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왕복엔진 기본구조 및 외부 명칭

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왕복엔진 기본구조 및 외부 명칭

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왕복 엔진은 열에너지를 기계적 에너지로 변환하여 프로펠러를 구동하는 내연 기관입니다

스피너: 프로펠러 허브(Hub) 앞에 장착되는 유선형의 원뿔형 덮개입니다. ✈️ 주로 미적인 요소나 공기역학적 효율을 위해 사용되지만, 내부의 중요한 부품들을 보호하는 역할도 수행합니다.

시동기: 시동기(Starter)의 역할은 엔진이 스스로 작동할 수 있는 회전 속도에 도달할 때까지 엔진을 돌려주는 것입니다. 🔑 엔진이 스스로 힘을 만들어내려면 최소한의 흡입, 압축, 점화 과정이 필요하며, 시동기는 이 초기 과정을 시작하는 외부 동력원을 제공합니다.

플라이휠: 왕복 엔진의 회전 속도를 고르게 유지하고 관성을 제공하는 매우 중요한 부품입니다. 특히 왕복 엔진의 불연속적인 동력 발생을 보완하여 엔진의 작동을 안정화하는 역할을 합니다.

플라이휠의 주요 역할 ⚙️

1. 회전 속도 균일화 (관성 제공)

왕복 엔진은 4행정 중 오직 팽창(동력) 행정에서만 힘을 얻습니다. 나머지 흡입, 압축, 배기 행정은 동력이 아닌 저항이 발생하는 행정입니다.

역할: 플라이휠은 폭발 행정에서 얻은 회전 운동 에너지를 저장해 두었다가, 동력이 발생하지 않는 나머지 행정(압축, 흡입, 배기) 동안 이 저장된 관성을 이용하여 크랭크축을 계속 회전시키고 속도를 일정하게 유지시켜 줍니다.

효과: 이 완충 작용이 없으면 엔진 속도는 폭발 행정 때 빨라졌다가 다른 행정 때 느려지는 불규칙한 변동(진동)이 심해지며 출력이 불안정해집니다.

2. 엔진 시동 보조 🔑

역할: 플라이휠의 외곽에는 링 기어(Ring Gear)가 장착되어 있습니다. 시동을 걸 때, 스타터 모터(시동 모터)의 피니언 기어가 이 링 기어와 맞물려 엔진 전체를 회전시키고, 첫 번째 압축 사이클을 시작할 수 있게 해줍니다.

3. 진동 및 소음 감소 🔇

역할: 크랭크축 후단에 장착된 무거운 질량체로서, 엔진이 작동할 때 발생하는 진동과 토크의 순간적인 변화를 흡수하고 감쇠시켜 운전 성능 및 승차감을 향상시킵니다.

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4행정 기관 작동 원리

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4행정 기관 작동 원리

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크랭크축이 2회전하는 동안 1회 폭발이 일어나는 사이클입니다.

크랭크축: 피스톤으로 전달받은 직선 왕복운동 에너지를 회전 에너지로 변환하는 부품.

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압축비 (Compression Ratio): 기관의 열효율을 결정하는 핵심 요소. 높을수록 효율이 좋으나 노킹(Knocking) 위험 증가.

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엔진 노킹은 엔진 내부에서 연료가 정상 연소 범위를 넘어 급격히 폭발하면서 금속을 두드리는 듯한 소음과 진동이 발생하는 현상으로, 장기적으로 엔진에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.

주요 원인

1. 옥탄가 부적합: 엔진이 요구하는 옥탄가보다 낮은 연료를 사용하면 조기 점화로 인해 노킹이 발생합니다. 고성능 엔진일수록 고급 휘발유 사용이 필수적입니다.

2. 엔진 과열: 냉각수 부족이나 냉각 시스템 고장으로 엔진이 과열되면 연료가 일찍 폭발해 노킹이 유발됩니다.

3. 점화 시기 불량: 점화 플러그가 너무 일찍 점화되거나 상태가 좋지 않으면 연소실 내 혼합기가 정상적으로 연소되지 않고 폭발합니다.

