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.

교재 수록 위치
교재
『기초 열역학』 · 2026년 개정판 · 283쪽
단원
Chapter 03 열역학 사이클 › Section 01 내연기관과 사이클
쪽수
133p ~ 137p5쪽
세부 내용
02 오토 사이클 — 1 가솔린 기관의 작동 원리와 4행정 · 2 이상적인 오토 사이클의 4가지 과정133p~137p

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

행정피스톤밸브
흡입하강흡기 열림 · 배기 닫힘
압축상승흡·배기 모두 닫힘
폭발하강흡·배기 모두 닫힘
배기상승배기 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 4행정이상 4과정
압축1 → 2 단열 압축
폭발(동력)2 → 3 정적 가열 · 3 → 4 단열 팽창
배기 · 흡입4 → 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

  1. 오토 사이클은 가솔린 기관의 작동을 설명하는 이상적인 열역학 모델이다.
  2. 실제 가솔린 기관은 흡입·압축·폭발(동력)·배기의 4행정을 반복한다.
  3. 4행정 중 동력을 내는 것은 폭발 행정 하나뿐이다.
  4. 오토 사이클은 단열 압축·정적 가열·단열 팽창·정적 방열의 4과정이다.
  5. 흡입과 배기는 둘러싸는 넓이가 작아 이상 사이클에서 덜어낸다.
강의 자료3.1.2-1 가솔린 기관의 4행정과 오토 사이클의 4과정 1 / 13

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더 자세한 내용은 교재에서

이 글은 『기초 열역학』 133p~137p의 내용을 강의 영상에 맞춰 핵심만 간추린 요약입니다. 각 개념의 상세한 설명과 예제 풀이, 공식 유도, 임용시험 기출문제 풀이는 교재에서 다루고 있습니다.

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