오토 사이클 과정, 열효율 및 압축비

오토 사이클 과정, 열효율 및 압축비

이번 게시글에서는 내연기관의 핵심 개념 중 하나인 오토 사이클(Otto Cycle)에 대해 알아보겠습니다. 오토 사이클은 전기점화식 왕복 운동기관의 이상적인 사이클로, 대부분의 자동차 엔진에서 사용되는 열역학적 사이클입니다.

 

 

오토 사이클이란?

오토 사이클은 4 행정 내연기관의 작동 원리를 단순화한 열역학적 사이클입니다. 실제 엔진의 작동 사이클을 열역학적으로 해석하는 것은 복잡하지만, 오토 사이클을 이용하면 이를 간단하게 설명할 수 있습니다. 오토 사이클은 두 개의 단열 과정과 두 개의 정적 과정으로 구성됩니다.

 

오토 사이클의 과정

1. 단열 압축 (1 → 2):

· 피스톤이 실린더 내부의 기체를 압축하면서 체적이 줄어들고 압력이 증가합니다. 이 과정에서 열은 외부로 빠져나가지 않습니다.

 

2. 정적 가열 (2 → 3):

· 일정한 체적에서 열이 기체로 전달되어 기체의 온도가 상승합니다. 실제 엔진에서는 이 과정에서 연료가 연소됩니다.

 

3. 단열 팽창 (3 → 4):

· 고온 고압의 기체가 팽창하면서 체적이 증가하고 압력이 감소합니다. 이 과정에서도 열은 외부로 빠져나가지 않습니다.

 

4. 정적 방열 (4 → 1):

· 일정한 체적에서 기체가 열을 방출하여 온도가 내려갑니다.

 

오토사이클 PV선도 및 TS 선도

 

오토 사이클의 열효율

오토 사이클의 열효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

Q_H = m × C_v(T3-T2)

Q_L = m × C_v(T4-T1)

W = Q_H - Q_L = m × C_v[(T3-T2) - (T4-T1)]

 

따라서 열효율(eta_th)은

eta_th = W ÷ Q_H = (Q_H-Q_L) ÷ Q_H = 1-(Q_L ÷ Q_H) = 1 - [m × C_v(T4 - T1)] ÷ [m × C_v(T3 - T2)] = 1 -  [ (T4 - T1) ÷ (T3 - T2) ] 

 

여기서, (T1, T2, T3, T4)는 각각 사이클 내 각 지점의 온도입니다. 이 수식을 통해 오토 사이클의 열효율이 온도 차이에 의해 결정된다는 것을 알 수 있습니다.

 

압축비(V1/V2)의 영향

오토 사이클의 효율은 압축비 (V1/V2)에 크게 영향을 받습니다. 압축비가 클수록 열효율이 높아지지만, 몇 가지 부작용도 있습니다:

 

· 효율이 높음 : 압축비가 높아지면 엔진의 열효율이 증가합니다.

· 기관의 크기가 커짐 : 높은 압축비를 유지하기 위해 엔진의 크기가 커질 수 있습니다.

· 진동이 커짐 : 높은 압축비로 인해 엔진의 진동이 증가할 수 있습니다.

· 비정상적인 연소 (노킹) : 압축비가 너무 높으면 노킹 현상이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 압축비는 6~8 정도로 유지됩니다.

 

오토 사이클의 활용

오토 사이클은 대부분의 전기점화 기관에서 사용되며, 특히 자동차 엔진에서 널리 사용됩니다. 이 사이클을 이해하면 내연기관의 작동 원리를 더욱 명확하게 이해할 수 있습니다.

 

오토 사이클은 4행정 내연기관의 작동 원리를 간단하게 설명할 수 있는 이상적인 열역학적 사이클입니다. 두 개의 단열 과정과 두 개의 정적 과정을 통해 열을 역학적 에너지로 변환하는 원리를 이해하면, 내연기관의 효율을 높이는 방법을 탐구할 수 있습니다. 압축비의 중요성과 그 영향도 함께 고려해야 합니다.

 

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