기관 05> 기관 기초 공학

1. 동력발생 개요

▶ 실린더 내에 혼합기를 흡입,압축하여 전기점화로 연소시켜  열에너지를 얻어 이 열에너지 로 피스톤을 움직여 기계적 에너지를 얻는다. 열효율은 30~40% 가량 즉 ,열에너지 → 기계적 에너지로 변화시켜 이용

 

2. 일과 에너지

                                 

 

3. 대기압력과 절대압력

1) 대기압 : 지구는 만유인력의 법칙에 의하여 모든 물체를 잡아당기는 힘인 중력을 가지고 있다.우리가 땅 위에 서서 걸어 다닐 수 있는 것도 중력의 작용이며 만약 중력이 없다면 지금 지구상에서 일어나고 있는 현상의 대부분은 없어져 버리고 말 것이다. 우리가 살고 공간의 공기는 무게가 없는 것처럼 느껴지지만, 실제로 공기는 무게를 가지고 있어 우리가 살고 있는 지면에 가하는 힘이 존재한다. 이를 대기압이라고 한다. 1 대기압은 수면에 가해지는 공기의 무게를 기준으로 하고 있는데 이 무게는 지구상의 위치나 기상 상태에 따라 약간씩 다르므로 위도 40도 지역에서 1년간 측정된 값을 평균한 것을 표준 기압으로 삼고 있다. (1 대기압은 1.033kg/cm2 )

2) 절대압력 : 압력을 측정할 경우 진공을 기준으로 표시한 압력을 절대압력이라 하고, 절대압력과 대기압과의 차이를 게이지압력이라 한다.

                                   

4. 동력 : 단위 시간에 하는 일의 양

1) t 초 시간에,  하는 일을 Wkgf?m 라 하면 동력 N은

             ·         

 

2) 2-3식을 마력(PS)으로 표시

         

 

▣ 예제문제> 크레이인 중량 2.5t 의 물체를 1분 동안에 30m 높이에 들어 올리려면 몇 마력의 동력이 필요한가?

     식.답 :    = 16.67 PS

 

3) 회전 운동(토크)

                                   

                                        전달 동력 M(PS) =                          전달 동력 KW=

 

▣ 예제문제> 승용 자동차 기관이 4000rpm에서 60ps을 발생하고 있다. 이 기관의 축 토크는 얼마인가 ?

     식.답 

 

5. 열 과 일

1) 절대온도 : 분자운동이 정지한 저온의 극한 온도를 기준으로 한 온도

                    T = t + 273.150K ≒ t + 2730K  t=섭씨온도 T=절대온도

2) 열     량 : ◆ 이동한 열의 량 (물 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량을 1kcal)

                    ◆  물질 1g 에 대한 열용량을 비열이라 한다

                    ◆ 중량 mKgf 물질의 온도를 Δt℃ 만큼 올리는데 필요한 열량을 QKal 이라 하면   비열 C는 =

                    ◆ 체적이 일정한 상태에서 가열하면 정적 비열 : Cv  Kcal/kgf?ok

                    ◆ 압력이 일정한 상태에서 가열하면 접압 비열 : Cp  Kcal/kgf?ok

                    ◆ 정적과 정압 비열 사이의관계 : Cp > Cv  = K=Cp/Cv ..... 2-11식

 

6. 열량과 일 : 일이 열로 열이 일로 변환 될 때 = 1Kcal=427Kgf?m

 

 

7. 열역학 제 1 법칙

1) 열과 일은 모두 에너지의 한 형태이다.

2) 열은 일로, 일은 열로 전환가능 ⇔ 일정한 비례관계 성립

3) 에너지 보존의 법칙

4) 에너지 불멸의 법칙

5) 밀폐계에서 성립

     ◆ 기계적 일 W kgf?m,  열량을 Q Kcal.   Q=AW,  W=JQ ....... 2-13식    여기서 A를 열의 열당량, J를 열의 일당량

          

        일량 : 1PS?h = 75×36000 kgf?m,   1kw?h = 102×3600 kgf?m

        Kcal로 환산 : 1PS?h = 75×3600×1/427 ≒ 632Kcal .            1kw?h = 102×3600×1/427 ≒ 860Kcal

 

8. 기체의 팽창일

  실린더 내에서 기체가 팽창하여 피스톤을 이동시켰을 때  기체는 외부에 대해 일을 한 것이다.

