내연기관의 사이클과 열효율

내연기관의 기본 사이클과 열효율 및 성능

 

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오토사이클

공기표준 오토 사이클은 전기 점화기관의 이상 사이클로서 동작 유체의 열공급 및 방열이 일정한 체적하에서 이루어지므로 등적 사이클이라고도 합니다. 

디젤 사이클

공기 분사식 디젤시관의 기본 사이클로서 연소가 등압 하에서 일어나므로 등압 사이클 이라고도 합니다.

사바테 사이클

이 사이클은 sabathe가 제안한 것으로 무기 분사 디젤기관의 기본 사이클을 이루고 있습니다. 사바테 사이클은 또한 등적-등압 사이클 또는 이중 연소 사이클이라고도 부릅니다. 무기분사, 특히 고속 디델 기관에서 연소 시간을 단축하기 위하여 등압 연소뿐만 아니라 등적 연소도 발생케 합니다. 이것은 연료 분사시기를 전진시킴으로서 이루어집니다. 이때 일찍 분사된 연료는 압축 착화되고 뒤에 분사되는 연료는 등압 하에서 연소케 함으로써 이 사이클을 이루게 됩니다. 이 합성 사이클은 고속 디젤기관의 이론 사이클이라고 생각 할 수 있습니다. 이 사이클은 오토 사이클과 디젤 사이클의 합성된 사이클로 볼 수 있으므로 이를 합성 사이클이라고 부릅니다.

기본 사이클의 비교

• 기본 사이클 모두 압축비 증가에 따라 열효율이 증가합니다.
• 오토 사이클은 압축비의 증가만으로 열효율을 높일 수 있으나 노킹으로 인하여 제한됩니다.
• 디젤사이클의 열효율은 공급 열량의 증감에 따릅니다.
• 사바테 사이클의 열효율 증가도 역시 디젤 사이클과 같이 공급 열량의 증감에 따릅니다.

이론공기 사이클

공기 표준 사이클의 이상적인 사이클을 고려하면 다소 간편합니다. 이상적인 경우란 다음과 같이 가정합니다.

• 작동 유체는 완전 가스입니다.
• 작동 유체에서 질량의 변화는 없습니다.
• 사이클을 구성하는 모든 과정은 가역적입니다.
• 열은 사이클 동안 고열원으로부터 흡열됩니다.
• 계로부터 주위로의 열손실은 없습니다.
• 작동유체의 비열 변화는 없습니다.
• 작동유체(흡, 배기의 압력)의 물리상수는 공기 표준대기압 상태와 같습니다.

연료 공기 사이클

좀 더 실제 사이클과 접근하도록 동작 유체의 물리적 또는 과학적 상태를 고려한 사이클을 연료-공기 사이클이라 합니다. 실제 사이클에 좀 더 가깝게 접근한 것을 말하며 P-V 선도를 그려보면 이론공기 사이클에 비하여 유효일이 감소한다는 것을 알 수 있으며 다음과 같은 가정 하에서 계산합니다.

• 압축과 팽창은 마찰이 없는 단열변화입니다.
• 연소는 상사점에서 순간적으로 이루어집니다.
• 연료는 완전 증발되고 공기와 완전 혼합합니다.
• 가스와 실린더 벽 사이의 열교환이 없습니다.

실제 사이클

실제 사이클은 우선 동작유체의 성질이 이상 가스와는 다르고 사이클의 각 점에서 온도나 연소 과정에서 변화합니다. 뿐만 아니라 열분해, 열해리 등 불완전 연소로 인하여 실제 기관의 유효일은 다음과 같은 요인으로 연료, 공기 사이클보다 더 감소합니다.

