기계공학/기계역학

가솔린, 디젤, 사바테사이클

the artisan 2021. 5. 4. 05:00
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1 열역학적 사이클 분류
 1) 정적사이클 (오토사이클)
   - 일정한 체적 하에서 연소하는 사이클이며, 가솔린 기관에서 이용된다.
 2) 정압사이클 (디젤사이클)
   - 일정한 압력 하에서 연소하는 사이클이며, 저·중속 디젤 기관에서 이용된다.
 3) 복합사이클 (사바테사이클)
   - 일정한 압력 및 체적 하에서 연소하는 사이클이며, 고속 디젤 기관에서 이용된다.
   - 오토사이클의 정적 연소 방식은 동일 압축비에서 상대적으로 높은 열효율을 갖고 있다.
     * 이상적인 사이클은 압축착화방식을 취하면서 오토사이클로 작동되는 방식이다.
 4) 공기 표준 사이클의 기본 가정
   - 작동유체는 이상기체이며 비열은 상수로 가정.
   - 열에너지의 공급 및 방출은 외부와의 열전달에 의해서 이루어진다.
   - 사이클 과정 중 작동유체의 양은 항상 일정하다.
   - 연소과정은 정적, 정압, 복합과정으로 이상화된다.
   - 블로다운 배출은 정적과정으로 가정한다.
   - 사이클을 이루는 모든 과정은 가역과정으로 이루어진다.

2 오토사이클
 1) 오토사이클 개요(otto cycle)
   - SI엔진(spark ignition) 불꽃 점화기관의 기본이 되는 이론 사이클로 정적사이클이라고 한다.
   - 2개의 단열과정과 2개의 정적과정으로 이루어진다.
   - 가솔린기관 및 가스기관의 기본사이클.
   - 압축비가 높을수록 이론 열효율이 증가하나 압축비가 너무 높으면 노킹이 일어나 압축비는 제한을 받는다.


 2) 오토사이클 거동


3 디젤사이클
 1) 디젤사이클 개요
   - 저속압축 점화기관을 위한 사이클이 필요하여 고안됨.
   - 4행정 저속 CI엔진(compression ignition)의 이상적사이클로 정압사이클이라고 한다.
   - 2개의 단열과정(단열압축/단열팽창)과 1개의 정압과정, 1개의 정적과정으로 이루어져있다.
   - 정용적 가열 폭발과정 대신 미리 공기만 크게 단열압축한 상태에서 연료가 되는 중유를 미립자로 분사하여 연소 팽창시키는 것
   - 압축비가 동일할때는 오토사이클보다 효율이 낮을 수 있다.
   - 압축비가 높을수록 효율이 증가하고, 차단비가 클수록 이론열효율이 감소한다.
   - 가솔린엔진과 달리 노킹의 우려가 없으므로 압축비를 최대한으로 올릴 수 있으나 기관의 내구성을 위해 15~22:1 수준으로 압축비를 형성한다.

2) 디젤사이클의 열효율

3) 디젤사이클의 거동

4 사바테 사이클
 1) 사바테 사이클 개요
   - 고속 디젤기관의 기본사이클
   - 정압과 정적사이클이 복합한것.
     * 2개의 단열과정(단열압축/팽창)과 1개의 정압과정, 2개의 정적과정으로 이루어져있다.
   - 압축착화방식은 오토사이클에 비해 고효율이지만 상대적으로 높은 압축비로 작동되어 내구성을 높여야하는 한계가 있다.
   - 복합사이클은 압축행정 후반에 연소가 시작되어 오토사이클과 같은 정적연소가 이루어지고 피스톤이 상사점을 지나면서 디젤사이클과 같은 정압연소가 이루어지도록 설계된 사이클이다.
   - 고속 디젤기관에서는 짧은시간내에 연료를 연소시킬 필요가 있어서 압축행정이 끝나기 전에 연료를 분사하여 압축 - 행정 말기에 착화되도록하면 그동안 공급된 연료는 대부분 정적아래에서 연소 폭발하고 그 후에 분사된 연료는 대부분 정압아래에서 연소한다.(다단분사 방식)

2) 사바테 사이클 거동


5 실제기관과 차이
 1) 작동유체 차이
   - 연소과정에서 작동유체는 고온으로 인한 열해리가 일어남
   - 비열비는 온도의 함수로 실제 사이클에서는 고온에서 작동유체의 비열비가 변화됨
   - 실제 작동유체는 연소반응에 의하여 가스 조정 및 분자수가 변화됨
 2) 작동사이클 차이
   - 펌프손실 : SI엔진 저부하 운전 영역에서는 흡입과정에서는 연소실 압력이 대기압보다 낮게, 배기 과정에서서는 대기압보다 높게 형성되며 이러한 가스 교환과정에서 발생되는 압력손실을 뜻한다.
   - 시간손실 : 실제 엔진에서는 크랭크 각도로 약 45~60도 정도의 연소기간이 존재한다. 이론 사이클에서 가정한 정적 - 연소 과정은 실제로는 존재할 수 없으며 이런 연소 기간의 존재로 손실이 발생한다.
   - 냉각손실 : 실제 엔진에서는 연소열에 의한 금속의 변형등을 방지하기 위해 냉각수가 순환되기 때문에 압축행정후반, 연소기간 및 팽창행정 중 실린더 벽면을 통한 열손실이 발생한다.
   - 블로다운(blow-down)손실 : 팽창행정 후반에도 연소실 압력은 여전히 높은데 이는 배기 과정에서 피스톤의 배기일을 증가시킨다. 따라서 배기일을 감소시키기 위하여 팽창과정 말기에 배기 밸브를 열어 연소실 압력을 낮게 만들며 이로인해 발생되는 손실을 뜻한다.
   - 연소손실 : 불완전 연소 발생에 따른 손실
   - 블로바이(blow-by)손실 : 피스톤 틈새를 통한 작동가스의 누설에 의한 손실

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