◆ 피스톤 단면적 am2      ◆ 피스톤 압력 Pkgf/m2              ◆ 이동거리 Δχ              ◆ 팽창한 기체의 체적 ΔVm2

◆ 기체가 외부에 대해 한일 :  ΔW = Pa Δx = PΔVk

                                   

◆ 기체가 상태 ① 로부터 ② 로 변화하면, 체적은 V1⇒ V2 로 팽창,  압력은 P1 ⇒P2 로 저하된다.

 ◆  W12 = ΣPΔV   기체 상태의 변화를 압력과 체적으로 표시한 선도를 P-V 선도라 한다,

 

9. 이상 기체

1) 보일의 법칙 : 온도가 일정한 상태에서 기체 압력을 변화시키면 체적은 압력에 반비례하여 변화한다 . 이것을 보일(Boyle)의 법칙이라 한다.

 

 

 

 

 

2) 사를의 법칙 : 기체 압력을 일정하게 유지 시키고 온도를 변화 T시키면 체적은 절대온도에 비례하여 변화한다 이것을 사를(Charles) 의 법칙이라 한다.

 

 

 

 

3) 보일 사를의 법칙 :  보일과 사를의 법칙을 조합 한 것이다.

◆ 체적 : V m3,   

   비체적 : υm3/kgf  

   기체상수 : Rkgf?m/kgf?OK  

   V=Gυ 이므로

   PV=GRT 또는 P=RT

 

 

 

10. 이상 기체 상태의 변화

1) 정적 변화 : 체적 일정하에서 상태 변화

2) 정압 변화 : 압력 일정하에서 상태 변화

3) 등온 변화 : 온도 일정하에서 상태 QS화

4) 단열 변화 : 상태 변화가 외부와의 사이에 열의 출입이 없이 이루어지는 변화

5) 폴리트로픽 변화 : 실제로 이루어지는 기체 상태의 변화는 이상적인 단열 변화 및 등온 변화가 아니므로 근사적으로 나타낸 것 근사적인 식 : PVn=일정

 

11. 사이클과 열효율

1) 열역학 2법칙

◆ 열과 일의 방향성을 고려한 것.

◆ 열은 고온→저온 : 자동적,  저온→고온 : 자신만으로 불가능.

◆ 열원에서 받은 열을 전량 일로 바꿀 수 없다. ( 열효율 100% 열기관 제작 불가 )

2) 사이클

◆ 작동 유체가 어느 상태로 부터 시작하여 처음 상태로 되돌아 올 때까지의 변화과정을 사이클   (혹은,PV 선도)이라 한다.

     공급 열량 : Q₁,  방출열량 : Q₂     한 사이클 동안 외부에 한일 : AW = Q₁- Q₂

3) 열효율(η) = 공급열량에 대하여 발생한 일이 얼마는 되는지 나타낸 비율이 열효율이다 . η= Q₁- Q₂/ Q1 = 1-Q₂/Q1

 

13. 내연기관의 기본 사이클

            

1)정적사이클: 가솔린 기관의 기본 사이클이며 열의 공급이 정적하에서 이루어지며. 2 개의 정적변화와 2개의 단열 변화로 이루어 진다.(Otto cycle)

2)정압사이클: 정압 사이클은 저속 디젤기관의 본 사이클이며, 열의 공급이 정압하에서 이루어진다.(Diesel cycle)

3)복합 사이클: 복합 사이클은 고속 디젤기관의 기본 사이클이며 열량 공급이 정적과 정압 하에서 이루어진다. (Sabathe cycle)

 

14. 실용 단위, 마력, 열효율(1) 사이클(cycle) 기능사 예상문제 정리

1) 일(work) : 어떤 무게를 얼마만큼 거리로 움직임        힘(kg) × 거리(m) = 일(kg?m)

▣  예제문제 : 2kg의 물체를 8m 들어 올려었을 때 한일은 ?

