오토사이클

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1. 개요

오토 사이클은 1861년 알퐁스 보 드 로샤가 특허를 획득하고, 1876년 니콜라우스 아우토가 가스 엔진을 제작하면서 널리 알려진 4행정 내연기관의 기본 원리이다. 이 사이클은 흡입, 압축, 연소(점화), 팽창, 배기의 5단계를 거치며, 가솔린 엔진의 기본 원리로 자동차, 오토바이 등 다양한 운송 수단에 적용된다. 오토 사이클의 열효율은 압축비에 의해 결정되며, 터보차저, 인터쿨러 등의 기술을 통해 효율과 출력을 향상시킬 수 있다.

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성형 엔진은 실린더가 크랭크축을 중심으로 방사형으로 배치된 내연 기관으로, 4행정 사이클 기반 작동, 짧은 크랭크축, 공랭식 냉각, 다기통화 등의 특징을 가지며, 과거 항공기 및 전차 엔진으로 널리 사용되었다.
왕복 기관 - 압축비
압축비는 내연기관의 성능을 나타내는 지표로, 실린더 내 피스톤의 위치에 따른 부피 비율을 의미하며, 엔진의 열효율과 출력을 결정하고, 튜닝을 통해 변경하거나 가변 압축비 엔진 기술을 통해 효율성을 높이기도 한다.

오토사이클
개요
오토 사이클 애니메이션
종류	열역학 순환
사용 분야	가솔린 엔진
고안자	니콜라우스 오토
과정
1	단열 압축
2	정적 가열
3	단열 팽창
4	정적 냉각
설명
설명	오토 사이클은 스파크 점화 엔진 (가솔린 엔진)에서 발견되는 열역학적 순환을 설명한다.
특징	단열 과정 2개 등적 과정 2개
작동 방식	흡입: 피스톤이 실린더 안으로 들어가면서 연료와 공기 혼합물이 실린더로 빨려 들어간다. 압축: 흡입 밸브가 닫히고, 피스톤이 실린더 안에서 다시 올라가면서 연료-공기 혼합물을 압축한다. 연소: 피스톤이 팽창 행정의 맨 위에 도달했을 때, 스파크 플러그가 연료-공기 혼합물을 점화하여 연소를 일으킨다. 배기: 피스톤이 다시 실린더 안으로 되돌아가면서 배기 밸브를 열어 연소 가스를 배출한다.

2. 역사

알퐁스 보 드 로샤는 1861년에 4행정 기관의 특허를 최초로 획득했다.^[2] 1854년에서 1857년 사이에 우제니오 바르산티와 펠리체 마테우치가 매우 유사한 엔진을 발명했다는 주장이 있으나, 특허는 소실되었다.

최초로 작동하는 4행정 기관(연료로 석탄 가스와 공기 혼합물을 사용하는 고정식 기관, 즉 가스 엔진)을 제작한 사람은 독일의 엔지니어 니콜라우스 아우토였다.^[3] 그래서 오늘날 4행정 원리는 일반적으로 오토 사이클로 알려져 있으며, 점화 플러그를 사용하는 4행정 기관은 종종 오토 엔진이라고 불린다.

2. 1. 오토 사이클의 발명과 초기 발전

알퐁스 보 드 로샤는 1861년에 4행정 기관의 특허를 최초로 획득했다.^[2] 1854년에서 1857년 사이에 우제니오 바르산티와 펠리체 마테우치가 매우 유사한 엔진을 발명했다는 주장이 있으나, 특허는 소실되었다.

최초로 작동하는 4행정 기관(연료로 석탄 가스와 공기 혼합물을 사용하는 고정식 기관, 즉 가스 엔진)을 제작한 사람은 독일의 엔지니어 니콜라우스 아우토였다.^[3] 그래서 오늘날 4행정 원리는 일반적으로 오토 사이클로 알려져 있으며, 점화 플러그를 사용하는 4행정 기관은 종종 오토 엔진이라고 불린다.

2. 2. 오토 사이클의 확산과 현대 내연 기관에의 영향

최초로 작동하는 4행정 엔진은 독일의 엔지니어 니콜라우스 아우토가 제작했다.^[3] 그래서 오늘날 4행정 원리는 일반적으로 오토 사이클로 알려져 있으며, 점화 플러그를 사용하는 4행정 엔진은 종종 오토 엔진이라고 불린다. 오토의 엔진은 효율성과 신뢰성이 높아 상업적으로 큰 성공을 거두었고, 이후 내연 기관 기술 발전에 큰 영향을 미쳤다. 오늘날 오토 사이클은 가솔린 엔진의 기본 원리로 널리 사용되고 있으며, 자동차, 오토바이, 소형 항공기 등 다양한 운송 수단에 적용되고 있다.

3. 작동 과정 (Processes)

오토 사이클은 점화점화 내연기관의 작동 과정을 설명하는 이상적인 열역학 사이클이다. 이 사이클은 다음과 같은 네 가지 주요 과정으로 구성된다.^[5]

과정 0–1 (흡입): 일정 압력에서 공기가 피스톤/실린더 장치로 흡입된다.
과정 1–2 (압축): 피스톤이 하사점(BDC)에서 상사점(TDC)으로 이동하면서 연료와 공기의 혼합물이 단열 압축(등엔트로피 압축)된다.
과정 2–3 (연소/열 공급): 피스톤이 상사점에 있는 동안 외부에서 열이 공급되어 연료와 공기 혼합물이 점화되고 빠르게 연소된다. 이 과정은 일정 부피에서 일어난다.
과정 3–4 (팽창): 단열 팽창(등엔트로피 팽창)이 일어나며, 이를 동력 행정이라고 한다.
과정 4–1 (열 방출): 피스톤이 하사점에 있는 동안 공기에서 열이 방출되는 일정 부피 과정으로 사이클이 완료된다.
과정 1–0 (배기): 일정 압력 과정에서 연소된 공기가 대기 중으로 방출된다.

