디젤 사이클 과정, 분석 및 특징

디젤 사이클 과정, 분석 및 특징

디젤 사이클은 디젤 기관의 작동 원리를 설명하는 이상적인 열역학 사이클입니다. 디젤 기관은 가솔린 기관과는 달리 처음에 공기만을 실린더 속에 흡입하여 높은 압축비로 단열 압축합니다. 압축된 공기에 연료를 분사하면 고온의 공기 때문에 연료가 자연 발화하여 연소됩니다. 즉, 공기의 압축열만으로 연료의 착화온도에 도달하게 되므로 폭발에 의한 압력 상승을 피하기 위해 연료 공급을 적절히 조절하여 일정한 압력 하에서 연소가 이루어집니다.

 

 

디젤 사이클의 과정

디젤 사이클은 다음 네 가지 과정으로 구성됩니다:

1. 단열 압축 (1 → 2) : 등엔트로피 압축으로, 실린더 내 공기가 압축비 V1/V2로 압축됩니다.

2. 정압 가열 (2 → 3) : 일정한 압력에서 기체로 열이 전달되어 기체의 온도가 상승합니다. 실제 기관에서는 정압 연소가 일어납니다.

3. 단열 팽창 (3 → 4) : 등엔트로피 팽창으로, 체적 V4가 V1까지 팽창합니다.

4. 정적 방열 (4 → 1) : 일정한 체적에서 열을 방출하고 기체의 온도가 내려갑니다.

 

오토 사이클에서는 일정한 체적 하에서 기체로의 열전달이 일어나지만, 디젤 사이클에서는 일정한 압력 하에서 기체로의 열전달이 일어납니다. 나머지 세 과정은 동일합니다.

 

디젤사이클 PV선도 및 TS선도

 

열역학적 분석

사이클은 정압 과정(2 → 3)에서 Q_H의 열을 흡수하고, 정적 과정(4 → 1)에서 ( Q_L의 열을 방출하며, ( W = Q_H - Q_L )의 일을 합니다.

 

작업유체의 양을 m(kg)으로 하고, 각 점의 온도를 ( T1, T2, T3, T4 )라 하면 다음과 같이 흡수된 열, 방출된 열 및 일을 구할 수 있습니다:

 

· 흡수된 열 ( Q_H ) :

Q_H = m × C_p (T3 - T2) = m × k × C_v (T3 - T2)

 

· 방출된 열 ( Q_L ) :

Q_L = m × C_v (T4 - T1)

 

· 일 ( W ) :

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

 

디젤 사이클의 특징

· 압축비 (V1/V2) : 디젤 사이클은 가솔린 엔진보다 높은 압축비를 갖습니다. 일반적으로 15에서 20 사이입니다.

· 조기 착화 및 노킹의 염려가 없음 : 높은 압축비에도 불구하고 조기 착화나 노킹 문제가 발생하지 않습니다.

· 효율 : 오토 사이클보다 높은 효율을 가지며, 평균 유효 압력이 높습니다. 디젤 사이클의 제동 열효율은 25%에서 40% 정도입니다.

 

디젤 사이클은 고효율과 높은 내구성으로 인해 대형 차량 및 산업용 엔진에서 널리 사용됩니다. 디젤 엔진의 작동 원리를 이해하면, 이러한 엔진이 왜 널리 사용되는지, 그리고 효율을 높이는 방법을 더 잘 이해할 수 있습니다.

 

오토 사이클 과정, 열효율 및 압축비