왕복엔진
1. 개요
reciprocating engine, piston engine.
왕복엔진은 왕복 운동을 하는 피스톤을 써서 기체의 압력을 회전 운동으로 바꾸는 엔진이다. 다른 말로는 피스톤 엔진이라고도 한다. 대부분의 자동차, 오토바이의 엔진이 바로 이 왕복엔진이다.
보통 연료를 태워서 기체에 열을 가함으로써 압력을 높이지만, 어찌됐건 압력만 있으면 되므로 꼭 연료를 태울 필요는 없다. 미리 압축된 공기를 사용하는 특수한 경우도 있고, 일부 어뢰에서처럼 고압 가스가 생기는 화학반응을 일으키는 추진제를 사용하기도 한다.
흔한 종류로는 내연기관, 증기기관, 스털링 기관 등이 있다. 이들은 열의 공급 방식 등이 서로 다르지만, 왕복엔진으로서의 공통적인 특징을 가진다. 즉, 실린더가 있고, 그 안에 피스톤이 있어서 왕복 운동을 한다는 점이다. 실린더 안의 기체는 이미 압력을 높인 상태로 주입되든가 (증기기관), 외부에서 열을 가해서 압력을 높이든가(스털링 기관), 아예 실린더 안에서 연소를 시켜 압력을 높이든가(내연기관) 해서 피스톤을 밀어내도록 만든다. 실린더 내의 기체가 피스톤을 끝까지 밀어내면, 엇갈려 움직이는 다른 피스톤의 움직임이나 플라이휠의 관성을 이용해서 다시 피스톤을 실린더에 가장 밀착되는 위치로 원복시킨다. 그 후 다시 기체가 밀어내도록 하는 과정부터 반복. 이러한 과정에서 피스톤이 왔다갔다 하는 왕복 운동을 하므로, 왕복엔진 혹은 피스톤 엔진이라는 이름이 붙었다.
실린더 안을 피스톤이 움직이는데, 이때 피스톤과 실린더 벽과의 틈새로 기체가 새 버리면 말짱 꽝이므로 이 틈새가 반드시 밀폐되어야 한다. 보통 피스톤 둘레에 홈을 몇 개 파고 이곳에 링을 끼워서 실린더 벽에 단단히 밀착되도록 한다. 이 링을 피스톤 링이라 한다.
증기기관과 내연기관에서는 실린더와 피스톤 말고도 실린더 내로 기체를 드나들게 할 밸브가 필요하다. (스털링 기관은 밀봉이라 필요 없음). 이런 밸브는 대개 엔진 샤프트에 연결된 캠이나 크랭크에 의해 피스톤의 움직임과 연동된다.
필요에 따라 다르겠지만, 대개는 크랭크샤프트를 이용해서 피스톤의 직선 운동을 회전 운동으로 바꾼다. 이때 더 부드러운 회전을 위해서 플라이휠을 사용하기도 한다.
실린더 수(기통 수)가 많을수록 엔진이 전체적으로 더 부드럽게 움직인다. 예를 들어 일반 자동차에는 흔히 4기통이 쓰이는데, 고급차/대형차에는 6기통, 8기통, 심지어 12기통까지 쓰이기도 한다. 물론 기통수가 많아질수록 배기량(실린더 용적 X 개수)이 커지므로 출력 또한 대체로 증가한다. 조그마한 RC 모형엔진 등은 불과 몇 cc 의 배기량을 가지는 반면, 현재 사용되는 가장 큰 왕복엔진은 무려 25,480 리터(=25,480,000cc)의 배기량을 가진다. 선박용 엔진인데, 역시 덩치도 커서, 높이 13.5 m, 길이 27.3 m, 무게 2300 톤에 달한다. 출력은 114,800 마력.
실린더들을 배치하는 형태에 따라, 실린더를 세로로 가지런히 늘어놓는 직렬 엔진, V자로 놓는 V형 엔진, 원형으로 늘어놓는 성형엔진, 서로 마주보게 놓는 수평대향 엔진 등으로 나뉜다.
왕복엔진은 엔진의 특성상 폭발행정과 왕복운동이 포함되므로 상대적으로 진동이 심하고 시끄러운 편이다. 이와 비교되는 가스터빈은 회전운동만이 존재하기 때문에 진동도 거의 없고 비교적 조용하다. 대표적인 왕복엔진인 디젤엔진이 부릉부릉 털털털 하는 소음과 진동을 발생시키는 데 반해, 가스터빈의 대표 기관인 터보팬 엔진을 사용하는 비행기를 타보면 위이이잉 하는 소리만을 들을 수 있는 데에서 잘 알 수 있다.
터보제트엔진의 경우 분사 가스의 반동력에 의해 움직이므로 왕복엔진보다 시끄러울 수 있으나 이미 도태된 엔진이며, 낮은 저주파 소음인 왕복엔진에 비해 가스터빈 엔진은 고주파 소음이므로 가까이선 더 소음이 클지 모르겠지만 거리가 멀어질수록 감쇄율이 크고 감쇄시키기도 유리하다.