오토 사이클은 등엔트로피 압축, 일정 부피에서의 열 첨가, 등엔트로피 팽창, 그리고 일정 부피에서의 열 방출로 구성된다. 실제 엔진에서는 배기가스와 차가운 공기의 흡입 과정이 추가되지만, 단순화된 분석에서는 생략되기도 한다.^[5]

팽창 과정에서 발생한 기계적 작업의 일부는 다음 사이클의 공기를 압축하는 데 사용된다. 생성된 총 기계적 작업에서 압축에 사용된 작업을 뺀 값이 순수한 작업량이 되며, 이는 추진력을 얻거나 다른 기계를 구동하는 데 사용될 수 있다.

오토 사이클의 과정^[8]^[9]
실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
1 → 2	혼합 기체의 압축	단열(등엔트로피) 압축
2 → 3	점화·연소	등적 가열	이 사이의 피스톤 이동은 무시
3 → 4	연소 기체의 팽창	단열(등엔트로피) 팽창
4 → 1	배기·흡기(또는 소기)	등적 냉각	이 사이의 피스톤 이동은 무시

오토 사이클 각 점의 상태량^[8]^[9]
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
1	$V_1$	$p_1$	$T_1$	$S_1$
1→2		$p = p_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_1$
2	$V_2 = V_1/\epsilon$	$p_2 = p_1 \epsilon^{\kappa}$	$T_2 = T_1 \epsilon^{\kappa-1}$	$S_2 = S_1$
2→3	$V = V_2$	\|	$T = T_2 \frac{p}{p_2}$	$S = S_2 + m c_v \ln\frac{T}{T_2}$
3	$V_3 = V_1 /\epsilon$	$p_3 = p_1 \alpha \epsilon^{\kappa}$	$T_3 = T_1 \alpha \epsilon^{\kappa-1}$	$S_3 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
3→4		$p = p_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_3$
4	$V_4 = V_1$	$p_4 = p_1 \alpha$	$T_4 = T_1 \alpha$	$S_4 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
4→1	$V = V_4$	\|	$T = T_4 \frac{p}{p_4}$	$S = S_4 + m c_v \ln\frac{T}{T_4}$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ : 압축비, $\alpha = \frac{p_3}{p_2}$ : 압력비(압력상승비), $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ (비열비),

3. 1. 흡입 행정 (Intake Stroke)

대기압(일정 압력)에서 0에서 1까지의 과정 동안, 공기(작동 유체) 덩어리가 열린 흡입 밸브를 통해 실린더 안으로 빨려 들어간다.^[5] 이 과정 동안 배기 밸브는 닫혀 있으며, 1번 지점에서 흡입 밸브가 닫힌다.

3. 2. 압축 행정 (Compression Stroke)

피스톤이 크랭크축 끝(하사점, BDC)에서 실린더 헤드 끝(상사점, TDC)으로 이동하면서 작동 가스인 공기/연료 혼합물은 압축비(''V''₁/''V''₂)를 통해 압축된다. 이 과정을 압축 행정이라고 하며, 단열 과정(등엔트로피 과정)으로 가정한다. 즉, 마찰로 인한 기계적 에너지 손실이나 열전달이 없으므로 가역적이다.^[5] 이 과정에서 작동 가스에는 기계적 일이 추가된다. 일반적인 가솔린 엔진의 압축비는 약 9~10:1 (''V''₁:''V''₂)이다.^[4]

표 1. 사이클의 치환
	실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
1 → 2	혼합 기체의 압축	단열(등엔트로피) 압축

표 2. 사이클 각 점의 상태량
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
1	$V_1$	$p_1$	$T_1$	$S_1$
1→2		$p = p_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_1$
2	$V_2 = V_1/\epsilon$	$p_2 = p_1 \epsilon^{\kappa}$	$T_2 = T_1 \epsilon^{\kappa-1}$	$S_2 = S_1$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ : 압축비, $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ : 비열비

3. 3. 연소(점화) 및 팽창 행정 (Ignition and Expansion Stroke)

점화 플러그를 통해 압축된 혼합물에 불꽃을 가하면 연소가 시작된다. (과정 2-3)^[5] 연소는 매우 짧은 시간에 일어나며, 이 과정은 등적 가열(일정 부피에서 열 추가)로 간주된다.^[5] 연소로 발생한 고온, 고압의 가스가 피스톤을 밀어내면서 팽창한다. (과정 3-4)^[5] 이 과정은 단열(등엔트로피) 팽창으로, 가스가 일을 하면서 온도와 압력이 감소한다.^[5]

피스톤은 상사점(TDC)에서 순간적으로 정지하며, 이때 공기/연료 혼합물은 압축 행정 상단의 작은 부피에 남아 있다. 분사된 연료가 연소되면서 작동 유체에 열이 가해지고, 부피는 기본적으로 일정하게 유지된다. 압력은 상승하고 그 비율

(P_3/P_2)

는 "폭발 비율"이라고 한다.

고압은 피스톤에 힘을 가하여 피스톤이 하사점(BDC)으로 움직이게 한다. 작동 유체의 팽창은 등엔트로피 과정으로 일어나며, 계가 피스톤에 일을 한다. 체적비

V_4/V_3

는 "등엔트로피 팽창비"라고 한다. (오토 사이클에서는 압축비

V_1/V_2

와 같다). 기계적으로 이것은 실린더 내 고온 기체 혼합물의 팽창이며, 팽창(동력) 행정으로 알려져 있다.

사이클의 치환^[8]^[9]
	실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
2 → 3	점화·연소	등적 가열	이 사이의 피스톤 이동은 무시됨
3 → 4	연소 기체의 팽창	단열(등엔트로피) 팽창

사이클 각 점의 상태량^[8]^[9]
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
2→3	$V = V_2$	\|	$T = T_2 \frac{p}{p_2}$	$S = S_2 + m c_v \ln\frac{T}{T_2}$
3	$V_3 = V_1 /\epsilon$	$p_3 = p_1 \alpha \epsilon^{\kappa}$	$T_3 = T_1 \alpha \epsilon^{\kappa-1}$	$S_3 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
3→4		$p = p_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_3$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ ：압축비, $\alpha = \frac{p_3}{p_2}$ ：압력비(압력상승비), $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ (비열비),

3. 4. 배기 행정 (Exhaust Stroke)

피스톤이 상사점(TDC)으로 이동하면서 배기 밸브가 열리고, 연소된 가스가 실린더 밖으로 배출된다. 이 과정은 4–1, 1-0 과정으로,^[5] 등적 냉각(일정 부피에서 열 방출)과 등압 배기로 이루어진다.