4. 카본 축적: 장기간 운행 시 엔진 내부에 카본이 쌓이면 연소실 공간이 줄고 압축비가 증가해 노킹이 발생할 수 있습니다.

5. 공기-연료 비율 불량: 산소 센서나 연료 분사 장치 고장으로 혼합비가 적절하지 않으면 노킹이 생길 수 있습니다.

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1. 실린더 헤드의 정의 및 역할

실린더 헤드는 실린더 상단에 위치하여 연소실을 형성하는 부분입니다. 왕복 엔진에서 연소 작용이 실제로 일어나는 공간을 닫아주는 뚜껑 역할을 합니다.

2. 실린더 헤드의 주요 장착 부품

실린더 헤드는 엔진 작동에 필수적인 다음 부품들이 장착되는 곳입니다.

흡입 밸브 (Intake Valve): 혼합 가스를 실린더로 흡입할 때 개방됩니다.

배기 밸브 (Exhaust Valve): 연소 가스를 외부로 배출할 때 개방됩니다.

스파크 플러그 (Spark Plug): 압축 행정 말기에 스파크를 발생시켜 혼합 가스를 점화합니다.

연료 분사 장치 (Fuel Injector): (연료 분사식 엔진의 경우) 연료를 실린더 내부나 흡입 포트에 분사합니다.

3. 실린더 헤드 커버 및 가스켓

실린더 헤드 커버: 밸브 등 내부 부품들을 외부 이물질이나 충격으로부터 보호하기 위해 실린더 헤드 위에 장착됩니다.

가스켓 (Gasket): 실린더 헤드 커버를 장착할 때, 실린더 몸통(배럴)과 헤드 커버 사이에 장착되는 부품입니다.

주요 역할: 밀폐 (Seal) 역할을 하여 오일이나 압력이 새는 것을 방지하는 실 (Seal)의 일종입니다.

재질: 주로 석면, 알루미늄 등이 사용됩니다.

1. 실린더 배럴 (Cylinder Barrel)의 정의 및 기능

실린더 배럴은 실린더의 몸통 역할을 하는 부분으로, 내부에서 점화와 폭발이 일어나는 연소실의 벽을 형성합니다.

1.1. 내부 구성품

실린더 배럴 내부에는 다음 핵심 부품들이 장착되어 작동합니다.

피스톤 (Piston): 왕복 운동을 하며 동력을 전달합니다.

피스톤 링 (Piston Ring): 피스톤에 장착되어 밀봉, 오일 제어, 열전달 역할을 합니다.

피스톤 핀 (Piston Pin): 피스톤과 커넥팅 로드를 연결해 주는 핀입니다.

1.2. 냉각 기능

배럴 외부에는 냉각 핀 (Cooling Fin)이 형성되어 있습니다.

이 핀들은 항공기가 비행할 때 프로펠러 후류나 외부 공기를 실린더 표면에 고르게 흐르도록 유도하여 냉각을 돕습니다.

2. 실린더 배럴의 재질 및 표면 처리

2.1. 재질 및 기본 처리

재질: 주로 단조로 제작된 강철 합금 (Steel Alloy)을 사용합니다.

표면 처리 (경화): 내부 표면은 피스톤과 피스톤 링에 의한 마모를 방지하기 위해 표면 경화 처리를 합니다.

2.2. 심화 표면 처리

질화 처리 (Nitriding): 내부 표면 경화 처리법 중 하나로, 금속 표면에 질소를 침투시켜 경도를 높입니다.

크롬 도금 (Chromium Plating): 마모된 내부 표면을 재생 처리하고 수명을 연장하기 위해 크롬 도금을 하기도 합니다.

주의: 크롬 도금된 실린더를 사용할 때는 반드시 주철 피스톤 링만을 사용해야 합니다.

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1. 피스톤 (Piston)의 두 가지 유형

피스톤은 실린더 안에서 직선으로 움직이며 폭발의 힘을 받습니다. 피스톤의 아랫부분을 스커트(Skirt)라고 하는데, 이 모양에 따라 크게 두 가지로 나뉩니다.

