Internal Combustion Engine

Internal Combustion Engine Chapter 3 Engine Cycle

Air-Standard Cycles ◈ 엔진에서 일어나는 현상은 매우 복잡하다. 이 현상을 해석하는 방법에는 매우 간단한 cycle analysis부터 매우 복잡한 3차원 해석까지 다양한 방법이 있다. 간단한 해석을 이용하는 이유는 가장 엔진의 특성에 영향을 미치는 주요 변수들을 찾아 낼 수 있기 때문이다. 공기와 연료가 반응하여 연소하면서 피스톤에 일을 하고 외부로 배출되는 과정을 다음과 같이 간단히 modeling 할 수 있다. ◈ Air-Standard Cycles 1. Closed system : 흡기과정과 배기과정을 포함하면 open system이 되므로 간단히 하기 위해 내부의 질량이 일정한 closed system으로 modeling 한다. 실제의 경우 흡기 밸브가 닫힌 후 실린더 내부의 질량은 배기 밸브가 열릴 때까지 거의 변하지 않는다. 2. 내부 작동유체의 property : 초기에는 공기와 연료가 섞여 있으나 연소가 일어나면서 조성이 바뀌어 질소, 이산화 탄소, 수분 등이 포함된 연소가스가 된다. 그러나 대부분이 질소여서 열역학적 성질이 크게 변하지 않는다. 내부 작동유체를 공기로 보며 온도와 압력이 변해도 성질은 일정하다고 가정한다.

Air-Standard Cycles • 3. 연소과정 : 연소과정은 외부로 부터 열전달에 의해 에너지가 공급되는 과정으로 modeling한다. • 4. 배기과정 중 blowdown 과정 : 외부로 열전달이 발생하는 과정으로 modeling한다. • 5. 흡기와 배기과정 : 일정 압력과정으로 modeling한다. • 6. 압축, 팽창과정 : 가역 단열과정(isentropic process)으로 가정한다.

Otto Cycle • ◈ Spark-ignition engine의 연소과정을 일정부피에서의 열전달 과정으로 modeling한 cycle이가. 열전달이 일정부피에서 이루어져 실제에 비해 연소 후 압력이 매우 높게 나타난다. ---(3-31) 식 3-31에서 Otto cycle의 열효율은 압축비가 증가할수록 높아짐을 알 수 있다. 실제의 경우에는 압축비가 너무 높은 경우에는 마찰, 열전달 손실의 증가로 열효율이 낮아질 수 있으며 SI engine의 경우 높은 압축비에서는 knock이 일어날 수 있으므로 압축비 증가에는 한계가 있다. 또 비열비(specific heat ratio)가 증가할 수로 열효율이 증가한다. 연료에 해 공기의 비열비가 크므로 공기만 압축하는 CI engine이나 GDI(Gasoline Direct Injection)engine의 경우가 연료와 공기를 함께 압축하는 SI engine보다 같은 압축비에서 열효율이 높을 수 있다.

Otto Cycle Otto Cycle의 부분 동작을 상세히 알고 싶으면 아래를 누르세요

Real Air-Fuel Engine Cycles • ◈ 실제의 엔진은 Otto cycle에서 modeling 한 경우보다 다음과 같은 이유에 의해 열효율이 낮다. • 1. pumping loss • 흡배기 과정에서의 손실 • 2. 열전달 손실 • 냉각수등으로의 열전달 손실 특히 연소 및 팽창 과정에서의 손실 • 3. 작동유체가 공기가 아니며 property들도 온도와 압력의 함수임 • 4. 연소과정이 일정 부피에서 일어나지 않음 • 압력의 증가가 정적과정에서 계산된 바와 같이 높지 않음 • 5. Blowdown과정은 유한한 실제 시간과 유한한 싸이클 시간을 요한다. 그리고 Blowdown은 Air-Standard Analysis처럼 정적과정으로 일어나지 않는다. •  이런 이유로 인해 Ideal Cycle은 Actual Cycle과 차이를 보인다. 하지만 그 차이는 그렇게 크지 않다. 따라서 Actual Cycle의 도시 열 효율은 항상 Air-Standard Otto Cycle보다 낮다. 이는 열손실, 마찰, 점화 시기, 밸브 타이밍, 유한 시간 연소와 Blowdown, 등에 기인한다.