4. 사이클 분석 (Cycle analysis)

오토 사이클은 이상적인 열역학적 사이클로, 실제 엔진의 작동과는 차이가 있다. 피스톤이 실린더 내에서 움직임에 따라 공기의 부피, 압력, 온도가 변한다. 팽창 과정에서 유용한 기계적 작업이 생성되며, 이 중 일부는 다음 사이클의 공기를 압축하는 데 사용된다. 남은 열은 추출되고, 마지막으로 가스가 배출된다.^[5]^[6]

이 사이클은 네 가지 과정으로 구성된다.

과정 1–2: 피스톤이 기체에 일을 하며, 등엔트로피 압축이 일어난다.
과정 2–3: 등적 가열 과정으로, 계에 열이 전달된다.
과정 3–4: 기체가 피스톤에 일을 하며, 등엔트로피 팽창이 일어난다.
과정 4–1: 등적 냉각 과정으로, 계에서 열이 빠져나간다.

등적 과정에서는 계의 경계가 움직이지 않으므로 일이 이루어지지 않는다. 따라서 실린더 부피가 변하지 않으면 계에 샤프트 일이 추가되거나 제거되지 않는다.

완전한 사이클 동안 기체는 원래의 온도, 압력, 부피 상태로 돌아가므로, 계의 순 내부 에너지 변화는 0이다. 즉, 계에 추가된 에너지(열 또는 일)는 계에서 나가는 에너지(열 또는 일)에 의해 상쇄된다. 열역학적 계의 분석에서 관례적으로 계에 들어가는 에너지는 양수로, 계에서 나가는 에너지는 음수로 계산한다.

:

\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = 0

여기서 각 항은 과정의 각 지점에서 기체의 내부 에너지에 따라 표현할 수 있다.

:

W_{1-2} = U_2 - U_1

:

Q_{2-3} = U_3 - U_2

:

W_{3-4} = U_4 - U_3

:

Q_{4-1} = U_1 - U_4

따라서 에너지 균형 방정식은 다음과 같이 표현된다.

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_4 - U_3\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 0

오토 사이클의 열효율은 계에서 나가는 순 일과 계에 추가된 열의 비율로 정의된다.

:

\eta = \frac{- \left(W_{1-2} + W_{3-4}\right) }{Q_{2-3}} = \frac{\left(U_1 - U_2\right) + \left(U_3 - U_4\right)}{ \left(U_3 - U_2\right)}

또는

:

\eta =1+\frac{U_1 - U_4 }{  \left(U_3 - U_2\right)}

열효율은 추가된 열과 방출된 열만으로도 유도할 수 있다.

:

\eta=\frac{Q_{2-3} + Q_{4-1}}{Q_{2-3}}=1+\frac{\left(U_1-U_4\right) }{ \left(U_3-U_2\right)}

오토 사이클은 압축 및 팽창 과정(1–2, 3–4)에서 등엔트로피 과정을 사용하므로, 이상 기체의 등엔트로피 과정과 일정 압력/부피 관계를 이용하여 열효율을 표현할 수 있다.^[7]

최종적으로 오토 사이클의 열효율은 다음과 같이 표현된다.^[6]

:

\eta = 1 - \left(\frac{1}{r^{(\gamma-1)}}\right)

여기서

r

은 압축비

(V_1/V_2)

이고,

{\gamma}

는 비열비이다. 이 식에서 오토 사이클 효율은 압축비에 직접적으로 의존하며, 압축비가 증가할수록 효율이 증가한다. 그러나 실제 엔진에서는 노킹 현상 때문에 압축비에 제한이 있다.

오토 사이클은 점화점화 기관의 실제 사이클을 이상 기체의 가역적인 폐쇄 사이클(공기 표준 사이클)로 치환한 것으로 생각할 수 있다.^[8]^[9]

표 1. 사이클의 치환
	실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
1 → 2	혼합 기체의 압축	단열(등엔트로피) 압축
2 → 3	점화·연소	등적 가열	이 사이의 피스톤 이동을 무시
3 → 4	연소 기체의 팽창	단열(등엔트로피) 팽창
4 → 1	배기·흡기(또는 소기)	등적 냉각	이 사이의 피스톤 이동을 무시

오토 사이클의 p-V 선도 및 T-S 선도는 위 그림과 같다. 흡기 상태를 V₁, p₁, T₁, S₁로 했을 때, 사이클 상 각 점의 상태량은 아래 표 2와 같다.

표 2. 사이클 각 점의 상태량
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
1	$V_1$	$p_1$	$T_1$	$S_1$
1→2		$p = p_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_1$
2	$V_2 = V_1/\epsilon$	$p_2 = p_1 \epsilon^{\kappa}$	$T_2 = T_1 \epsilon^{\kappa-1}$	$S_2 = S_1$
2→3	$V = V_2$	\|	$T = T_2 \frac{p}{p_2}$	$S = S_2 + m c_v \ln\frac{T}{T_2}$
3	$V_3 = V_1 /\epsilon$	$p_3 = p_1 \alpha \epsilon^{\kappa}$	$T_3 = T_1 \alpha \epsilon^{\kappa-1}$	$S_3 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
3→4		$p = p_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_3$
4	$V_4 = V_1$	$p_4 = p_1 \alpha$	$T_4 = T_1 \alpha$	$S_4 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
4→1	$V = V_4$	\|	$T = T_4 \frac{p}{p_4}$	$S = S_4 + m c_v \ln\frac{T}{T_4}$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ ：압축비、 $\alpha = \frac{p_3}{p_2}$ ：압력비(압력상승비)、 $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ ：비열비、

4. 1. 이상적인 오토 사이클

이상적인 오토 사이클은 다음과 같은 가정 하에 분석된다.

