱크로 되돌린다.
• 엔진회전속도에 비례하여 연료를 공급한다.
• 정용량 펌프 구조상 엔진이 요구량 보다 더 많이 공급하기 때문에 재순환경로가 요구된다.
• 체크밸브를 설치하여 연료압력이 높을 시, 부품의 보호를 위해 일정압력이상시 작동한다.

연료/공기조정장치 :

• 기능은 적절한 연료/공기의 비율을 위하여 조절된 연료압력과 엔진의 공기유입을 조절함에 있다.
• 에어 스로틀은 매니폴드 입구에 설치되어 있고, 항공기에서 스로틀 조정에 의해 작동되는 버터 플라이 밸브는 엔진으로 들어가는 공기 흐름의 양을 제어한다.

연료조정장치 :

• 공기 스로틀에 연결된 미터링 밸브는 연료유량 산정, 공기흐름에 따라 정확한 연공비에 맞게 연료 산정, 혼합비 조절밸브 축은 조종석에 조절레버와 연결되어 작동자는 직접 조정한다.

연료매니폴드 :

• 연료 분사 조절밸브로 부터, 연료는 각 실린더로 연료유량을 분배하기 위해 중심부에 위치한 연료 매니폴드밸브로 전달된다.
• 연료 매니폴드밸브 내의 다이어프램은 각 실린더 연료공급포트를 동시에 열거나 닫도록 되어있다.

연료분사노즐 :

• 연료분사노즐은 연료가 흡입구 안으로 직접 분사 되도록 보통 실린더 위쪽에 위치한다.
• 내부에는 공기와 이물질을 걸러줄 스크린이 장착 되어 있다.