디젤 기관의 원리와 4과정 | 기초 열역학 3.1.3-1
기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 01 내연기관과 사이클
3.1.3-1 디젤 기관의 원리와 4과정
불꽃 없이 눌러서 불을 붙이는 압축 착화. 가열이 정적에서 정압으로 바뀌면서 차단비가 새로 등장하는 자리.
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01압축 착화 — 불꽃 없이 눌러서 불을 붙임교재 148p
- 디젤 사이클(Diesel Cycle) — 점화 플러그 없이 고온·고압으로 압축된 공기에 연료를 분사해 자기 착화시키는 압축 착화 기관의 이상적인 열역학 모델.
- 공기만 먼저 압축함 — 흡입에서 연료를 섞지 않고 공기만 들이마심. 상사점 가까이에서 분사 노즐이 연료를 뿌림.
- 압축비가 월등히 높음 — 단열 압축된 공기의 온도가 연료의 발화점 이상(약 500~700°C)으로 치솟음.
02네 행정 — 차례는 가솔린 기관과 같음교재 148p~149p
- 흡입 — 피스톤이 하강하며 흡기 밸브가 열림. 공기만 유입되고 연료는 이 단계에서 공급되지 않음.
- 압축 — 흡·배기 밸브가 모두 닫힌 채 피스톤이 상승함. 공기를 매우 높은 비율로 압축하므로 온도가 치솟음.
- 폭발 — 상사점 부근에서 연료가 분사됨. 뜨거운 공기가 곧바로 불을 붙이고, 연소 가스가 피스톤을 밀어내 동력을 냄.
- 배기 — 피스톤이 다시 상승하며 배기 밸브가 열림. 연소 가스를 내보내며 한 사이클이 끝남.
03오토와 갈리는 네 곳 — 앞 편과 나란히 견줌교재 148p~150p
1가솔린 기관 · 오토 사이클
- 흡입에서 공기와 연료를 섞어 들임.
- 점화 플러그가 불꽃을 튀김.
- 압축비가 상대적으로 낮음.
- 정적 가열 — 체적이 묶임.
2디젤 기관 · 디젤 사이클
- 압축이 끝날 무렵 연료만 분사함.
- 압축열만으로 자기 착화함.
- 압축비가 월등히 높음.
- 정압 가열 — 압력이 묶임.
04네 과정으로 이상화함 — 2 → 3 하나만 바뀜교재 150p
| 과정 | 이름 | 일어나는 것 |
|---|---|---|
| 1 → 2 | 단열 압축 | 열 교환 없이 공기를 높은 압력·온도로 압축함. |
| 2 → 3 | 정압 가열 | 연소하는 동안 피스톤이 함께 하강해, 압력이 일정한 채 열 Qₕ 가 들어옴. |
| 3 → 4 | 단열 팽창 | 고온·고압 가스가 팽창하며 피스톤을 밀어내 일 W 를 냄. |
| 4 → 1 | 정적 방열 | 하사점에서 체적 변화 없이 열 Qₗ 을 버리고 처음 상태로 돌아감. |
오토와 똑같은 과정이 셋. PV 선도에서 2 → 3 이 가로로 평평한 줄로 보이는 자리 — 교재 150p [그림 3.10].
05효율을 정하는 두 비 — 압축비와 차단비교재 151p
- 압축비(r) — 압축 전 부피가 압축 후 부피의 몇 배인가. r = V₁/V₂ · 식 (3.13).
- 차단비(r(차단)) — 정압 가열에서 연료 분사가 끝날 때까지의 부피 팽창 비율. r(차단) = V₃/V₂ · 식 (3.14).
- 오토에 없던 인자 — 디젤은 압축비 하나로 끝나지 않음. 연료를 얼마나 길게 분사하는가가 차단비로 들어옴.
세 체적을 짚고 감
- V₁ — 흡입이 끝난 가장 큰 부피. V₂ — 압축이 끝난 가장 작은 부피. V₃ — 연료 분사가 끝난 부피.
- 분사 시작 전이 V₂, 끝난 뒤가 V₃. 문항이 이 말로 체적을 부르므로 두 자리를 뒤집어 넣기 쉬움.
06받는 열과 버리는 열 — 비열이 갈리는 자리교재 152p
| 열량 | 과정 | 결론 식 |
|---|---|---|
| 흡수 Qₕ | 2 → 3 정압 가열 · P₂ = P₃ | Qₕ = m cₚ (T₃ − T₂) |
| 방출 Qₗ | 4 → 1 정적 방열 · V₄ = V₁ | Qₗ = m cᵥ (T₄ − T₁) |
자주 어긋나는 자리
- 오토 사이클은 받는 열도 버리는 열도 정적 비열이었음. 디젤은 받는 열만 정압 비열로 바뀜.
- cₚ = k cᵥ 이므로 Qₕ = m k cᵥ (T₃ − T₂) 꼴로도 적음.
순수 일은 Wₙₑₜ = Qₕ − Qₗ. 이론 열효율 식과 예제는 다음 편(교재 153p~157p)의 몫.
이 절의 핵심 정리
- 디젤 기관은 점화 플러그 없이 압축열로 연료를 자기 착화시키는 압축 착화 기관이다.
- 흡입 행정에서는 공기만 들어오고, 연료는 상사점 부근에서 분사된다.
- 오토와 갈리는 단 한 곳은 가열 과정으로, 오토는 정적, 디젤은 정압이다.
- 압축비는 r = V₁/V₂, 차단비는 r(차단) = V₃/V₂ 로 정의된다.
- 받는 열은 Qₕ = mcp(T₃ − T₂), 버리는 열은 Qₗ = mcv(T₄ − T₁) 이다.
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