과정 1–2에서 피스톤이 기체에 일을 하고, 과정 3–4에서 기체가 등엔트로피 압축 및 팽창 과정 동안 피스톤에 일을 한다. 과정 2–3과 4–1은 등적 과정이다. 2–3에서 계로 열이 전달되고 4–1에서 계에서 열이 빠져나가지만, 이 과정 동안 계에 일이 가해지거나 계에서 일이 추출되지 않는다. 등적(정적) 과정에서는 일이 이루어지지 않기 때문이다. 계에서 일을 더하거나 제거하려면 계의 경계가 움직여야 한다. 따라서 실린더 부피가 변하지 않으면 계에 샤프트 일이 추가되거나 제거되지 않는다.^[5]

완전한 사이클 동안 기체는 원래의 온도, 압력 및 부피 상태로 돌아간다. 따라서 계(기체)의 순 내부 에너지 변화는 0이다. 결과적으로 계에 추가된 에너지(열 또는 일)는 계에서 나가는 에너지(열 또는 일)에 의해 상쇄되어야 한다. 열역학적 계의 분석에서 관례적으로 계에 들어가는 에너지는 양수로, 계에서 나가는 에너지는 음수로 계산한다.

완전한 사이클 동안 계의 에너지 순 변화는 0이다.

:

\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0

위 내용은 계(기체의 질량)가 사이클 시작 시의 원래 열역학적 상태로 돌아온다는 것을 나타낸다.

여기서

E_\text{in}

은 1–2–3에서 계에 추가된 에너지이고,

E_\text{out}

은 3–4–1에서 계에서 제거된 에너지이다. 계에 추가된 일과 열의 관점에서

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = 0

방정식의 각 항은 과정의 각 지점에서 기체의 내부 에너지에 따라 표현할 수 있다.

:

W_{1-2} = U_2 - U_1

:

Q_{2-3} = U_3 - U_2

:

W_{3-4} = U_4 - U_3

:

Q_{4-1} = U_1 - U_4

에너지 균형 방정식은 다음과 같이 된다.

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_4 - U_3\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 0

(중략)

오토 사이클은 압축(과정 1~2) 및 팽창(과정 3~4) 중에 등엔트로피 과정을 사용하므로 이상 기체의 등엔트로피 과정과 일정 압력/부피 관계를 사용하여 다음 방정식들을 얻을 수 있다.^[7]

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/{\gamma}}

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)}

여기서

{\gamma} = \left(\frac{C_\text{p}}{C_\text{v}}\right)

는 비열비이다.

(중략)

r

이 압축비

(V_1/V_2)

일 때, 방정식을 더 단순화하면 다음과 같다.

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right) = \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)} = r^{(\gamma-1)}

최종 열효율은 다음과 같이 표현할 수 있다.^[6]

:

\eta = 1 - \left(\frac{1}{r^{(\gamma-1)}}\right)

방정식을 분석하면 오토 사이클 효율은 압축비

r

에 직접적으로 의존한다는 것을 알 수 있다. 공기의

\gamma

가 1.4이므로

r

이 증가하면

\eta

가 증가한다. 그러나 연료/공기 혼합물의 연소 생성물에 대한

\gamma

는 종종 약 1.3으로 간주된다.

위의 논의는 높은 압축비를 갖는 것이 더 효율적임을 의미한다. 일반적인 자동차의 표준 비율은 약 10:1이다. 일반적으로 자연 발화 또는 "노킹"의 가능성으로 인해 이 비율은 크게 증가하지 않는다. 이는 압축비에 상한선을 설정한다.^[5] 압축 과정 1–2 동안 온도가 상승하므로 압축비가 증가하면 온도가 증가한다. 자연 발화는 연료/공기 혼합물의 온도가 화염 전면에 의해 점화되기 전에 너무 높아질 때 발생한다. 압축 행정은 화염이 혼합물을 점화하기 전에 생성물을 압축하기 위한 것이다. 압축비가 증가하면 압축 행정이 완료되기 전에 혼합물이 자연 발화되어 "엔진 노킹"이 발생할 수 있다. 이는 엔진 구성 요소에 손상을 줄 수 있으며 엔진의 제동 마력을 감소시킨다.

오토 사이클(Otto cycle)은 점화점화 기관의 실제 사이클을 아래 표 1과 같이 비열 일정의 이상 기체(공기)의 가역적인 폐쇄 사이클(공기 표준 사이클)로 치환한 것으로 생각할 수 있다.^[8]^[9]

표 1 사이클의 치환
	실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
1 → 2	혼합 기체의 압축	단열(등엔트로피) 압축
2 → 3	점화·연소	등적 가열	이 사이의 피스톤 이동을 무시
3 → 4	연소 기체의 팽창	단열(등엔트로피) 팽창
4 → 1	배기·흡기(또는 소기)	등적 냉각	이 사이의 피스톤 이동을 무시

오토 사이클의 p-V 선도 및 T-S 선도는 위 그림과 같다. 또한, 흡기 상태를 V₁, p₁, T₁, S₁로 했을 때의 사이클 상의 각 점의 상태량은 아래 표 2와 같다.

표 2 사이클 각 점의 상태량
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
1	$V_1$	$p_1$	$T_1$	$S_1$
1→2		$p = p_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_1$
2	$V_2 = V_1/\epsilon$	$p_2 = p_1 \epsilon^{\kappa}$	$T_2 = T_1 \epsilon^{\kappa-1}$	$S_2 = S_1$
2→3	$V = V_2$	\|	$T = T_2 \frac{p}{p_2}$	$S = S_2 + m c_v \ln\frac{T}{T_2}$
3	$V_3 = V_1 /\epsilon$	$p_3 = p_1 \alpha \epsilon^{\kappa}$	$T_3 = T_1 \alpha \epsilon^{\kappa-1}$	$S_3 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
3→4		$p = p_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_3$
4	$V_4 = V_1$	$p_4 = p_1 \alpha$	$T_4 = T_1 \alpha$	$S_4 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
4→1	$V = V_4$	\|	$T = T_4 \frac{p}{p_4}$	$S = S_4 + m c_v \ln\frac{T}{T_4}$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ ：압축비、 $\alpha = \frac{p_3}{p_2}$ ：압력비(압력상승비)、 $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ ：비열비、

4. 2. 열역학적 분석

오토 사이클의 각 과정은 열역학 제1법칙(에너지 보존 법칙)을 이용하여 분석할 수 있다. 사이클 동안 작동 유체(계)의 순 내부 에너지 변화는 0이다. 즉, 계에 추가된 에너지(열 또는 일)는 계에서 나가는 에너지(열 또는 일)와 같다.

