개념 한 쪽
내연기관은 연소 방식과 점화 방식에 따라 이상 사이클로 모델링하여 구분한다는 점을 기본으로 설명한다. 가솔린 엔진의 오토 사이클은 전기 점화와 등적 가열 특성을 가지며, 디젤은 압축착화와 등압 가열 특성을 가진다. 카르노 사이클은 이상적인 가역 사이클로 동일 온도 범위에서 최대 열효율을 갖는다는 점을 핵심으로 제시한다.
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출제기준 단원 「내연기관」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 사이클 유형 식별 | 1 | 점화 방식과 연소 형태로 오토/디젤 구별하기 |
| 최대 열효율 판별 | 1 | 동일 온도 조건에서 효율이 가장 큰 사이클 고르기 |
| 사이클 특징 조건 연결 | 1 | 흡입·압축·연소·팽창 공정 설명으로 사이클 명시하기 |
내연기관 사이클 구분의 핵심은 연소가 일어나는 방식과 점화 방식이다. 오토 사이클은 연소를 등적(정적) 가열로 모델링하고 점화는 스파크 플러그의 전기 점화로 일어나는 가솔린 엔진의 이상 사이클로 본다. 디젤 사이클은 연소를 등압 가열로 모델링하고 점화는 압축에 의한 착화로 일어나는 디젤 엔진의 이상 사이클로 본다.
카르노 사이클은 가역 과정만으로 구성된 이상 사이클로 같은 고온 열원과 저온 열원 조건에서 모든 열기관보다 높은 열효율을 가진다. 카르노 효율은 고온·저온 열원 온도만으로 결정되며 효율 공식은 1 - 저온온도/고온온도라는 관계로 표현한다. 따라서 실제 엔진의 오토나 디젤 사이클은 카르노 사이클의 이론적 효율보다 낮다.
실전 문제에서는 '전기 점화=오토, 압축착화=디젤'이라는 키워드 매칭으로 빠르게 소거할 수 있다. 또한 '가장 높은 열효율=카르노'라는 관점을 먼저 떠올리면 사이클 효율 관련 문제를 신속히 판별할 수 있다.
내연기관 관련 설명에서는 랭킨 사이클이나 증기 기관과 구분해야 한다는 점을 명확히 한다. 랭킨 사이클은 증기 동력용 이상 사이클로 물의 상변화를 이용하므로 내연기관의 오토·디젤·카르노 설명과는 다른 영역이다.
예시 1: "흡입행정은 거의 정압, 단열압축 후 전기 점화에 의한 단열팽창"이라는 조건이 주어지면 전기 점화라는 단서로 오토 사이클을 정답으로 판단한다. 전기 점화는 가솔린 엔진의 스파크 플러그를 의미하므로 오토 사이클 특징과 일치한다고 본다.
예시 2: 여러 사이클이 동일한 고온·저온 조건에서 제시될 때 열역학적 최대 효율을 묻는 문제는 카르노 사이클을 정답으로 선택한다. 카르노 사이클이 가역 사이클로서 같은 온도 범위에서 최대 효율을 갖는다는 원리를 적용한다.
정상상태로 흐르는 유체가 노즐을 통과할 때의 일반적인 에너지 수지식은? (단, H는 엔탈피, U는 내부에너지, KE는 운동에너지, PE는 위치에너지, Q는 열, W는 일을 나타낸다.)
정답 ② · 정상상태에서 유체가 노즐을 통과할 때의 에너지 수지식을 묻는 문제이다. 일반적 에너지 수지에서 노즐은 열 교환이 없어 Q = 0이고, 축 일도 없어 W = 0이며, 위치에너지 변화도 무시할 수 있다.
노즐은 단열(W=0)이고 위치에너지 변화 무시(ΔPE=0)하며 열교환도 없으므로(Q=0), 에너지 수지식은 엔탈피 변화와 운동에너지 변화의 합인 ΔH+ΔKE=0이 됩니다.
내연기관 중 자동차에 사용되고 있는 것으로 흡입행정은 거의 정압에서 일어나며, 단열 압축 과정 후 전기 정화에 의해 단열 팽창하는 사이클은?
정답 ① · 문제는 흡입행정이 거의 정압에서 이루어지고 단열 압축 다음 전기적 점화로 단열 팽창이 일어나는 내연기관 사이클을 묻고 있다. 가솔린 엔진의 이상 사이클인 오토 사이클은 압축 후 스파크 플러그에 의한 점화(전기 점화)로 등적 가열이 특징이며 그에 따른 단열 팽창을 거친다.
다음 내연기관 사이클(cycle) 중 같은 조건에서 그 열 역학적 효율이 가장 큰 것은?
정답 ① · 문제는 동일한 온도 조건에서 열역학적 효율이 가장 큰 사이클을 묻는다. 카르노 사이클은 가역적이며 주어진 고·저온 저장소 사이에서 가능한 최대 열효율을 가지는 이상 사이클이라는 열역학적 정리가 있다.
카르노 사이클은 같은 온도 범위에서 가장 높은 열역학적 효율을 가지는 이상적인 사이클이다.
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