트렁크형 피스톤 (Trunk Piston) 🐘:

특징: 스커트 부분이 길어서 안정적으로 피스톤을 지지해줍니다.

장점: 안정성이 매우 높아 항공기 엔진에 주로 사용됩니다.

슬리퍼형 피스톤 (Slipper Piston) 👟:

특징: 피스톤의 측면을 최대한 잘라내서 스커트가 짧고 가볍습니다.

단점: 피스톤 강도가 약하고 내마모성이 떨어져 고출력 항공기 엔진에는 사용되지 않습니다.

피스톤 헤드 모양: 피스톤의 윗부분(헤드)은 평평형, 오목형, 볼록형 등으로 나뉘며, 오목형은 밸브 작동에 간섭을 주지 않도록 밸브 모양에 맞게 가공되기도 합니다.

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1. 타원형 구조 (Cold 상태)

저온(Cold 상태) 특징: 엔진이 작동하기 전이나 저온 상태일 때는 피스톤 핀에 수직인 방향의 지름이 더 크고, 피스톤 핀 방향의 지름이 더 작은 타원형입니다.

목적: 이렇게 피스톤 핀에 수직인 방향으로 직경이 큰 타원형으로 제작하는 이유는 엔진 초기 시동 시 실린더 내부에서 피스톤의 움직임이 흔들리지 않고 똑바로 유지될 수 있도록 하기 위함입니다.

2. 원형으로의 변화 (Hot 상태)

고온(Hot 상태) 특징: 엔진이 정상 작동 온도에 도달하여 피스톤이 뜨거워지기 시작하면 열팽창이 일어납니다.

목적: 이 열팽창에 의해 타원형이었던 피스톤이 완전한 원형으로 변형됩니다.

이 과정 덕분에 예열(Warm Up) 동안 피스톤이 실린더 벽을 치는 현상(노이즈)을 줄일 수 있으며, 엔진이 정상 작동 온도에 도달했을 때 피스톤이 정확한 치수를 유지하게 되어 실린더와의 간격이 적정하게 유지됩니다.

요약하자면, 캠 그라운드 피스톤은 저온에서는 타원형이고 작동 온도에서는 열팽창을 통해 원형으로 변형되어, 엔진의 전 작동 온도 범위에서 안정성과 정숙성을 확보하도록 설계된 피스톤입니다.

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1. 위치 및 구성

위치: 피스톤에 있는 그루브(Groove)라는 일종의 홈에 장착됩니다.

링 랜드 (Ring Land): 피스톤 링이 장착되는 홈 사이의 피스톤 부분을 링 랜드(Ring Land)라고 부릅니다.

재질: 주로 고급 주철로 제작됩니다.

장착 개수: 피스톤 링의 장착 개수는 엔진에 따라 다양하며, 피스톤 링 3개가 장착되는 경우(압축링 2개, 오일링 1개)부터 5개까지(압축링 3개, 오일링 2개) 다양하게 구성됩니다.

2. 주요 역할 (3가지 기능)

피스톤 링은 실린더 벽과 피스톤 사이를 밀봉하여 엔진 성능과 수명에 필수적인 역할을 합니다.

1. 기밀 유지 (압축 방지): 실린더 내부 연소실에서 가스 압력이 새어 나가는 것을 방지합니다 (주로 압축링의 역할).

2. 오일 제어 (유입 방지): 엔진 내부의 오일이 연소실로 유입되는 것을 막습니다 (주로 오일 조절링 또는 오일 제 링의 역할).

3. 열 전달: 피스톤의 열을 실린더 벽으로 전달하여 열을 식혀주는 역할을 합니다.

3. 피스톤 링의 종류

피스톤 링은 기능에 따라 크게 세 종류로 나뉩니다.

압축링 (Compression Ring): 연소실의 압력을 밀봉하여 동력이 새지 않도록 하는 역할을 합니다. (자료에서는 $\text{Primary Compression Ring}$과 $\text{Secondary Compression Ring}$으로 구분되어 있습니다).

