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내연기관의 성능과 사이클

내연기관의 성능과 사이클. 임 석 연. C.N.U Thermal Power Mech. Lab. 내연기관 성능 측정용 동력계. 흡수 ( 브레이크 ) 동력계 : 동력을 제동 (brake) 해서 소비시켜 소비된 동력을 에너지로 바꾸어 출력을 측정하는 장치 . 마찰 동력계 ( 프로니 브레이크 ) : 기관의 동력축에 브레이크 축을 설치하고 , 상하 2 개의 브레이크 마찰편을 끼워 누를 때 발생하는 마찰력을 이용해 동력에 제동을 거는 장치. C.N.U Thermal Power Mech. Lab.

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내연기관의 성능과 사이클

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  1. 내연기관의 성능과 사이클 임 석 연 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  2. 내연기관 성능 측정용 동력계 • 흡수(브레이크) 동력계: 동력을 제동(brake)해서 소비시켜 소비된 동력을 에너지로 바꾸어 출력을 측정하는 장치. • 마찰 동력계(프로니 브레이크) : 기관의 동력축에 브레이크 축을 설치하고, 상하 2개의 브레이크 마찰편을 끼워 누를 때 발생하는 마찰력을 이용해 동력에 제동을 거는 장치. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  3. 내연기관 성능 측정용 동력계 (2) 수동력계: 기관 동력축에 회전자를 직결하고, 회전자를 수중에서 회전시키는 장치. 회전자가 회전하면 물은 강하게 휘저어져서 물의 내부 마찰이나 와류에 의해 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 회전자를 제동함. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  4. 내연기관 성능 측정용 동력계 (3) 전기 동력계(electric dynamometer) - 기관의 출력을 전력으로 바꾸는 일종의 발전기. - 발생 전력을 저항으로 유도하고, 전기저항을 변화시켜서 브레이크 힘을 조절. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  5. 내연기관 성능 측정용 동력계 • 와전류 동력계(eddy current dynamometer) - 전기동력계의 초기 모델 중 하나로 시험기관에 의해 자기장 속에서 구동되는 디스크로 구성된 간단한 구조이며, 자기장의 세기는 디스크의 양쪽 사이드에 설치된 직렬코일을 통하여 전류를 변화시켜 제어. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  6. 내연기관 성능 측정용 동력계 • 팬 저항 동력계: 프로펠러 또는 팬을 사용하여 기관의 동력을 측정하는 것. - 부하조정의 어려움, 정밀을 요하지 않거나 새 기관의 개발 기간을 단축하기 위해 사용. • 나사 동력계: 전동축의 나사각도가 토크에 비례하는 것을 이용해서 출력을 측정하는 동력계. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  7. 내연기관 성능 특성 인자 • 기관 성능 • - 출력,마력(도시마력, 제동마력) • 기계효율, 열효율 • 제동평균유효압력(BMEP) • 제동연료소비율(BSFC) • 공연비, 연공비 • 배기 특성 - CO, HC, Nox, CO2 등 (가솔린기관) • - PM (soot), Nox, CO 등 (디젤기관) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  8. 내연기관 성능 그래프-가솔린기관 (SI Engine) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  9. 내연기관 성능 그래프-디젤기관 (CI Engine) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  10. 02. 내연기관의 성능2.1 실린더 체적과 압축비 (1) 실린더 체적(cylinder displacement) - 배기량은 실린더의 체적에 따라 변하여 기관의 성능과 밀접한 관계. ① 1기통 실린더 배기량(행정체적 : Vs) ② 총 배기량(Vt) ③ 분당 배기량 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  11. 02. 내연기관의 성능2.1 실린더 체적과 압축비 (2) (2) 압축비(compression ratio) : 피스톤이 실린더 하사점에 있을 때 실린더 총 체적과 피스톤이 상사점에 있을 때 간극 체적(연소실 체적)과의 비. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  12. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (1) (1) 평균 유효압력 - 일량 W는 작업가스가 항상 일정한 폭발압력(평균치) Pmi(kg/cm2)의 크기로 피스톤을 움직였다고 할 때, 이 평균의 압력 Pmi를 지시평균 유효압력이라고 함. - 유효일 W를 지시일 또는 도시일이라 함. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  13. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (2) • 지시 평균 유효압력(indicated mean effective pressure) • 제동 평균 유효압력(brake mean effective pressure) ① 4행정 사이클일 때 ② 2행정 사이클일 때 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  14. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (3) (2) 마력(HP ; horse power) : 말이 끄는 힘, 일의 능률 또는 공률을 나타내는 단위 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  15. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (4) • 지시(도시) 마력(IHP ; indicated horse power) • - 실린더 내에서 연료가 연소하여 실제 발생한 마력. • - 지압계로 측정하여 지압선도로 나타내어 계산한 마력. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  16. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (5) • 제동마력(BHP ; brake horse power) • - 정미마력, 축마력. • - 지시마력에서 기계적 손실(마찰마력)을 뺀 마력. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  17. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (6) • 마찰마력(FHP ; friction horse power) • - 피스톤이 왕복운동을 할 때 피스톤 링이 실린더 벽에 마찰하여 발생하는 마력. • - 마찰손실은 25%를 차지함. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  18. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (7) • 연료마력(PHP ; petrol horse power) • - 연료의 발열량, 소비량, 비중, 사용시간 등을 측정하여 측정하는 마력. • - 연료의 발열량에 따라 크게 좌우. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  19. 02. 내연기관의 성능2.2 평균 유효압력과 마력 (8) • SAE (society of automotive engineers) 마력(과세마력) : - 미국 자동차 기술협회(SAE)의 엔진 제원에 입각한 간단한 마력. ① 실린더 내경이 mm일 때 ② 실린더 내경이 inch일 때 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  20. 