4행정 사이클 가솔린기관과 엔진관련 용어

4 행정 사이클 가솔린기관

가솔린기관은 가솔린과 공기의 혼합기체를 실린더 안으로 공급하고 점화시켜 동력을 얻는 왕복 피스톤식 기관이다. 4 행정 가솔린기관은 흡입행정, 압축행정, 팽창행정, 배기행정을 순서대로 반복하면서 작동한다. 이들 4개 행정의 순환 과정을 1사이클이라 한다.
(1) 흡입행정 : 흡기 밸브가 열리고, 피스톤이 하강하면서 새로운 혼합기를 실린더 안으로 흡입하는 행정이다.
(2) 압축행정 : 모든 밸브가 닫히고 피스톤이 상승하면서 흡입된 혼합기를 압축하는 행정이다. 흡입된 물질의 온도와 압력을 높이기 위해 피스톤이 실린더 내부에 일을 하게 된다.
(3) 팽창행정 : 압축행정 다음에 점화 플러그에 의하여 점화하면 혼합기는 급격히 연소하여 고온 고압의 연소가스가 되어 팽창하면서 피스톤을 밀어 동력을 발생시킨다. 기체의 팽창에 의해 동력이 발생하므로 동력행정이라고도 한다.
(4) 배기행정 : 팽창행정이 끝난 후에 배기 밸브를 열고 연소가스를 실린더 밖으로 배출시키는 행정이다. 배기행정이 끝나면 기관의 상태는 다시 처음 상태로 되돌아가게 된다.

 

엔진 관련 용어

(1) 보어(D) : 실린더 안지름 또는 피스톤 지름을 보어(bore)라 하는데, 실린더 안지름 또는 내경이라고 그대로 부르기도 한다. 이상적으로 실린더 안지름은 피스톤 지름과 같다.
(2) 상사점(TDC) : 피스톤이 실린더의 가장 위쪽에 있을 때 피스톤 헤드 부분의 위치를 상사점(top dead center)이라 한다.
왕복 운동하는 피스톤이 상사점에 있을 때 실린더 내부 체적이 최소가 된다.
(3) 하사점(BDC) : 피스톤이 실린더의 가장 아래쪽에 있을 때 피스톤 헤드 부분의 위치를 하사점(bottom dead center)이라 한다. 피스톤이 하사점에 있을 때 실린더 내부체적이 최대가 된다.
(4) 행정(S) : 피스톤은 실린더 내 두 지점(상사점과 하사점)을 왕복 운동하므로 상사점과 하사점 사이의 거리는 피스톤이 한 방향으로 움직일 수 있는 최대 거리이며 이것을 행정(stroke)이라 한다.
(5) 틈새체적, 연소실체적 : 피스톤이 상사점에 도달하여 실린더 내부체적이 최소가 되었을 때 이를 틈새체적(간극체적, 통극체적, clearance volume) 또는 연소실체적이라고 한다.
(6) 배기체적(배기량), 행정체적 : 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하면서 피스톤이 밀어낸 체적을 배기체적 또는 행정체적이라 한다.
(7) 총 행정체적(총 배기량) : 기관의 총 행정체적을 말하며 행정체적과 실린더 수의 곱과 같다. 총 행정체적은 총배기량을 말하며 기관의 크기를 나타내는 일반적인 척도로 사용된다.
(8) 압축비 : 실린더 내에 형성되는 최대 체적과 최소 체적의 비를 압축비라 한다.
(9) 평균유효압력(MEP) : 전 동력 행정을 하는 동안 평균유효압력(mean effective pressure)이 피스톤에 작용하면, 실제 사이클 동안 발생하는 순 일(net work)과 동일한 크기의 일을 생성하는 압력으로 정의한다.

공기 표준 해석
내연기관의 기체 동력 사이클에서 작동유체는 전 사이클에 걸쳐 기체 상태를 유지한다. 불꽃 점화기관, 디젤기관, 가스터빈 등이 이에 해당된다. 이들 기관에서 에너지는 연료의 연소에 의해 공급된다. 이 연소 과정 때문에 사이클 과정 동안에 작동유체의 조성이 공기와 연료의 혼합기에서 연소 생성물로 변화한다. 그러나 공기가 연소실에서 거의 화학적 반응을 일으키지 않는 질소로 구성되어 있다고 생각하면 작동유체는 거의 공기와 유사하다고 볼 수 있다.
왕복 운동 내연기관에서는 피스톤이 매 회전의 끝에서 출발 위치로 되돌아오므로 하나의 기계적인 사이클을 구성한다.
그러나 작동유체는 완전한 열역학적 사이클을 이루지 못한다. 사이클의 어떤 시점에서 작동유체는 초기 상태로 복원되지 않고 기관 밖으로 배출된다. 이와 같이 실제 기체 동력 사이클은 다소 복잡하다. 따라서 이론적인 해석을 용이하게 하기위해 다음과 같은 공기 표준 가정을 사용한다.
(1) 작동유체는 일정량의 공기이고 밀폐 시스템을 이루거나 정상상태 유동에 의하여 사이클을 구성한다.
(2) 공기는 이상기체라고 가정한다.
(3) 연소 과정은 외부 열원에 의한 가열 과정으로 대체된다. 즉, 고온열원으로부터 사이클로 열이 전달된다.
(4) 배기과정은 저온열온으로의 열전달로 대체된다.
(5) 사이클을 구성하는 모든 과정은 내부적으로 가역 과정이며 운동에너지와 위치에너지는 무시한다.