오일 조절링 (Oil Control Ring): 실린더 벽에 발린 윤활유 중 불필요한 양을 긁어내려 보내 오일이 연소실로 올라가는 것을 제어합니다.

오일 제 링 (Oil Scraper Ring / Oil Wiper Ring): 오일을 긁어내는 역할을 합니다.

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4. 단면 형상에 따른 분류

피스톤 링은 단면 형상에 따라서도 다음과 같이 분류됩니다.

평면형 (Rectangular Type)

테이퍼형 (Tapered Type)

쐐기형 (Wedge Shaped Type)

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1. 흡입 밸브 (Intake Valve)와 배기 밸브 (Exhaust Valve)

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1. 흡입 밸브 (Intake Valve)와 배기 밸브 (Exhaust Valve)

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1.1. 밸브의 재질 🌡️

항공기 왕복 엔진의 밸브는 작동 환경 온도에 따라 다른 재질로 제작됩니다.

흡입 밸브 (Intake Valve):

작동 환경: 연소 가스와 직접 접촉하는 배기 밸브에 비해 저온에서 작동합니다.

주요 재질: 크롬-니켈강 (Chrome-Nickel Steel)

배기 밸브 (Exhaust Valve):

작동 환경: 고온의 연소 가스가 배출되는 경로에 있으므로 내열성이 우수해야 합니다.

주요 재질: 니켈강, 실크롬 (Silchrome), 또는 코발트-크롬강 (Cobalt-Chrome) 등 내열 합금.

1.2. 밸브 작동 원리 (캠-푸시로드 메커니즘) ⚙️

밸브의 작동은 크랭크샤프트의 회전과 동기화되어 정확한 시점에 열리고 닫히도록 설계됩니다.

1. 캠 샤프트 (Camshaft) 구동: 크랭크샤프트의 회전에 따라 캠 샤프트가 함께 회전합니다.

2. 캠 로브 (Cam Lobe)의 작동: 캠 샤프트에 있는 돌출부인 캠 로브가 튜브 형태의 부품인 푸시 로드 (Push Rod)를 밀어 움직이게 합니다.

3. 푸시 로드의 전달: 푸시 로드의 움직임은 로커 암 (Rocker Arm)에 전달됩니다.

4. 밸브의 개폐: 로커 암은 밸브 스템 끝을 눌러 밸브를 열고 (Open), 캠 로브가 지나가면 밸브 스프링의 힘으로 밸브가 닫히게 (Close) 됩니다.

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1. 왕복 엔진 밸브의 종류와 구조

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1. 왕복 엔진 밸브의 종류와 구조

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왕복 엔진의 밸브는 실린더 내부의 기밀 유지와 가스 흐름 제어에 매우 중요합니다.

1.1. 밸브의 종류 (Valve Types) 🔍

왕복 엔진에 사용되는 밸브는 포펫형 (Poppet Type)이 가장 널리 사용되며, 이는 밸브가 수직으로 왕복하며 실린더를 개폐하는 방식을 총칭합니다. 기능사 시험 대비를 위해, 포펫형 밸브는 그 밸브 헤드의 단면 모양에 따라 다음과 같이 세분화된다는 것을 이해하는 것이 중요합니다.

1. 버섯형 (Mushroom Type): 밸브 헤드의 상단이 평평하거나 약간 둥근 가장 기본적인 형태입니다. 주로 흡입 밸브로 사용됩니다.

2. 튤립형 (Tulip Type): 밸브 헤드의 상단이 오목하게 들어간 형태입니다. 이 디자인은 밸브의 중량을 감소시키고 내열성을 향상시키기 때문에 주로 배기 밸브로 사용됩니다.

3. 세미-튤립형 (Semi-Tulip Type): 밸브 헤드의 형태가 튤립형과 버섯형의 중간 정도인 형태입니다.

기능사 핵심: 따라서 튤립형, 세미-튤립형, 버섯형은 모두 포펫형이라는 큰 분류에 속하는 세부 형태이며, 항공기 왕복 엔진의 밸브는 이 포펫형 작동 방식을 기본으로 채택합니다.