02. 내연기관의 성능2.3 내연기관의 효율 (1) (1) 정미 열효율 - 1마력, 1시간의 일량을 열량으로 환산. - 정미마력 Ne를 열량으로 환산해서 대입. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  21. 02. 내연기관의 성능2.3 내연기관의 효율 (2) (2) 기계효율(mechanical efficiency) : 도시마력의 얼마만큼이 정미마력으로 되었는가의 비율. (3) 체적효율(volumetric efficiency) : 실린더 내로 들어갈 수 있는 공기량과 실제 실린더 내로 들어간 공기량의 비. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  22. 02. 내연기관의 성능2.4 기관성능 곡선도 (1) • 기관성능 곡선 : 출력, 토크, 연료 소비율, 정미 열효율 등을 계산해서 나타낸 선도. • 고속과 저속에서 토크가 저하하는 이유 –고속 : 기계손실이 증가하므로 연소속도에 피스톤 속도가 따르지 못하므로 피스톤을 하강시키는 힘이 감소되므로. - 저속 : 흡입 행정시 공기유입 관성효과가 감소하여 체적효율이 저하되므로. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  23. 02. 내연기관의 성능2.4 기관성능 곡선도 (2) 연료 소비율: 기관의 출력 1마력을 1시간 발생시키기 위해서 필요한 연료의 중량(g). • 시간 마력당 연료 소비율(SFC ; specific fuel consumption) • 주행거리당 연료소비량 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  24. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 • 1a2dc로 둘러싸인 면적 : 주어진 열량(Q1) • 2b1cd로 둘러싸인 면적 : 빼앗긴 열량(Q2) • 이론적 열효율 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  25. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.1 카르노 사이클(Carnot cycle) • 가정 : 2개의 등온변화, 2개의 단열변화 고려. • 기체를 등온팽창단열팽창등온압축단열압축의 순서로 상태변화 시켜서 최초의 상태로 돌리는 열역학적 사이클을 말함. • 카르노 사이클의 이론적 열효율은 최고, 최저 열원의 절대온도 만에 의해 정해지면 그 수치는 최고 열원의 온도가 높은 만큼 또는 최저 열원의 온 도가 낮게 되면 될수록 커진다. • 실제의 열기관에서는 불가능하므로 카르노 사이클은 이상기관. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  26. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (1) • 오토 사이클 (등적 사이클 ; Otto cycle) • 오토 사이클의 P-V 선도 - 가솔린기관의 이론 사이클, 2개의 단열변화와 2개의 등적 변화로 이루어짐. - 일정 체적 하에서 연소가 이루어짐. 1  2 : 단열 압축과정 (PVk = C) 2  3 : 정적과정 (V2 = V3 = 일정 : 연소) 3  4 : 단열 팽창과정 (PVk = C) 4  1 : 배기과정 (V4 = V1 = 일정 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  27. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (2) • 오토 사이클의 이론 열효율 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  28. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (3) • 오토 사이클의 온도와 압력 ① 흡입 ② 압축 말 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  29. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (4) ③ 연소 끝 ④ 팽창 끝 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  30. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (5) • 오토 사이클의 이론 평균 유효압력 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  31. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (6) (2) 디젤 사이클 (등압 사이클; diesel cycle) - 압축한 후 연료를 분사. • 디젤 사이클의 P-V 선도 1  2 : 단열 압축과정 (PVk=C) 2  3 : 등압과정 (P2=P3=일정:연소) 3  4 : 단열 팽창과정 (PVk=C) 4  1 : 배기과정 (V4=V1=일정 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  32. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (7) • 디젤 사이클의 이론 열효율 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  33. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (8) • 디젤 사이클의 이론 평균 유효압력(Pm(d)) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  34. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (9) (3) 사바테 사이클 (복합 사이클; sabathe cycle) - 등적 사이클과 등압 사이클을 합성, 고속 디젤기관 이론 사이클. • 사바테 사이클의 P-V 선도 1  2 : 단열 압축과정 (PVk=C) 2  3 : 등적과정 (V2=V3=일정:연소) 3  4 : 등압과정 (P3=P4=일정:연소) 3  4 : 단열 팽창과정 (PVk=C) 5  1 : 배기과정 (V5=V1=일정) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  35. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (10) • 사바테 사이클의 이론 열효율 ① 공급열량 ② 방출열량 C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  36. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.2 내연기관의 표준 사이클 (11) • 사바테 사이클의 이론 평균 유효압력(Pm(s)) C.N.U Thermal Power Mech. Lab

  37. 01. 내연기관의 열역학적 사이클 1.3 실제 사이클 • 실제의 왕복형 내연기관의 사이클은 작동가스가 다르고, 작동 중 마찰은 수반, 완전한 단열변화의 곤란 등으로 표준사이클과 차이. • 실제 사이클: 마찰손실을 제외한 모든 손실과 기관작동시의 영향을 고려한 사이클. • 시간 손실(time loss) : 연소지연에 의한 손실임, 급속연소 시켜 연소지연 시간을 줄임. • 펌핑 손실(pumping loss) : 흡·배기과정시 피스톤의 펌핑작용에 의한 손실임, 흡입·배기밸브의 직경을 키우거나 다 밸브화 하여 손실을 최소화. • 블로 다운 손실(blow down loss) : 폭발행정 말기 피스톤이 하사점에 오기 전에 배기밸브 열려 출력손실 초래. • 냉각 손실(coolant loss) : 연소실 내부(2,000~3,000℃)를 냉각시키기 위한 냉각손실. C.N.U Thermal Power Mech. Lab

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