SI Engine Cycle At Part Throttle • ◈ SI engine의 출력은 공급되는 공기의 양에 의해 조절된다. Throttle plate가 열리고 닫힘에 따라 공기의 양이 증감하고 거기에 비례하여 연료의 양이 변화하며 출력이 변화한다. Throttle plate가 완전히 열린 경우(WOT)외에는 흡입공기의 압력이 대기압보다 낮아지며 엔진에서는 배기 압력보다 흡기 압력이 낮아 negative work가 발생한다. 이를 pumping loss 라고 하며 pmep(pumping mean effective pressure)는 식 3-36과 같이 정의된다.

Exhaust Process • ◈ 배기밸브는 보통 BDC 수십도 전에 열리며 이 때 실린더 내 연소가스의 압력이 높기 때문에 급격하게 밸브를 통해 연소가스가 빠져 나간다. 나머지 가스는 피스톤이 올라가면서 밀어내고 흡기 밸브가 열리면 일부 가스는 역류하여 흡기 쪽으로 나간다. 배기 밸브가 닫힌 후 흡기가 본격적으로 흘러 들어오고 남아 있던 가스와 혼합된다. 전체 실린더내 가스 중 남아 있던 연소가스의 비율을 residual gas fraction이라 한다.

Diesel Cycle • ◈ 대형 디젤엔진의 경우 연소가 상대적으로 느려 연소 기간 중 실린더 내 가스의 압력이 거의 일정한 경우가 있다. 이를 modeling한 것을 diesel cycle이라 부른다. • 이 cycle의 효율은 식 3-73과 같이 나타나며 역시 압축비, 비열비, 그리고 cutoff ratio(일정압력에서 연소가 일어날 때의 부피비)의 함수이다.

Dual Cycle • ◈ 실제의 경우는 SI engine, CI engine 모두 등적이나 등압에서 연소가 일어나지 않는다. 실제에 가깝게 modeling 한 것이 Dual Cycle 인데 실제에는 좀 더 가까울 수 있지만 역시 단순한 model의 한계는 지닌다.

Comparison of Otto, Diesel, And Dual Cycles 왼쪽의 그림은 Otto, Diesel, and Dual Cycle을 같은 입구 조건과 같은 압축비로 비교한 것이다. 열효율은 다음과 같이 나타낼 수 있으므로, 아래의 T-s선도에서의 면적이 열효율과 비교할 수 있다. 그림(b)의 면적을 토대로 세 가지 싸이클의 효율을 비교 하면, 하지만, 이와 같은 비교는 세 가지 싸이클을 이용한 실재 엔진의 압축비가 다르므로 같은 압축비로 비교 하는 것은 의미가 없다.

Comparison of Otto, Diesel, And Dual Cycles 왼쪽의 그림은 세 가지 싸이클 엔진의 Peak Pressure가 같을 경우( 실재 엔진 설계시 고려), 각각의 열효율을 비교한 것이다.이 경우, 이 비교는 앞에서의 같은 압축비로 비교한 것보다 현실성이 있는 비교이다.

Miller Cycle Atkinson Cycle Miller Cycle Miller Cycle은 Atkinson Cycle을 현대적으로 수정된 싸이클이다. 즉, Atkinson Cycle에서처럼 팽창비가 압축비보다 크게 하기 위해 Miller Cycle은 독특한 밸브 타이밍을 이용한다. Mazuda에서 실재 사용된 Miller Cycle에 대한 내용은 아래를 눌러서 참조.

Two-Stroke Cycles ◈ SI Engine 2스트로크 SI Engine의 경우, Air-Standard Process로 가정하면, 1-2 : Isentropic Power or Expansion stroke 2-3 : Exhaust Blowdown. 3-4-5 : Intake & Exhaust scavengine. 5-6 : Exhaust scavengine. 6-7 : Isentropic Compression. 7-1 : Constant-Volume Heat Input.

Stirling Cycle • ◈ Stirling Cycle Engine은 진정한 의미의 내연기관은 아니다. Stirling Cycle Engine은 양 • 쪽에 위치한 Gas Chamber와 이를 연결하는 피스톤이 있고, 연소는 이 Gas Chamber에서 • 발생하는 것이 아니라 외부에서 열을 받아 작동유체가 열전달을 받아 피스톤에 일을 한다.아 • 래는 다양한 모양의 Stirling Cycle기관 모형이다.

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