밸브의 주요 구조 (Valve Structure)

항공기 왕복 엔진의 밸브는 4개의 주요 부분으로 구성되어 있으며, 각각 특정 기능을 수행합니다.

1. 밸브 헤드 (Valve Head):

밸브의 가장 넓은 부분이며, 실린더 내부의 연소 가스와 직접 접촉하는 부분입니다.

밸브 페이스와 넥이 연결되어 있습니다.

2. 밸브 페이스 (Valve Face):

밸브가 밸브 시트 (Valve Seat)에 밀착되어 실린더 내부의 기밀을 유지하는 핵심적인 표면입니다.

또한, 밸브 헤드의 열을 밸브 시트를 통해 실린더 헤드로 전달하여 냉각을 돕는 역할을 합니다.

일반적으로 30도 또는 45도의 경사각을 가집니다.

3. 밸브 넥 (Valve Neck):

밸브 헤드와 밸브 스템이 연결되는 접합 부분을 말합니다.

4. 밸브 스템 (Valve Stem):

밸브 작동 기구 (푸시 로드, 로커 암)와 접촉하는 부분이며, 밸브 가이드 내부를 왕복하며 밸브가 정확한 위치에서 움직이도록 안내하는 역할을 합니다.

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밸브 스템은 밸브의 길고 가는 축 부분입니다.

1.1. 주요 기능 및 역할

안내 (Guide) 역할: 밸브 스템은 밸브 가이드 (Valve Guide) 내부를 왕복하면서 밸브 헤드가 정확한 위치에서 움직이도록 안내하는 역할을 합니다.

왕복 운동 유지: 밸브 스템이 밸브 가이드 내에서 부드럽게 움직임으로써 밸브의 정확한 왕복 운동을 유지하도록 해줍니다.

1.2. 구조적 특징

표면 경화 처리: 밸브 스템은 밸브 가이드와 지속적으로 마찰하기 때문에 내마모성 향상을 위해 표면에 경화 처리가 되어 있습니다.

참고: 밸브 가이드는 실린더 헤드에 삽입되어 밸브 스템의 움직임을 지지하고 안내하는 부품입니다.

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주요 목적: 실린더에 적절한 혼합비의 혼합 가스(공기+연료)를 공급하여 엔진 출력을 제어합니다.

구성품 핵심:

기화기 (Carburetor): 베르누이의 원리를 이용하여 흡입 공기 흐름에 연료를 분사, 혼합하여 혼합 가스를 생성합니다.

연료 분사 장치 (Fuel Injector): 실린더 또는 흡기 포트에 직접 연료를 분사하여 기화기보다 더 정확한 혼합비 제어를 가능하게 합니다.

기능사 핵심: 혼합비는 공기와 연료의 중량비를 뜻하며, 이론 공연비는 약 15:1입니다.

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주요 목적: 압축 행정 말기에 정확한 시점에 고전압 스파크를 발생시켜 혼합기를 폭발시킵니다.

구성품 핵심:

마그네토 (Magneto): 엔진 구동과 독립적으로 고전압을 발생시키는 핵심 장치입니다. 엔진의 크랭크 축과 연결되어 구동됩니다.

점화 플러그 (Spark Plug): 고전압을 받아 스파크를 생성하여 연소를 시작합니다.

기능사 핵심: 항공기 왕복 엔진은 안전성과 연소 효율 증진을 위해 실린더당 2개의 점화 플러그를 사용하는 이중 점화 방식을 채택합니다.

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주요 목적 (6대 기능): 엔진 부품 간의 마찰을 줄이는 윤활 외에, 냉각 (마찰열 제거), 밀봉 (피스톤 링), 청정 (슬러지 제거), 방청 (부식 방지), 완충 (충격 흡수)의 6가지 기능을 수행합니다.

윤활 방식:

건식 섬프 (Dry Sump): 윤활유 저장 탱크가 엔진 외부에 별도로 분리되어 있는 방식. 대형 고성능 엔진에 주로 사용됩니다.