완전한 사이클 동안 계의 에너지 순 변화는 0이다.

:

\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0

이는 계(기체의 질량)가 사이클 시작 시의 원래 열역학적 상태로 돌아온다는 것을 의미한다. 여기서

E_\text{in}

은 1–2–3에서 계에 추가된 에너지이고,

E_\text{out}

은 3–4–1에서 계에서 제거된 에너지이다. 계에 추가된 일과 열을 고려하면,

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = 0

각 항은 과정의 각 지점에서 기체의 내부 에너지로 표현 가능하다.

:

W_{1-2} = U_2 - U_1

:

Q_{2-3} = U_3 - U_2

:

W_{3-4} = U_4 - U_3

:

Q_{4-1} = U_1 - U_4

따라서 에너지 균형 방정식은 다음과 같다.

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_4 - U_3\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 0

오토 사이클의 열효율(

\eta

)은 순수한 일과 계에 추가된 열의 비율로 표현된다.

:

\eta = \frac{- \left(W_{1-2} + W_{3-4}\right) }{Q_{2-3}} = \frac{\left(U_1 - U_2\right) + \left(U_3 - U_4\right)}{ \left(U_3 - U_2\right)}

또는,

:

\eta = 1+\frac{U_1 - U_4 }{  \left(U_3 - U_2\right)}

열효율은 추가된 열과 방출된 열만으로도 유도할 수 있다.

:

\eta=\frac{Q_{2-3} + Q_{4-1}}{Q_{2-3}}=1+\frac{\left(U_1-U_4\right) }{ \left(U_3-U_2\right)}

오토 사이클은 과정 1–2와 3–4에서 등엔트로피 과정이므로 열전달이 없다. 열은 정적 과정 2–3에서만 공급되고, 정적 과정 4–1에서만 방출된다.

정적 비열 방정식을 열효율 방정식에 삽입하면,

:

\eta = 1-\left(\frac{C_\text{v}(T_4 - T_1)}{ C_\text{v}(T_3 - T_2)}\right)

로 정리되고, 이상 기체의 등엔트로피 관계를 이용하면,

:

\eta = 1-\left(\frac{T_1}{T_2}\right)

로 단순화된다.

이상 기체의 등엔트로피 방정식과 일정 압력/부피 관계를 사용하면,^[7]

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/{\gamma}}

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)}

여기서

{\gamma} = \left(\frac{C_\text{p}}{C_\text{v}}\right)

는 비열비이다.

압축비

r

(

(V_1/V_2)

)을 이용하여 정리하면,

:

\left(\frac{T_2}{T_1}\right) = \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)} = r^{(\gamma-1)}

최종 열효율은 다음과 같이 표현된다.^[6]

:

\eta = 1 - \left(\frac{1}{r^{(\gamma-1)}}\right)

이 식에서 오토 사이클 효율은 압축비

r

에 직접적으로 의존한다. 공기의

\gamma

가 1.4일 때,

r

이 증가하면

\eta

도 증가한다. 그러나 연료/공기 혼합물의 연소 생성물에 대한

\gamma

는 종종 약 1.3으로 간주된다.

일반적인 자동차의 표준 압축비는 약 10:1이다. 자연 발화 또는 노킹의 가능성 때문에 압축비는 제한된다.^[5] 압축비 증가는 온도를 상승시키는데, 이는 연료/공기 혼합물이 너무 빨리 점화되어 "엔진 노킹"을 유발하고 엔진 손상 및 성능 저하를 초래할 수 있다.

오토 사이클은 점화점화 기관의 실제 사이클을 이상 기체의 가역적인 폐쇄 사이클(공기 표준 사이클)로 치환한 것으로 생각할 수 있다.^[8]^[9]

표 1. 사이클의 치환
	실기관의 상태 변화	치환 후의 상태 변화	비고
1 → 2	혼합 기체의 압축	단열(등엔트로피) 압축
2 → 3	점화·연소	등적 가열	이 사이의 피스톤 이동을 무시
3 → 4	연소 기체의 팽창	단열(등엔트로피) 팽창
4 → 1	배기·흡기(또는 소기)	등적 냉각	이 사이의 피스톤 이동을 무시

오토 사이클의 p-V 선도 및 T-S 선도는 다음과 같다.

흡기 상태를 V₁, p₁, T₁, S₁로 했을 때, 사이클 상 각 점의 상태량은 아래 표 2와 같다.

표 2. 사이클 각 점의 상태량
	부피	압력	절대 온도	엔트로피
1	$V_1$	$p_1$	$T_1$	$S_1$
1→2		$p = p_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_1 \left(\frac{V_1}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_1$
2	$V_2 = V_1/\epsilon$	$p_2 = p_1 \epsilon^{\kappa}$	$T_2 = T_1 \epsilon^{\kappa-1}$	$S_2 = S_1$
2→3	$V = V_2$	\|	$T = T_2 \frac{p}{p_2}$	$S = S_2 + m c_v \ln\frac{T}{T_2}$
3	$V_3 = V_1 /\epsilon$	$p_3 = p_1 \alpha \epsilon^{\kappa}$	$T_3 = T_1 \alpha \epsilon^{\kappa-1}$	$S_3 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
3→4		$p = p_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa}$	$T = T_3 \left(\frac{V_3}{V}\right)^{\kappa-1}$	$S = S_3$
4	$V_4 = V_1$	$p_4 = p_1 \alpha$	$T_4 = T_1 \alpha$	$S_4 = S_1 + m c_v \ln \alpha$
4→1	$V = V_4$	\|	$T = T_4 \frac{p}{p_4}$	$S = S_4 + m c_v \ln\frac{T}{T_4}$
$\epsilon=\frac{V_1}{V_2}$ ：압축비、 $\alpha = \frac{p_3}{p_2}$ ：압력비(압력상승비)、 $\kappa=\frac{c_p}{c_v}=1.40$ ：비열비、

각 점의 상태량을 이용해 1 사이클 당 가열량, 냉각량, 일, 열효율, 평균 유효 압력을 계산할 수 있다.