• 연소 과정에서 시간적 지연으로 인하여 최고 압력은 계산값에 도달하지 않습니다.
• 연소는 이론적으로 정적, 정압하에 이루어지지 않습니다.
• 연료는 공기와 완전 혼합이 되지 않으며 연료의 무화가 나쁘거나, 배기손실로 인하여 열량 손실이 발생합니다.
• 연소가스의 열의 일부는 연소실의 벽을 통하여 냉각 매질에 빼앗깁니다.
• 흡·배기와 그 밖의 가스 유동에 있어 마찰 저항이나 파동에 의한 열 손실을 피할 수 없습니다.
• 피스톤 및 그 밖의 보조 기기를 구동하는 일
• 이러한 손실로 사이클 선도의 각점(우각)은 둥글고 일량은 줄어듭니다.

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출력성능의 종류

기관의 출력은 사용 목적에 따라 여러가지 명칭을 정하여 두고 있으며 명칭은 다음과 같습니다.

상용출력

선박용 기관에서 사용되는 출력이며 선박이 정하여진 순황 속도로 항해하는데 필요한 출력을 말합니다.

연속 최대출력

선박용 기관에서 사용되는 출력이며 안전하게 연속해서 운전할 수 있는 최대출력을 말합니다.

과부화 출력

정속으로 사용되는 정치기관, 건설용 기관(정격출력의 10%를 더한 출력) 및 박용기관에 사용되는 출력(연속 최대출력의 10%를 더한 출력)을 말합니다. 이들의 기관의 회전속도는 전자(정치, 건설용 기관)는 정격 회전속도이며 후자(박용기관)는 3승 곡선(프로펠러곡선)에 의한 회전 속도입니다.

최대출력

자동차용 기관에서 이용되는 출력이며 기관에서 낼 수 있는 최대출력을 말합니다.

정격출력

정속으로 사용되는 정치 기관에서 사용되는 출격이면 정해진 정격 회전속도로 운전 가능한 출력을 말합니다.

한 시간 정격출력

건설용 기관에서 사용되는 출력이며 정격 회전속도에서 한 시간 연속해서 낼 수 있는 출력을 말합니다.

연속 정격출력

건설용 기관에서 사용되는 출력이며 정격 회전속도, 한 시간 정격출력의 85%로 장시간 고장 없이 연속해서 운전할 수 있는 출력을 말합니다.

후진 출력

선박이 후진시 낼 수 있는 연속 최대출력을 말합니다. 연속 최대출력을 100으로 볼 때 후진 출력은 60정도입니다.

배의 속력

배의 속력은 통상 knot로 표시합니다. 여기서 1노트는 1시간에 1해리 달리는 속력을 말합니다.

시운전 최고속력

배를 인도하기 전 공사가 완료된 상태에서 해상 시운전을 할 때 내는 최고의 속력을 말하며 시운전시의 상태는 사양서에 첨부되며 배수량은 ballast 항해에 가까운 상태로 설정하고 일반 화물선의 경우 20% 정도로 재화상태에서 할 때가 많습니다. 트림은 보통 배의 길이 2~2.5%로 하며 선저는 오손되지 않은 상태로 파도나 바람이 없는 날을 택하여 시운전을 실시합니다.

항해속력

배가 취항하여 실제로 항해할 때의 속력을 말하며 조선 설계기준은 100% 의 재화 상태에서 주출력은 상용 출력이고 해상마진은 10~15%로 합니다. 일반적으로 상용출력은 디젤 기관선은 연속 최대출력의 85% 터빈선은 90% 정도 입니다.

배선속력

선박회사가 사용하는 입항 및 출항시의 속력저하, 항해 중의 부조나 고장 출항 등의 지연 등을 고려한 것입니다. 예컨대 객선이나 정기 화물선에선 정기 운항을 지키기 위하여 항해 속력에서 1/2~1/4 knot 적은 속력을 배선 속도로 할 때가 있습니다. 전술한바와 같이 항해 속력은 만재상태의 속력이고 정기선은 반드시 만재 상태가 되지 않으므로 배선 속력을 항해 속력으로 할 떄도 있습니다.