건설기계기술사_열기관 사이클의 종류(오토/디젤/복합/브레이튼/랭킨/카르노)

1. 서 론

열기관이란 연료를 활용해 동력을 만들어내는 기구로서 높은 에너지를 가지고 있는 물질이

낮은 에너지를 가진 물질로 변하면서 그 에너지의 차이가 동력으로 바뀌어 활용되는 기관을

의미합니다. 열을 활용하는 원리에 따라 오토 사이클, 디젤 사이클, 복합 사이클, 브레이튼

사이클, 랭킨 사이클, 카르노 사이클 등으로 분류 합니다. 이 사이클의 해석을 위한 전제

조건은, 마찰은 고려되지 않고 단열되어 열 전달을 무시할 수 있으며 작동 유체의 운동 

및 위치 에너지를 무시됩니다. 
그리고 공기 표준 사이클로서 열역학적인 해석을 용이하게 하기 위하여 작동유체를 표준

공기로 가정하는데, 작동 유체는 이상 기체이며 비열은 상수로 정합니다. 사이클을

구성하는 모든 과정은 내적 가역 과정이고 열에너지의 공급은 외부와의 열 전달에 의한

가열 과정입니다. 그리고 배기 과정은 외부로 열을 전달하는 방열 과정이며 작동 유체는

초기 상태로 복원됩니다. 

여기서 이상기체란, 분자는 인력이 없고 기체분자의 부피도 완전 무시하고 절대온도 0도에서 

기체 부피도 0인 기체를 뜻합니다.

아울러 가역 과정이란 한 방향으로 진행된 과정을 역으로 행할 때 추가 비용이 들지 않는 과정

이며 상태 변화 중에는 항상 평행을 유지합니다. 그리고 시스템 내부 에너지는 100%보존

되며 외부 방출되었다가 온전히 시스템 내부로 들어옵니다. 

2. 오토 사이클

4행정 SI(Spark Ignition) 엔진의 공기 표준 열역학적 이상 사이클로 정적 사이클이라고

합니다. 단열압축, 정적가열, 단열팽창 및 정적방열 과정으로 진행됩니다.

3. 디젤 사이클

4행정 저속 CI(Compression Ignition) 엔진에 공기 표준 열역학적 이상 사이클로 

종합 사이클이라고 합니다. 

이 사이클은 가열단열 압축, 정압가열, 가열단열 팽창, 정적 방열 순 진행됩니다.

4. 복합사이클(사바테 사이클)

4행정 고속 CI(Compression Ignition)엔진의 공기 표준 열역학적 이상 사이클 입니다.

이 사이클은 가역단열 압축, 정적가열, 정압가열, 가역단열 팽창, 정적방열 순으로

진행됩니다.

5. 브레이튼 사이클

가스터빈 기관의 열역학적 이상 사이클로 주로 항공기 추진이나 복합화력발전에

응용됩니다. 

브레이튼 사이클은 가역단열 압축, 정합가열, 가역단열 팽창, 정압방열 순으로 

진행됩니다. 

6. 랭킨사이클

랭킹 사이클은 증기터빈의 사이클로서 일반적으로 물을 이용한 열을 일로 변환하는

사이클 입니다. 화력발전소를 포함하여 태양열 발전, 바이오매스 발전, 원자력 발전소 

등에서 사용됩니다. 랭킹 사이클은 증기 기간의 기본적인 열역학 기초이며 발전소의

스팀터빈 사이클을 생각하시면 됩니다. 

이 프로세스는 단열압축, 등압가열, 단열팽창, 등압방열 순으로 진행됩니다.

7. 카르노 사이클

카르노 사이클은 프랑스인 카르노가 고안한 효율이 최고로 높은 가장 이상적인 기관입니다.

모든 과정이 가역 과정인 카르노 순환은 주로 외형 기관이나 히트 펌프에 적용되는 열역학 

사이클의 카르노 사이클입니다. 

카르노 사이클은 열 에너지를 역학적 에너지 즉 운동 에너지로 전환하는 에너지 변환 장치이며

열이 들어오고 나갈 때 소실된 열만큼만 일을 할 때의 효율을 카르노 효율이라고 합니다.

카르노 사이클은 가역등온 팽창, 가역단열 팽창, 가역등온 압축, 가역단열 압축 순으로 진행됩니다. 

TS 선도에서 직사각형 모양을 이루며 열 기관 중 열효율이 최고 높은 사이클이라 할 수 있습니다. 

이것은 이상 사이클이므로 실제로는 존재할 수 없는 이상적인 사이클입니다.