실린더 내 공기 질량: $m = \frac{P_1 V_1}{R T_1} , \quad R = c_p - c_v = 287.2J/(kg·K)$
가열량: $Q_1 = m c_v (T_3 - T_2) = m c_v T_1 (\alpha-1) \epsilon^{\kappa-1}$
냉각량: $Q_2 = m c_v (T_4 - T_1) = m c_v T_1 (\alpha-1)$
일: $W = Q_1 - Q_2 = m c_v T_1 (\alpha-1) (\epsilon^{\kappa-1}-1)$
열효율: $\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{1}{\epsilon^{\kappa-1}}$
평균 유효 압력: $p_m = \frac{W}{V_1 - V_2}$

= p_1 \frac{(\alpha-1) (\epsilon^{\kappa-1}-1)\epsilon}{(\kappa - 1)(\epsilon - 1)}

결과적으로,

# 압축비 ε를 크게 하면 열효율이 향상된다.

# 흡입 압력 p₁을 조절하여 평균 유효 압력을 변경하고 부하에 따른 조속을 수행할 수 있다. (가솔린 엔진은 공연비가 일정하여 압력비 α를 조속에 사용 불가). 단, 조임 손실이 커지는 단점이 있다.

4. 3. 실제 오토 사이클의 한계

실제 오토 사이클은 이상적인 오토 사이클과는 여러 면에서 차이가 있어 효율이 감소한다. 이상적인 사이클에서는 모든 과정이 완벽하게 가역적이고 단열적이며, 등적 과정으로 가정되지만, 실제 엔진에서는 다음과 같은 요인들이 작용한다.

연소 시간: 연료와 공기의 혼합물이 연소되는 데 시간이 걸리기 때문에, 이상적인 사이클처럼 순간적으로 연소가 완료되지 않는다.
열 손실: 연소 과정에서 발생하는 열의 일부가 실린더 벽 등을 통해 외부로 손실된다.
불완전 연소: 연료와 공기의 혼합물이 완전히 연소되지 않아 화학 에너지가 모두 열에너지로 전환되지 않는다.
마찰: 피스톤과 실린더 벽 사이의 마찰, 밸브 작동 과정에서의 마찰 등 다양한 기계적 마찰로 인해 에너지 손실이 발생한다.
비이상 기체 효과: 실제 작동 기체는 이상 기체와는 다른 특성을 가지므로, 이상 기체 방정식을 정확하게 따르지 않는다.

이러한 요인들로 인해 실제 오토 사이클의 효율은 이상적인 사이클보다 낮아지게 된다.

5. 실제 가솔린 기관 사이클과의 차이점

실제 가솔린 기관은 이상적인 오토사이클과 비교했을 때 여러 현실적인 제약 조건과 추가적인 요소들을 고려해야 한다. 주요 차이점은 다음과 같다.^[11]^[12]

비열의 차이: 실제 작동 물질은 압축 시에는 공기와 연료의 혼합 기체이고, 연소 후에는 연소 가스가 되므로, 열역학적 성질이 상온의 공기와 다르다.
열 해리의 영향: 고온 조건에서는 CO₂, H₂O 등 많은 성분이 해리되어 출력 및 열효율이 저하된다.
잔류 가스의 영향: 배기 행정에서 연소 가스를 모두 배출할 수 없어 흡기량, 온도, 압력에 영향을 준다.
분자 수의 변화: 연소에 의해 작동 물질의 분자 수가 증감하여 압력에 영향을 준다.
연소 시간: 연소는 발화점에서 미연 부분으로 전파되므로 시간이 걸려 최대 압력이 낮아진다.
벽면으로의 방열: 실린더, 실린더 헤드, 피스톤으로의 대류·방사에 의한 전열이 발생한다.
펌프 손실: 흡기 압력은 외기보다 낮고, 배기 압력은 높아 펌프 손실이 발생한다.

이러한 차이점들은 실제 가솔린 기관의 효율과 성능을 이상적인 오토 사이클과 다르게 만든다.

5. 1. 작동 물질의 차이

오토 사이클의 작동 물질은 압축 시에는 공기와 연료의 혼합 기체이고, 연소 후에는 연소 가스가 되기 때문에 열역학적 성질이 상온의 공기와 크게 다르다. 특히, 작동 물질의 비열이 공기보다 커지면서 온도와 압력이 낮아진다.^[11]^[12]

고온 조건에서는 CO₂, H₂O 등 많은 성분이 해리한다. 이는 공급 열량 감소 또는 외관상 비열 증가와 같으며, 작동 물질의 온도 및 압력 저하를 일으켜 출력과 열효율을 크게 떨어뜨린다.^[11]^[12]

배기 행정에서 연소 가스를 완전히 배출할 수 없으므로, 다음 사이클의 혼합 기체에 섞이게 된다. 이는 흡기량, 온도, 압력에 영향을 준다. 연소에 의해 작동 물질의 분자 수가 변하는데, 일반적으로 분자 수 증가는 압력 증가를 유발한다.^[11]^[12]

연소는 발화점에서 미연소 부분으로 전파되므로 시간이 걸리고, 등적 가열이 되지 않는다. 이 때문에 최대 압력도 낮고 충격도 작아진다. 실린더, 실린더 헤드, 피스톤으로의 대류 및 방사에 의한 열전달도 발생한다. 가솔린 기관은 조임 운전을 하므로 흡기 압력은 대기압보다 낮고 배기 압력은 높아 펌프 손실이 커진다(특히 경부하 시).^[11]^[12]

5. 2. 연소 과정의 실제

오토 사이클의 실제 연소 과정은 이상적인 오토 사이클과는 차이가 있다. 이상적인 오토 사이클에서는 과정 1–2에서 피스톤이 기체에 일을 하고, 과정 3–4에서 기체가 등엔트로피 압축 및 팽창 과정 동안 피스톤에 일을 한다. 과정 2–3과 4–1은 등적 과정으로, 이 과정 동안에는 계에 일이 가해지거나 계에서 일이 추출되지 않는다.^[5]^[6]

하지만 실제로는 완전한 사이클 동안 기체가 원래의 온도, 압력 및 부피 상태로 돌아가기 때문에, 계(기체)의 순 내부 에너지 변화는 0이다. 따라서 계에 추가된 에너지(열 또는 일)는 계에서 나가는 에너지(열 또는 일)에 의해 상쇄되어야 한다.
방정식 1a:완전한 사이클 동안 계의 에너지 순 변화는 0이다.

