| 초록 |
열기관의 유한 시간 열역학(Finite-time thermodynamics)적 분석 시에 작동유체는 이상기체(Ideal gas)이고 모든 과정이 가역적(Reversible)이므로 엔진의 각 사이클 과정에서 발생하는 각종 손실 등은 없다고 가정한다. 이에 따라 오토 사이클(Otto-cycle)의 효율식은 η = 1-T_1/T_2 = 1-r_c^(1-γ)로, 사이클 상 최고온도인 T_3를 효율식에 포함하지 않는다. 즉, 연료량이나 엔진의 부하와 상관없이 압축비가 결정되면 기관의 열효율이 결정되는 것으로서, 이는 실제 엔진의 효율을 잘 반영하지 못하고 있다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열효율 계산식을 수립하는 데 있어서 1) 작동 유체를 이상기체라 보지 않고 변화하는 것으로 적용하며, 2) 압축 및 팽창 과정에서 생성 엔트로피, 즉 열전달에 의한 손실이 존재하고, 3) 마지막으로 공기과잉률 (Excess air ratio, λ)에 따른 연소상 최고온도(T_3 )를 고려해 보다 실제 엔진의 효율식에 가깝도록 반영해 보았다. 특히 대상은 수소 전기점화 엔진 (Hydrogen-fueled Spark Ignition Engine)로 두어 단열화염온도 등의 계산에 대한 용이함을 도모하였다. 공기 조성의 변화는 단열화염온도 계산 시에 고려했고, 엔트로피 생성을 반영하는 변수인 압축효율 그리고 팽창효율 변수를 효율식에 추가하였으며, 각 공기과잉률(Excess air ratio, λ)별 T_3온도는 단열화염온도라고 가정했으며, 단열화염온도는 생성엔탈피, 작동 유체 성분의 비열 등 사전 정보를 통해 계산하였다. 그 결과 공기과잉률이 1.4에서 2.0으로 변화할 시 실제 수소 엔진 실험 결과에서 도시열효율(GIE, Gross Indicated Thermal Efficiency)가 45~51% 범주인 반면, 상기 세가지 조건을 반영한 변형된 오토사이클 열효율 식으로는 약 44~39% 임을 확인하였다. 이를 통하여 전반적인 효율의 범주는 동등한 수준이 되었으나, 연소 시 열전달이 반영되지 않아 희박할수록 계산식에 의한 열효율이 낮아지는 부분을 해결해야 함을 확인하였다. |
