플라이휠
Flywheel
1. 개요
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기관의 회전을 고르게 하기 위한 장치. 기계에 문외한인 사람들을 위해 한줄로 요약하자면 관성원반 또는 무거운 원반이라고 보면 되겠다. 내연기관을 비롯한 엔진에는 왕복운동을 회전운동으로 변환해주는 과정이 필요하다. 그러나 왕복운동은 불연속적이기 때문에, 크랭크샤프트를 통해 회전축으로 전달되는 과정에서 필연적으로 회전이 고르지 않게 단속적으로 이루어지게 된다. 또한 피스톤-실린더의 왕복과정에서 발생하는 구동력과 부하의 차이로 인해 불필요한 에너지 소모가 발생하게 된다. 따라서 기관의 회전출력을 고르게 하고, 회전운동 효율을 높이기 위하여 높은 관성모멘트를 가지는 바퀴(wheel)을 회전축에 추가하게 된다. 이것이 바로 플라이휠(flywheel)이다.
플라이휠은 다음과 같이 작동한다. 예를 들어 1-2-3-4 실린더가 존재하는 내연기관의 사례를 보면 1번 실린더의 폭발로 구동력이 회전축에 전달되면 회전에너지의 일부분을 플라이휠이 저장하게 된다. 1번 실린더의 폭발이 끝나 구동력이 제거되어도 플라이휠에 저장된 회전에너지 때문에 회전축은 계속 돌아가게 되는데, 이 순간에 2번 실린더가 폭발하며 추가 구동력을 회전축에 전달한다. 역시, 플라이휠이 상당한 양의 관성모멘트를 지니고 있기 때문에 회전축은 구동력의 유무에 상관없이 회전속도의 급격한 변화가 일어나지 않게 된다. 따라서 가속할 때에는 부드러운 출력을 보여줄 수 있으며, 반대로 갑자기 동력이 제거되더라도 급격히 엔진이 정지하지 않게 된다.
하지만 기관은 왕복운동->회전운동 이라는 태생적 한계로 플라이휠이 존재함에도 불구하고 약간의 진동과 불연속이 발생하게 마련이다. 그렇기 때문에 구동력을 더 짧은 간격으로 공급할수록 더 안정적이고 부드러운 출력을 확보할 수 있게 된다. 예를 들어, 1기통 오토바이엔진보다는 3기통 경차가. 3기통 경차보다는 4기통 중형차가, 4기통 중형차보다는 6기통-8기통의 대형차가 더 엔진의 진동이 줄어든다. 이것은 더 짧은 간격으로 구동력을 공급하기 때문에 엔진의 진동, 소음이 정숙해 질 수 있기 때문이다. 다만 꼭 들어맞는 말은 아니고 실린더당 각도차에 따른 엔진의 성향은 전적으로 엔진을 만드는 엔지니어의 성향에 따라 다르기 때문에 반드시 등간격으로 각도를 쪼개서 맞추는것은 아니다. 간혹 2개 이상의 실린더가 같은 행정을 하는 엔진도 존재한다. 보통 직렬 4기통은 실린더당 각도를 180도 정도로 등간격으로 맞추어 놓아[1]상당히 정숙해지고 이것 보다 실린더 수가 많아지면 그 때 부턴 큰 차이는 없다.
플라이휠이 무거울 수록 더 큰 운동 에너지를 안정적으로 수집 및 방출할 수 있기에 엔진 회전은 부드럽게 되지만 그걸 역으로 보자면 그만큼 엔진 반응이 둔중해진다는 의미가 된다. 엔진 회전수를 능동적으로 컨트롤해야 하는 상황에서 무거운 플라이휠은 방해만 되기 때문에 자동차를 튜닝할 때 기본적으로 포함되는 항목이 바로 경량 플라이휠 교환이기도 하다. 물론 경량 플라이휠 교환에 따른 엔진 회전은 그만큼 신경질적으로 불안정해진다.
더불어 반대로 플라이휠의 회전운동을 엔진의 왕복운동으로 바꾸는 사례가 있는데, 바로 경운기나 예초기에 시동을 걸 때. 엔진은 돌고 있다면 끊임 없이 행정이 반복되지만 엔진이 돌고 있지 않다면 바깥에서 힘을 가지고 엔진을 억지로 돌려 작동시켜야 하는데 이것을 시동이라고 부른다. 요즘은 엔진에 모터를 따로 달아 전기 에너지를 통해 시동을 걸지만 경운기는 사람이 직접 플라이 휠에 막대를 꼽아 돌려 엔진을 돌리기도 한다. 최신식 경운기라면 모터를 통해 시동을 걸지만 경운기의 수명은 생각보다 길기 때문에 아직도 사람 손으로 시동 거는 경운기가 꽤 남아있다. 엔진방식 예초기나 예초기 엔진을 장착한 원동기장치자전거도 손으로 줄을 팽팽 당겨서 시동을 거는 장면을 볼 수 있다. 익숙하지 않으면 시동이 잘 안 걸릴 때가 많다.
2. 에너지 저장 장치로써의 활용
일반적이지는 않지만 에너지 저장용으로 플라이휠이 사용되기도 한다. 용량은 배터리 등에 비할 바는 아니지만 그래도 슈퍼캐패시터보다는 많은 에너지를 저장할 수 있다는듯. 그리고 물리적으로 에너지를 저장하기 때문에 배터리에 비해 안전하고 수명도 길다고 한다. 방전률도 상당히 높다. 그래도 UPS로 쓰기엔 더 좋은 것들이 있어서 일반적이진 않다.
3. 매체에서의 등장
자동차나 선박을 다루는 전문 다큐멘터리에서는 위에 설명한 내용과 같은 플라이휠이 등장한다.
하지만 축퇴로 등 가상의 엔진 등을 다룬 작품에서는 '''플라이휠은 위의 내용 + 보조동력기관이 연결된 추진장치라는 속성을 가진다.''' 즉 플라이휠에 보조동력기관을 부착해서 주엔진이 정지하더라도 통상전력이나 기본적인 이동 및 주엔진 시동등의 임무를 가능하게 만드는 것이다. 대표적인 사례로는 신비한 바다의 나디아에서 뉴 노틸러스호가 기존의 노틸러스호에서 떼어낸 대소멸 엔진을 뉴 노틸러스호의 플라이휠과 연결해서 보조동력으로 사용한다. 그리고 에반게리온: Q에 이를 오마주한 듯한 AAA 분더가 나오는데, 역시 플라이휠을 쓰고 있다.
[1] 보통의 4행정 기관은 엔진의 폭발 1번당 크랭크가 두바퀴를 돌기 때문에 720도를 돈다.