자동차공학)엔진의 효율, 엔진의 성능 곡선

엔진의 효율과 엔진의 선능 곡선에 대하여 알아보자.

1. 체적효율, 충전효율

2. 연료소비율

3. 열정산

4. 엔진의 성능곡선

 

1. 체적효율, 충전효율

엔진의 평균 유효압력은 1사이클 당 흡입한 공기의 질량에 비례한다. 실제 흡입되는 공기량은 공기청정기, 스로틀밸브, 흡기 매니폴더 등의 저항을 받으므로 일정하지 않다. 따라서 실제 흡입되는 공기의 질량을 평가하는 방법에는 체적효율과 충전효율 2가지가 있다. 체적효율(volumetic efficiency) ∏r 란 외기의 상태(온도와 압력)를 고려한 행정체적에 대한 공기의 질량과 실제 흡입한 공기의 질량과의 비로서 나타낸다.

 

∏r=실제 흡입되는 공기의 질량 / 외기상태를 고려한 행정체적을 차지하는 공기 질량 X 100%

 

최근 엔진의 체적효율을 80~90% 정도이고, 과급기를 장착한 차량에서는 체적효율이 100%이상의 흡기능력을 가지게 된다. 그러나 외기상태가다른 고지대와 저지대에서는 체적효율이 도일하여도 엔진의 출력은 다르게 된다. 따라서 이런 경우엔ㄴ 그 기준을 표준대기 상태(압력 760mmHg, 온도 20도, 상대습도 65%)로 적용한 충전효율(charging efficiency) ∏c로 표기 된다.

 

∏c=실제 흡입되는 공기의 질량  / 표준상태를 고려한 행정체적을 차지하는 공기 질량 X 100%

 

2. 연료소비율

엔진의 연료소비율(SFC, specific Fuel Consumption)은 엔진의 단위 출력(1kW)당 1시간 동안 소비되는 연료의 양을 말하고, 단위는 [g/kW·h] 혹은 [g/ps·h] 이다. 여기서 Mf는 연료소비율(g/s)이다.

 

연료소비율(g.kW·l) = 3600Mf / W

 

연료소비율은 엔진의 운전조건에 따라 크게 변하지만, 현재 4행정사이클 가솔린 엔진에서 최소값은 270g/kW·h 정도이다. 디젤기관의 연료소비율의 최소값이 180g/kW·h 정도이므로 가솔린 엔진에 비하여 훨씬 양호하다. 이것은 요즘같이 전 세계적으로 고유가시대를 맞이하여 디젤 엔진의 사용이 훨씬 유리함을 나타낸다.

 

3. 열정산

열전산(heat balance)이란 연료가 갖는 에너지의 사용내역을 정확히 산정하는 것이다. 일반적으로 연료가 완전 연소하여 발생하는 에너지 중 유효일(제동일)에는 약 25%~35%가 사용되고 나머지는 불가피한 이유로 손실된다. 열정산은 일반적으로 다음 5가지 종류로 나눈다.

 

유효일(제동일, 정미일)

배기손실 : 배기가스와 함께 배출된 에너지 손실

냉각손실 : 연소실 벽을 통해 냉각수 또는 냉각 공기에 빼앗긴 에너지 손실

펌프손실 : 혼합기를 실린더 내로 흡입하고, 연소가스를 배출하기 위한 에너지 손실

기계손실 : 피스톤 링, 엔진 베어링 등의 마찰 손실과 팬이나 조명등 부속장치를 구동하는데 소비되는 에너지 손실

 

열정산의 비율은 동일한 조류의 엔진이라도 엔진의 배기량, 회전수, 부하에 따라 서로 약간씩 달라지게 된다.

 

4. 엔진의 성능곡선

엔진의 성능곡선은 스로틀밸브를 완전히 열었을 때의 엔진의 회전속도에 대한 축 출력, 축 토크, 연료소비율의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 축 토크는 이론상 축 출력에 비례하고 회전속도에 반비례하지만, 실제로는 중속일 때 최대값을 나타낸다. 이것은 중속시 흡기시간이 길어 체적효율이 향상되어 최고압력이 높아지기 떄문이다. 고속에서는 기계적손실이 증가하고 피스톤속도에 연소 속도가 따르지 못해 피스톤을 미는 힘이 감소되고, 저속에서는 흡기행정시에 가스의 관성유입효과가 떨어져 체적효율이 저하되기 때문에 증가하지 않는다. 연료소비율은 최대 축 토크를 나타내는 회전속도 부근에서 최저값을 나타내는 것이 보통이다.