:

\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0

방정식 1b::

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = 0

이 방정식의 각 항은 과정의 각 지점에서 기체의 내부 에너지에 따라 표현할 수 있으며, 에너지 균형은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

W_{1-2} + Q_{2-3} + W_{3-4} + Q_{4-1} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_4 - U_3\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 0

열효율열효율은 계에서 나가는 순 일과 계에 추가된 열의 비율로 정의된다.
방정식 2::

\eta = \frac{- \left(W_{1-2} + W_{3-4}\right) }{Q_{2-3}} = \frac{\left(U_1 - U_2\right) + \left(U_3 - U_4\right)}{ \left(U_3 - U_2\right)}

또는

:

\eta=\frac{Q_{2-3} + Q_{4-1}}{Q_{2-3}}=1+\frac{\left(U_1-U_4\right) }{ \left(U_3 - U_2\right)}

오토 사이클에서는 과정 1–2와 3–4에서 열전달이 없고, 열은 정적 과정 2–3에서만 공급되고, 열은 정적 과정 4–1에서만 방출된다.
방정식 2 (단순화)::

\eta = 1-\left(\frac{T_1}{T_2}}\right)

오토 사이클은 압축(과정 1~2) 및 팽창(과정 3~4) 중에 등엔트로피 과정을 사용하므로, 이상 기체의 등엔트로피 방정식과 일정 압력/부피 관계를 사용하여 다음 방정식을 얻을 수 있다.^[7]
방정식 3::

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{(\gamma-1)/{\gamma}}

방정식 4::

\left(\frac{T_2}{T_1}\right)=\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)}

여기서

{\gamma}

는 비열비이다.
방정식 5 (압축비 r)::

\left(\frac{T_2}{T_1}\right) = \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)} = r^{(\gamma-1)}

방정식 6 (최종 열효율)::

\eta = 1 - \left(\frac{1}{r^{(\gamma-1)}}\right)

방정식 6을 통해 오토 사이클 효율은 압축비

r

에 직접적으로 의존한다는 것을 알 수 있다. 압축비가 증가하면 효율이 증가하지만, 실제로는 자연 발화 또는 "노킹"의 가능성 때문에 압축비에 상한선이 존재한다.^[5]
실제 가솔린 기관 사이클과의 차이점위의 설명은 공기 표준 사이클을 기반으로 하며, 실제 가솔린 기관의 사이클과는 다음과 같은 차이점이 있다.^[11]^[12]

비열의 차이: 실제 작동 물질은 압축 시에는 공기·연료의 혼합 기체이고, 연소 후에는 연소 기체가 되므로, 열역학적 성질이 상온의 공기와 다르다.
열 해리의 영향: 고온 조건에서는 CO₂, H₂O 등 많은 성분이 해리되어 출력 및 열효율이 저하된다.
잔류 가스의 영향: 배기 행정에서 연소 가스를 모두 배출할 수 없어 흡기량, 온도, 압력에 영향을 준다.
분자 수의 변화: 연소에 의해 작동 물질의 분자 수가 증감하여 압력에 영향을 준다.
연소 시간: 연소는 발화점에서 미연 부분으로 전파되므로 시간이 걸려 최대 압력이 낮아진다.
벽면으로의 방열: 실린더, 실린더 헤드, 피스톤으로의 대류·방사에 의한 전열이 발생한다.
펌프 손실: 흡기 압력은 외기보다 낮고, 배기 압력은 높아 펌프 손실이 발생한다.

5. 3. 펌프 손실

일반적으로 가솔린 기관은 조임 운전을 하므로, 흡기 압력은 외기보다 상당히 낮고 배기 압력은 높다. 이 때문에 펌프 손실이 커지는데, 특히 경부하 시에 두드러진다.^[11]^[12]

6. 오토 사이클의 출력 (Power)

오토 사이클에서 생성되는 출력은 단위 시간당 발생하는 에너지이다. 오토 엔진은 4행정 엔진으로 불리며, 흡입 및 압축 행정에 크랭크축 1회전, 동력 및 배기 행정에 또 다른 1회전이 필요하다. 따라서 크랭크축 2회전당 1회의 동력 행정이 발생한다.

엔진 속도가 3000 RPM (분당 회전수)이면 분당 1500회의 작동 행정, 즉 초당 25회의 작동 행정이 발생한다. 1리터 배기량의 엔진이 표준 온도 (20 °C) 및 압력 (1기압)에서 작동한다고 가정하면, 이상 기체 법칙을 사용하여 가스의 질량을 계산할 수 있다.

: $M=\frac{PV}{RT}$

여기서,

''V'' = 0.001 m³ (1리터)
''R'' = 0.286 kJ/(kg·K) (기체 상수)
''T'' = 293 K (20 °C)
''P'' = 101.3 kN/m² (1기압)

위 값을 대입하면,

:

M = 0.00121\,\text{kg}

즉, 1리터 가스의 질량은 0.00121 kg이다. 사이클 당 1 J/kg의 일이 생성된다면, 1회 작동 행정 당 발생하는 일은 다음과 같다.

:

\sum \text{ 일} = 1\,\text{J}/(\text{kg}\cdot\text{행정})\times 0.00121\,\text{kg}= 0.00121\,\text{J}/\text{행정}

초당 25회의 작동 행정이 있으므로, 출력(P)은 다음과 같이 계산된다.

:

P = 25 \times 0.00121=0.0303\,\text{J}/\text{s}\; \text{또는} \;\text{W}

여러 실린더를 가진 엔진의 경우, 출력은 실린더 수에 비례하여 증가한다. 실제 엔진의 경우, 여러 요인으로 인해 계산된 출력보다 낮을 수 있다.