2. 항공기용 왕복엔진
제트엔진이 등장하기 전에는 항공기는 전부 왕복엔진을 쓰는 프로펠러기 였지만 제트엔진이 등장하자 전투기나 대형 여객기 등 고속의 비행기는 거의 전부 터보팬 엔진을 쓰게 되었다. 과거에는 프로펠러를 쓰는 저속의 비행기는 대형기도 실린더가 원형으로 배치된 Radial 엔진 등 고출력 왕복엔진이 널리 쓰였지만 훨씬 작고 가벼운 터보프롭엔진이 발전하자 대형 프롭기의 고출력 엔진은 거의 터보프롭엔진을 쓰게 되었다. 하지만 경비행기, 경량항공기, 초경량항공기 등 저속의 작은 비행기의 소출력엔진에는 여전히 압도적으로 왕복엔진을 많이 쓰고 있다. 대체로 진동을 상쇄하는 수평대향식 4기통 가솔린 왕복엔진이 많고 230 마력 (170 kW) 정도 까지는 4기통, 6기통으로 350-400 마력(300kW) 정도까지, 그 이상은 8기통이 많다.
대표적인 경비행기용 왕복엔진으로는 Lycoming O-360 등이 있다. 공랭식 수평대향 4행정 4기통 엔진, 배기량 5,916 cc, 180 마력 (134 kW) @ 2700 rpm, 무게 117 kg. 연료는 항공용 가솔린 (avgas) 290 g/(kW*h)
비행체가 초경량인 경우에는 아예 UL39 Albi처럼 오토바이 엔진을 갖다 튜닝해서 사용하는 경우도 있다.
새로운 디젤왕복엔진으로는 프랑스 SMA 엔진사의 SR305-230이 있다. 공냉및 유냉식 수평대향 4행정 4기통 터보차저 디젤 엔진, 배기량 4,988 cc, 169 kW (227 마력) @ 2,200 rpm, 무게 195 kg, 연료는 Jet A유, 연비는 180 g/(kW*h).
그 외 항공기용 엔진 제작사로는 오스트리아의 로탁스(Rotax), Austro 엔진, 미국의 컨티넨탈, 호주의 자비루(Jabiru), 독일의 Hirth, Thielert, 벨기에의 ULpower, 스페인의 H&E 등이 있다.
프로펠러를 쓰는 프롭기의 엔진으로 왕복엔진과 터보프롭엔진의 장단점을 비교하자면..
- 터보프롭엔진은 출력에 비해 왕복엔진보다 크기나 무게가 훨씬 작고 가볍다. 비슷한 무게인데도 출력은 터보프롭이 몇 배로 큰 차이가 난다. 특히 고출력이 될수록 왕복엔진은 너무 무겁고 커져서 비행기에 장착하기가 곤란하다.
- 왕복엔진은 소출력으로 만들기 쉽고 가격도 저렴하다. 반대로 터보프롭은 소출력 엔진을 만들기가 어렵고 비경제적이다. 소출력 터보프롭 엔진은 약 5-600마력(440 kW)급 정도. 소출력 왕복엔진은 가격이 몇 만 달러 선인데 소출력 터보프롭엔진은 기본이 몇십만 달러로 가격에서 큰 차이가 난다. 대체로 400 마력 300 kW 이하는 왕복엔진이 쓰이고 그 이상은 터보프롭엔진이 쓰인다.
- 왕복엔진은 연소효율이 높아서 출력대비 연료비는 왕복엔진이 더 경제적이다. 터보프롭은 300-350 g/(kW*h) 정도지만 가솔린 왕복엔진은 대체로 240-300 g/(kW*h)이고 디젤 왕복엔진은 180-200 g/(kW*h). 하지만 요즘 항공용 가솔린 가격(세금)이 올라서 경제성도 옛말.
- 왕복엔진은 기계적 진동이 심하다.
- 왕복엔진은 터보프롭엔진보다 부품수도 많고 구조가 복잡하고 크기도 커서 고장나기 쉽고 정비가 어렵고 정비시간이 길다. 오버홀 수명이나 정비 주기도 2,000 비행시간 정도로 비교적 짧다.
- 요즘은 왕복엔진에 쓰이는 항공용 휘발유(avgas)의 세금이 유럽에서 크게 올라 비싸고 점차 구하기 어려워지고 있다. 일부 소규모 공항에선 아예 항공용 휘발유를 구할 수 없는 경우도 있다. 그래서 최근에는 터보프롭엔진에 쓰는 제트유를 연료로 쓸 수 있는 항공기용 디젤 왕복엔진이 개발되고 있다. 제트유가 더 싸고 흔하고 소규모 외딴 공항에서도 구하기가 쉽다. 대표적인 항공기용 디젤엔진이 MQ-1C 그레이 이글에 쓰이는 Thielert Centurion 이나 그 라이센스를 받아 생산중인 컨티넨탈 디젤 엔진. 항공기용 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 크기가 크고 무겁고 복잡하지만 같은 출력으로 연료소모가 적어 체공시간이 길다.
- 프러펠러기는 태생적으로 시끄러운 프로펠러 회전 소음이 발생한다. 또 음속에 가까워질수록 프로펠러의 효율이 떨어져서 고속으로 운항하는 비행기에는 쓸 수 없다. 이건 왕복엔진의 문제가 아니고 프로펠러를 사용하는 프롭기의 숙명.