가솔린 기관의 4행정과 오토 사이클의 4과정 | 기초 열역학 3.1.2-1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 01 내연기관과 사이클
3.1.2-1 가솔린 기관의 4행정과 오토 사이클의 4과정
흡입·압축·폭발·배기 네 행정이 단열 압축·정적 가열·단열 팽창·정적 방열 네 과정으로 이상화되는 자리. 행정과 과정이 하나씩 맞물리지 않는 까닭까지.
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01오토 사이클 — 가솔린 기관을 이상화한 열역학 모델교재 133p
- 오토 사이클(Otto Cycle) — 가솔린과 공기의 혼합기를 점화 플러그의 전기 불꽃으로 점화하여 동력을 얻는 가솔린 기관의 작동 원리를 설명하는 이상적인 열역학 모델.
- 실제와 이상 — 실제 기관은 4행정을 되풀이함 · 이상 모델은 4과정으로 이루어짐.
- 이 편의 뼈대 — 그 넷과 넷이 어떻게 짝지어지는지를 붙잡는 것.
024행정 — 흡입 · 압축 · 폭발 · 배기의 차례교재 133p~134p
- 흡입 행정 — 피스톤 하강으로 실린더 안에 부분적인 진공(부압)이 형성됨 · 열린 흡기 밸브로 혼합기가 유입됨.
- 압축 행정 — 밸브가 모두 닫힌 채 피스톤 상승 · 혼합기의 온도와 압력이 크게 높아져 효율적인 연소 조건이 갖추어짐.
- 폭발(동력) 행정 — 점화 플러그로 순간 연소 · 연소 압력이 피스톤을 밀어내리고 커넥팅 로드를 거쳐 크랭크축을 회전시킴.
- 배기 행정 — 피스톤 상승으로 연소 가스를 배기 밸브 밖으로 밀어냄 · 최고점에서 배기 밸브가 닫히고 흡기 밸브가 열리며 새 사이클로 이어짐.
헷갈리기 쉬운 자리
- [그림 3.3]은 압축 행정부터 그려져 있음 — 차례의 시작은 어디까지나 흡입 행정.
- 폭발 행정과 동력 행정은 같은 행정의 두 이름.
- 네 행정 가운데 동력을 내는 것은 폭발 행정 하나뿐 · 나머지 셋은 그 준비와 뒤처리.
03밸브와 피스톤 — 행정마다 짝이 정해짐교재 134p
| 행정 | 피스톤 | 밸브 |
|---|---|---|
| 흡입 | 하강 | 흡기 열림 · 배기 닫힘 |
| 압축 | 상승 | 흡·배기 모두 닫힘 |
| 폭발 | 하강 | 흡·배기 모두 닫힘 |
| 배기 | 상승 | 배기 열림 · 흡기 닫힘 |
04PV 선도 — 흡기·배기 고리를 덜어냄교재 134p~135p
- 실제 기관의 선도 — 점화에서 연소 종료까지 체적이 거의 그대로인 채 압력이 치솟고, 팽창에서 가스가 피스톤을 밀어내며 압력이 떨어짐.
- 작은 고리 — 흡입과 배기는 대기압 가까이에서 오가므로 선도에서 둘러싸는 넓이가 매우 작음.
- 덜어내는 까닭 — PV 선도의 넓이가 곧 경계일이므로, 넓이가 거의 없으면 얻어 내는 몫도 거의 없음.
- 남는 것 — 고리를 덜어내면 상태점 1 · 2 · 3 · 4 만 남음.
054과정 — 단열과 정적이 번갈아 듦교재 135p~136p
복잡한 연소를 「체적이 일정한 상태에서 열이 순간적으로 공급됨」이라는 정적 가열로 이상화함.
- 1 → 2 단열 압축 — 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 옮겨 가며 열 교환 없이 작동 유체를 압축함.
- 2 → 3 정적 가열 — 상사점에 머무는 동안 연소열 Qₕ 가 순간 공급됨 · 체적은 일정한 채 압력과 온도만 급상승.
- 3 → 4 단열 팽창 — 고온·고압이 된 가스가 팽창하며 피스톤을 밀어내 동력(일, W)을 생산함 · 역시 열 교환 없음.
- 4 → 1 정적 방열 — 하사점에 머무는 동안 열 Qₗ 을 순간 방출함 · 체적은 그대로인 채 초기 상태로 돌아감.
06행정과 과정의 짝 — 하나씩 대응하지 않음교재 133p~136p
| 실제 4행정 | 이상 4과정 |
|---|---|
| 압축 | 1 → 2 단열 압축 |
| 폭발(동력) | 2 → 3 정적 가열 · 3 → 4 단열 팽창 |
| 배기 · 흡입 | 4 → 1 정적 방열로 갈음 |
자주 어긋나는 자리
- 넷과 넷이라고 해서 하나씩 짝지어지는 것이 아님 — 폭발 행정 하나가 정적 가열과 단열 팽창 둘로 갈라짐.
- 흡기·배기 고리를 덜어냈으므로 이상 사이클에는 그 두 행정에 해당하는 선이 따로 남지 않음.
각 과정의 식과 이론 열효율은 다음 편에서 다룸.
이 절의 핵심 정리
- 오토 사이클은 가솔린 기관의 작동을 설명하는 이상적인 열역학 모델이다.
- 실제 가솔린 기관은 흡입·압축·폭발(동력)·배기의 4행정을 반복한다.
- 4행정 중 동력을 내는 것은 폭발 행정 하나뿐이다.
- 오토 사이클은 단열 압축·정적 가열·단열 팽창·정적 방열의 4과정이다.
- 흡입과 배기는 둘러싸는 넓이가 작아 이상 사이클에서 덜어낸다.
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