 

2) 일량(동력:power) : 단위시간 동안에 한 일의 크기   일(kg?m)      

▶  1HP=76kg.m/s(영마력)  1PS=75kg.m/s(불마력)

▣  예제문제 : 100kg의 물체를 5m들어 올리는데 20초가 걸렸다면 몇 마력의 일을 하였는가 ?

 

3) 회전력(torque)  : 어떤 물체를 회전하였을 때의 일       힘(kg) × 거리(m) = 회전력(m?kg)

▣   예제문제 : 길이 60cm 렌치로    5kg의 힘으로 조일 때  토크 F는

▣  예제문제 : 길이 100cm 렌치로 45도 방향으로 20kg 조일 때   토크는 ?

 

4) 속도(velocity) : 단위시간 동안에 움직인 거리               속도(m/s) = 거리(m)/시간(s)

▣  예제문제  : 총 중량 10톤의 자동차가 50m 거리를 주행하는데 5초가 걸렸다. 이때의 자동차 시속은 ?

   

5) 가속도 : 시간의 흐름에 따라 증감하는 속도   :   

                                

▣  예제문제 : 어떤 자동차가 출발하여 10초 후에 36km/h 가 되었다면 이 자동차의 가속도는 얼마인가 ?

    

6) 압력 : 단위 면적당 받는 힘의 크기( kg/cm2 kg/mm2 lb/in2) )   :          1kg/㎠ = 14.2 psi

                           

▣ 예제문제 : 지름 4cm 인 원통의 평면에 1260kg의 하중이 작용하면 평면에 작용하는   압력은 ?

▣ 예제문제 : 평균유효압력 p= 4kg/cm  체적 V=50cc인 2사이클 기관에서 1회 폭발로 몇 kg-m의 일을하는가 ?

 

7) 도시마력(IHP) : 실제 평균유효암력은 이론압력보다 낮다, 실린더내에서 폭발한 연소가스의 일을 도시 평균 유효압력이라 하며 지압계에 의해 연소실에서 직접 측정 할수있다. 마력으로 환산 한 것을 도시마력 Indicoted horse power),지시마력이라 한다.

 ◆                      =  이론적 유효일의 양                    VB=실린더용적           Va=행정용적         P=평균 유효압력

                                        L = 행정        N = 실린더 수                 A= 실린더 단면적()D²

                                        R = 매분회전수(4.사이클은)                I.H.P =   

▣  예제문제 : 4사이클 6실린더 기관에서 지름이 100mm 행정이 127mm 기관회전수가 1200rpm 지시평균 유효압력이 7kg/cm2 일 때 지시마력은 ?

     

8) 마찰마력 (F.H.P) : 기계부분 마찰에 의하여 손실되는 동력과 혼합기를  흡,배출 과정에서 손실을 마찰마력  (frication horse power) 이라 한다.

 ◆  F.H.P = I.H.P - B.H.P       기계효율.=

▣  예제문제 : 4사이클 4실린더 기관에서 피스톤 링 1개당 장력이 1.5kg이고 피스톤 1개당 3개의 링이 있을 때 피스톤 평균 속도가 10m/s 라면 손실마력은?

    

9) 제동마력(BHP) : 도시평균 유효압력에서 마찰압력을 밴것을 제동평균 유 압력이라하며, 마력으로 환산한 것을제동마력(B.H.P=Brake horse power), 정미마력, 축마력, 순마력, 유효마력, 실마력이라 부른다

◆   B.H.P = I.H.P - F.H.P(마찰마력)     B.H.P =

▣  예제문제 : 4사이클 기관에서 동력게에 의한 측정결과 2500rpm 에서 회전력이11.8m-kg이었다 축 마력은 ?

▣ 기관동력게=제동마력 측정.     ▣ 새시동력계=바퀴마력측정             ▣ 지압계=지시마력측정

    

10) 공칭마력(S.A.E) : 공칭마력(society of automotive engineers)은 1906년 영국왕실 자동차협회에서 제정된 것으로 자동차의 과세를 결정하는 마력.  

 ◆ SAE HP =    D : 실린더 내경이 mm 인 경우 

 ◆ SAE HP =    D : 실린더 내경이 inch 인 경우