습식 섬프 (Wet Sump): 윤활유가 엔진 하부 크랭크 케이스에 저장되는 방식. 소형 엔진에 사용됩니다.

1. 슬러지 생성의 역설

슬러지는 엔진 오일 자체가 변화하고 오염물을 포집하는 과정에서 생깁니다.

오일의 열화 (산화): 엔진 작동 중 고온🔥에 노출되면 윤활유 분자가 산소와 결합하여 끈적한 산화물을 만드는데, 이것이 슬러지의 주성분입니다. 오일은 엔진을 냉각하는 과정에서 열을 흡수하며 스스로 희생되는 셈입니다.

오염물 포집: 윤활유의 6대 기능 중 하나인 청정 기능 때문에, 연소실에서 새어 나온 그을음이나 수분 같은 오염물질을 오일이 능동적으로 흡수하여 엔진 내부에 침착되지 않도록 포집합니다.

즉, 엔진 오일은 엔진을 보호하기 위해 열과 오염물을 받아들이는 과정에서 스스로 오염되어 슬러지를 형성합니다.

2. 슬러지 제거 원리

윤활 계통은 오염된 오일(슬러지가 포집된 상태)을 순환시키면서 엔진 외부에서 청소합니다.

화학적 분산: 오일 속의 분산제(Dispersant) 첨가제가 슬러지 입자가 크게 뭉치지 않도록 미세하게 분산시켜 오일 속에 현탁 상태로 떠다니게 합니다. 이 덕분에 슬러지가 엔진 내부에 달라붙지 않습니다.

물리적 여과: 분산된 슬러지와 금속 마모 입자를 포함한 오일은 오일 펌프를 통해 순환됩니다. 이때 오일 필터를 통과하며 불순물(슬러지 덩어리 포함)이 걸러지게 됩니다.

침전: 오일 탱크나 섬프 바닥에서 중력을 이용해 무거운 슬러지나 이물질이 아래로 가라앉게 됩니다.

결국, 윤활 계통은 엔진 오일이라는 매개체를 이용해 오염물을 끌어안고(생성), 그 오염물을 필터와 탱크를 이용해 걸러내는(청소) 순환 및 정화 시스템입니다. ♻️

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주요 목적: 연소 시 발생하는 고열로 인해 엔진이 과열되는 것을 막고, 적정 작동 온도를 유지하여 엔진 수명을 보존합니다.

방식:

공랭식 (Air-cooled): 실린더 외부에 부착된 냉각 핀 (Cooling Fins)을 통해 비행 중 발생하는 공기 흐름이나 팬을 이용하여 열을 방출하는 방식입니다. 항공기 왕복 엔진의 주된 방식이며, 실린더 헤드 부분에 냉각 핀이 가장 집중되어 있습니다.

수랭식 (Liquid-cooled): 냉각액을 사용하여 열을 흡수하고 라디에이터를 통해 식히는 방식입니다. (일부 고성능 엔진에 사용).

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주요 목적: 고도가 높아지면 공기 밀도가 낮아져 엔진 출력이 떨어지는데, 이를 보정하기 위해 흡입 공기를 압축하여 실린더에 공급합니다.

종류:

과급기 (Supercharger): 엔진의 크랭크 축 동력을 직접 사용하여 압축기를 구동합니다.

터보차저 (Turbocharger): 엔진에서 배출되는 배기 가스의 에너지를 이용하여 터빈을 돌리고, 이 터빈에 연결된 압축기를 구동합니다. 배기 에너지를 재활용하므로 더 효율적입니다.

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주요 목적: 왕복 엔진의 회전 동력을 추력으로 변환하여 항공기를 앞으로 나아가게 합니다.

핵심 용어:

피치 (Pitch): 프로펠러 날개가 1회전 시 나아가는 이론적 거리입니다.

슬립 (Slip): 이론 피치와 실제 유효 피치의 차이입니다.

가변 피치 (Variable Pitch): 이착륙, 순항 등 비행 조건에 따라 프로펠러 날개의 각도(피치)를 자동으로 조절하여 효율을 최대화하는 방식이 현재 널리 사용됩니다.