자동차공학)엔진 출력성능

엔진 출력성능에 대하여 알아보자.

1. 실제의 지압선도

2. 평균유효압력

3. 동력

4. 토크

5. 최대 출력

6. 비출력

 

1. 실제의 지압선도

실제 엔진의 성능 파악은 지압선도를 많이 이용하는데 이론적인 지압선도와 매우 다르다. 이것은 여러가지 손실이 있기 때문이고, 따라서 지압선도에 나타난 일은 이론사이클에서 얻어진 일보다 작게된다. 여러가지 손실에 대하여 알아보자.

 

냉각손실 : 고온의 연소가스가 실린더 벽을 통해 냉각수로 전달되는 손실.

 

시간손실 : 연소는 이론대로 정적, 정압 하에서 일어나지 않는다. 시간적 지연이 있기 때문에 최고 압력은 낮게 되고 팽창 중에도 열이 공급된다. 따라서 배기가스로 손실되는 열량이 증가된다.

 

불완전연소손실 : 연료와 공기의 불완전한 혼합에 의한 손실로서, 배출가스에 가연성분이 남아 있게 된다.

 

가스교환손실 : 이론상 가스배출은 정적하에서 행한다고 하였지만, 실제는 하사점보다 먼저 배기밸브를 열어 팽창 일의 일부가 손실된다. 또 이론사이클에서는 유동 저항을 무시한다고 하였지만 실제로는 흡, 배기계통의 마찰, 밸브에서의 교축 손실이 발생한다.

 

펌프손실 : 혼합기를 실린더 내로 흡입하고, 연소가스를 배출하기 위한 손실

 

마찰손실 : 피스톤, 베어링 등에 의한 기계적인 마찰손실이다.

 

2. 평균유효압력

평균유효압력(mean effective pressure)은 실린더내 가스의 평균압력을 의미한다. 즉 지압선도에 p-v 선도로 둘러싸인 면적이 1사이클 당의 일을 나타내므로 이것과 동일한 면적을 가진 직사각형을 작도 했을 때의 압력을 평균 유효압력이라 한다 .즉 1사이클 동안 행해지는 일을 행정체적으로 나눈 값이다. 실제는 크랭크축의 출력(유효일, 제동일)에서 역으로 산출하기 때문에 축평균유효압력 혹은 제동평균유효압력(brake mean pressure)이 사용되고 있다. 제동평균유효압력은 펌프효율, 연소효율, 기계손실을 포함하고 있고 엔진의 크기와 관계없기 때문에 엔진의 종합적인 성능을 가리키므로 배기량과 회전속도가 각각 서로 다른 엔진의 성능을 비교할 때 유용하게 이용된다. 현용 4행정사이클 가솔린 엔진의 평균유효압력은 약 0.8~1.2MPa, 2행정사이클 가솔린 엔진에서는 약 0.5~07MPa이다.

 

3. 동력

동력은  단위시간당 한 일로서 단위는 kW 또는 마력(ps)이 사용되고 있다. 1ps(마력)은 75kg 의 물체를 1초 동안 1m 움직일 수 있는 힘을 말한다. 즉 1ps=75kgf m/s 이다. 실린더의 평균유효압력을 Pme 이라고 하면 폭발력 F(N)는 F=PmeA 가 된다. 여기서 A는 피스톤의 면적이다. 그러므로 크랭크축이 1회전할 때의 한 일 N은 행정을 S라 하면 N=FS=PmeAS 가 된다.

엔진의 회전속도를 n(rpm)이라 하면 이 엔진이 1분 동안 행한 팽창일 N은 N=PSn=PmeASn 같이 계산 된다. 1초 동안 한 일로 표시하면 위 갑을 60으로 나누어 주고, 따라서 Z 실린더 엔진의 출력 W(kw)은 W=PmeASnZa/6000 이 된다. 여기서 a는 4행정사이클 엔진에서는 1/2, 2행정사이클 엔진에서는 1이다.

 

4. 토크

자동차 엔진의 성능은 출력과 더불어 크랭크 축의 회전력(축출력, 유효일, 제동일), 즉 토크로도 표신된다. 토크는 엔진의 운전조건에 따라 다르기 때문에 최대 토크(maximum torque)가 사용된다. 토크(torque)는 크랭크 축을 회전하려는 힘(회전력)으로서 축 토크 T(n·m) 가 사용 된다. 즉 토크는 회전축의 중시에서 R만큼 떨어진 거리에서 가해지는 힘과의 곱으로 주어진다. 엔진에서 발생되는 축 토크(회전력)는 피스톤을 미는 연소가스의 폭발력과 크랭크 암의 길이에 의해 결정된다. 지금 실린더내의 폭발력을 F(N), 크랭크 암의 길이를 R(m)라 하면 T=FR 이 된다. 엔진의 회전속도를 n(rpm)이라 하면, 그 떄의 한 일은 W=2πFRn=2πTn(N·m) 와 엔진회전수n(rpm) 사이에  W=(2π·T·(N/60))/Vs 혹은 W=(2π·T·N)/(75x60) 관계가 있다. 엔진에서 축 토크는 바퀴에 전달하여 자동차를 주행시키는데 필요한 회전력이 되므로 토크가 크다는 것은 자동차의 성능이 우수함을 의미한다. 일반적으로 자동차의 토크는 중속에서 크고, 저속 및 고속에서 작아진다. 토크는 자동차의 성능 가운데 견인력, 등판력을 좌우하는 요소가 된다.

 

5. 최대 출력

엔진의 최대 출력(maximum power)은 엔진이 행할 수 있는 출력의 최대 값이다. 자동차 엔진은 회전수가 상승하면 대체적으로 출력도 증가한다. 일반적으로 열기관은 정격출력(rated power)을 사용한다. 이것은 토크, 연료소비율, 피스톤 속도 및 각부의 마모 등을 고려하여 장시간 사용하여도 운전이 가능한 정격회전 속도(rated rpm)에서 얻어진 출력이다. 그러나 자동차는 운전조건에 따라 회전속도와 출력이 모두 변화하기 때문에 정격 출력을 사용하지 않고 최대 출력을 사용하고 있다. 따라서 자동차의 최대 출력은 그 때의 회전수도 함께 표기해야한다. 예를 들어 120ps/6000rpm 이라면 매분 6000회전을 할 때 출력이 최고에 달하며 그때 출력이 120ps 이라는 의미이다. 최대출력은 필요한 극히 짧은 시간 동안 단속 운전하여 구하고 있다. 이 실험을 최대부하실험이라고 한다.

 

6. 비출력

비출력은 엔진의 배기량당 출력을 의미한다. 이것은 엔진을 출력성능만으로 비교하는 것은 무의미하고 엔진의 크기나 질량, 중량을 함께 비교하는 것이 보다 합리적이기 때문이다. 비출력은 엔진의 소형화를 추구하는 한 가지 목표로서 사용되고 있으며 주로 리터 마력(ps/liter)을 사용하며 비출력(kW/l)=W/Vs 이다. 현재 4사이클 가솔린 엔진의 비출력은 무과급인 경우 약 30~60kW/l 이지만, 고성능화에 의하여 75kW/l 를 넘는 자동차가 나오고 있다. 현재 사용되고 있는 DOHC, 혹은 과급 등은 엔진의 비출력을 높이기 위해 채용된 방법이다.