7. 효율 및 출력 향상 기술

과급기에는 터보차저와 슈퍼차저가 있으며, 이를 통해 엔진 효율 및 출력을 향상시킬 수 있다. 터보차저는 배기가스의 압력과 온도를 이용하여 흡입 공기의 압력과 온도를 높여 효율을 향상시킨다. 흡입 공기는 인터쿨러를 통해 냉각되어 밀도가 높아져 출력이 향상된다. 슈퍼차저는 엔진의 힘으로 흡입 공기를 압축하여 출력을 높이지만, 효율은 높이지 못한다.^[1]

압축비를 높이면 열효율이 향상되지만, 노킹 발생 가능성이 높아진다. 가솔린 엔진에서는 흡기 밸브를 조절하여 흡입 압력을 변경함으로써 평균 유효 압력을 조절하여 부하에 따른 속도 조절을 할 수 있지만, 조임 손실이 커지는 단점이 있다.^[1]

7. 1. 압축비 증가

압축비를 크게 하면 오토사이클의 열효율이 크게 향상된다.^[1] 하지만 압축비를 너무 높이면 노킹 발생 가능성이 높아져 한계가 있다.

7. 2. 과급기(터보차저, 슈퍼차저)

터보차저를 사용하면 배기와 흡입 압력 및 온도의 차이를 이용하여 효율을 높일 수 있다. 배기 흐름에서 남은 에너지의 일부를 흡입 흐름으로 전달하여 흡입 압력을 높이는 방식이다. 가스터빈은 배기 스트림에서 유용한 일 에너지를 추출하여 흡입 공기를 가압하는 데 사용한다. 배기 가스의 압력과 온도는 가스터빈을 통해 팽창하면서 감소하고, 이 과정에서 발생한 일은 흡입 가스 스트림에 적용되어 압력과 온도를 증가시킨다. 이러한 에너지 전달은 효율 향상으로 이어지며, 엔진의 출력 밀도 또한 향상된다.

흡입 공기는 일반적으로 냉각 과정을 거쳐 부피를 줄인다. 행정당 생성되는 일은 실린더로 유입되는 공기의 질량에 직접적으로 비례하기 때문이다. 더 조밀한 공기는 사이클당 더 많은 일을 생성한다. 가솔린 엔진에서는 조기 점화를 방지하기 위해 흡입 공기의 온도를 낮춰야 한다. 따라서 인터쿨러를 사용하여 열의 형태로 일부 에너지를 제거하고 흡입 온도를 낮춘다. 이러한 방식은 엔진의 효율과 출력을 모두 높이는 효과를 가져온다.

슈퍼차저는 크랭크축에 의해 구동되며, 출력을 증가시키지만 효율을 높이지는 못한다. 엔진에 의해 생성된 순 일의 일부를 사용하여 흡입 공기를 가압하고, 고온 및 대기압으로 배기 흐름과 관련된 낭비되는 에너지를 추출하지 못하기 때문이다.

7. 3. 인터쿨러

터보차저를 사용하면 흡입 공기의 온도가 높아지기 때문에, 인터쿨러를 사용하여 흡입 공기를 냉각시킨다. 이를 통해 공기의 밀도를 높여 사이클당 더 많은 일을 생성하게 하고, 가솔린 엔진에서 조기 점화(노킹)를 방지한다. 결과적으로 엔진의 효율과 출력이 모두 향상된다.^[1]

7. 4. 기타 기술

터보차저는 배기 흐름에서 남은 에너지의 일부를 제거하고 흡입 흐름으로 전달하여 흡입 압력을 높여 엔진 효율을 향상시킨다. 가스터빈은 배기 스트림에서 유용한 일 에너지를 추출하여 흡입 공기를 가압하는 데 사용된다. 배기 가스의 압력과 온도는 가스터빈을 통해 팽창하면서 감소하고, 이 과정에서 발생한 일은 흡입 가스 스트림에 적용되어 압력과 온도를 증가시킨다. 이러한 에너지 전달은 효율 향상과 엔진 출력 밀도 향상으로 이어진다. 흡입 공기는 일반적으로 냉각되어 부피가 줄어드는데, 이는 행정당 생성되는 일이 실린더로 유입되는 공기 질량에 직접적인 영향을 받기 때문이다. 더 조밀한 공기는 사이클당 더 많은 일을 생성한다. 가솔린 엔진에서는 흡입 공기 질량 온도를 낮춰 조기 점화를 방지해야 하므로, 인터쿨러를 사용하여 열을 제거하고 흡입 온도를 낮춘다. 이러한 방식은 엔진의 효율과 출력을 모두 높이는 효과를 가져온다.^[2]

크랭크축에 의해 구동되는 슈퍼차저는 출력(출력 밀도)을 증가시키지만, 엔진 자체에서 생성된 순 일의 일부를 사용하여 흡입 공기를 가압하고 고온 및 대기압으로 배기 흐름과 관련된 낭비되는 에너지를 추출하지 못하므로 효율을 증가시키지는 못한다.^[2]

참조

_[1] 서적 Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization https://books.google[...] M. Dekker
_[2] 간행물 150-Year-Old Technology
_[3] 서적 Development of Piston Aero Engines Patrick Stephens Ltd
_[4] 웹사이트 Heat Cycles - Electropeaedia http://www.mpoweruk.[...] Woodbank Communications Ltd 2011-04-11
_[5] 서적 Fundamentals of engineering thermodynamics: SI version, SI units Wiley
_[6] 서적 Fundamentals of Internal Combustion Prentice-Hall
_[7] 서적 Engineering Thermodynamics https://archive.org/[...] McGraw-Hill
_[8] 서적 機械熱力学 2024-12
_[9] 서적 工学基礎熱力学 2024-12
_[10] 서적 内燃機関の歴史 2024-12
_[11] 서적 内燃機関講義上巻 2024-12
_[12] 서적 内燃機関 2024-12
_[13] 서적 열역학 사이클: Computer-aided Design and Optimization M. Dekker

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