[기계공학실험]가솔린 기관 성능

실험 목적

1. 실험 목표

가솔린 기관과 디젤기관의 성능향상을 위한 연구가 꾸준히 지속되어 오면서 엔진 출력과 열효율의 증대를 도모하게 되었는데 현재는 출력성능 향상뿐만 아니라 유해 배기가스 저감에도 관심을 두고 연구가 지속되고 있다.

본 실험에는 가솔린 기관의 성능을 평가하는 방법을 습득하고 이외에 사용되는 여러 가지 인자들에는 어떤 것들이 있으며, 이들 인자들은 어떠한 관계를 가지고 있는지를 이해하고 분석하는 것에 목적이 있다. 실험을 통하여 정속 운전 시와 고속 운전 시 엔진 토크, 동력, 연료소비율 등을 측정하고 비교하였다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

내연기관이란 기관의 내부에서 화학적 에너지를 갖는 연료(Fuel)를 공기 중의 산소와 완전연소가 이루어지도록 잘 혼합된 상태에서 압축을 한 다음 연소를 시킬 때 발생하는 열에너지를 직접 이용한 것으로 가솔린 엔진과 디젤엔진이 이에 속한다. 

가솔린 엔진의 기본 작동원리는 공기와 연료를 엔진내부의 연소실로 흡입하고 연소실로 흡입된 혼합기(공기와 연료)는 피스톤이 상승하면 흡기밸브와 배기밸브가 닫히면서 혼합기가 압축하게 되고 여기에 화염원인 스파크 플러그로 불꽃을 발생시켜 폭발을 일으키도록 하고 폭발에 의한 팽창력으로 기계적인 에너지를 발생시키는 것이다.

이 때 발생한 열에너지는 피스톤의 왕복운동에 의해 기계적인 일로 바꾸고, 다시 피스톤의 왕복운동은 커넥팅로드에 의해 회전운동으로 바뀌게 된다. 이러한 운동에너지의 변환은 연속적으로 이루어지므로 가솔린엔진은 왕복형 싸이클 엔진이라고 한다. 

가솔린 엔진은 다음과 같은 몇 가지의 중요한 조건이 만족되어야 한다. 첫째, 휘발유+공기가 조건에 따라 유효해야하며, 적절하게 공급되어야 한다. 둘째, 흡입된 혼합기를 연소조건에 만족시킬 수 있도록 규정압력까지 압축시켜야 한다. 셋째, 압축된 혼합기가 적절한 시기에 점화될 수 있어야 한다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

적용 차종	현대 Avante 1800	배기량	1,795 cc
형 식	직렬 DOHC	압축비	10
실린더 수	4	연료분사장치	MPI
bore x stroke	82 x 85 mm	최대 출력	138 PS / 6000 rpm
		최대 torque	172.5 Nm / 4500 rpm

다이나모미터와 아반떼 엔진	Egrun .exe 실행화면
컨트롤 박스

실험 방법

1. 실험 과정

1) 동력계 냉각수의 밸브를 열어준다.(40-50%정도)

2) Battery Switch 를 on시킨다.

3) 트렌스 (인젝터 전원공급) 스위치를 on시킨다.

4) 계측 컴퓨터를 키고 Egrun.exe 아이콘을 실행시킨다.

5) 컨트롤 박스 전원스위치를 킨다. 이때 연료유량 체크기가 off가 되어있는지를 확인한다.

6) 스로틀 밸브를 4%정도로 연후에 엔진시동을 켠다.

7) Speed Torque의 RPM COMT 버튼을 누른다.

8) RPM을 1300에 놓는다.

9) 스로틀 밸브를 열어준다. Map가 377mmHg가 되면 토크 값을 측정한다.

10) RPM을 1600, 1900, 2200, 2600, 2900, 3200, 3500에 놓고 9번째 과정을 반복한다.

11) 토크 값 측정을 마치면 엔진을 끄고 4번 과정부터 1번 과정을 반대로 한다.

실험 결과

1. 실제체적유량[ft3/min]

(5.53658 × DP) + (0.143168 × DP2)

DP[in H2O]

DP@4℃ = DP × (ρH2O@실험상태온도/ρH2O@4℃)

2. 표준체적유량[ft3/min]

실제체적유량 × (Pf/PSTD) × (TSTD/Tf)

Pf/PSTD = 현재 대기압(inch로 환산) / 표준 대기압(29.92 in Hg)

TSTD/Tf = 화씨의 절대온도(529.67) / 현재의 온도(화씨로 환산)

 

3. 표준질량유량[㎏/min]

표준체적유량 x density → density = 표준공기밀도(1.2045㎏/㎥)

4. 체적효율

V1 = 실제 실린더로 들어온 공기의 체적, ρ = 표준공기밀도, VS = 배기량

5. 연료 소비율(S.F.C)

 

6. 토크 RPM 선도

회전수(rpm)		1300	1600	1900	2200	2600	2900	3200	3500
토크	kgf·m	3.83	4.16	4.3	4.53	4.8	4.56	4.53	4.56
	N·m	37.53	40.8	42.14	44.4	46.64	44.7	44.39	44.68
마력	KW	5.107	6.827	8.380	10.222	12.694	13.564	14.869	16.371
공기차압(DP)	cm H2O	0.8	1.03	1.18	1.43	1.8	2.2	2.5	3.05
	in H2O	0.315	0.406	0.465	0.563	0.709	0.866	0.984	1.200
실제공기 체적유량[ft3/min]		1.45	0.86	2.13	2.59	3.26	3.98	4.52	5.52
표준공기 체적유량[ft3/min]		1.40	1.80	2.01	2.50	3.15	3.85	4.38	5.34
공기질량유량	lbs/min	0.11	0.14	0.16	0.19	0.24	0.29	0.33	0.40
	kg/min	0.05	0.06	0.07	0.09	0.11	0.13	0.15	0.18
체적 효율		0.042	0.044	0.042	0.044	0.104	0.052	0.053	0.060
연료 질량 유량[kg/min]		0.200	0.255	0.292	0.353	0.445	0.544	0.618	0.754
연료 소비율[g/KWh]		38.71	37.28	34.79	34.55	35.04	40.07	41.54	46.03

회전수와 토크와의 관계

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험을 통하여 가솔린 동력기관의 성능시험의 과정을 직접 눈으로 볼 수 있는 기회를 가져서 인상 깊은 실험 시간이 되었다. rpm 구간별로의 토크와 마력의 수치 변화와 여러 가지 조건의 변화에 따른 수치 값의 변화 또한 흥미로운 부분 중의 하나였다. 그리고 엔진의 성능을 평가하기 위해서는 토크와 동력을 구하는 것이 필수적이라는 것을 깨달았고 이를 구하기 위해서 엔진 축에 연결된 동력계(DYNAMOMETER)로부터 측정한다는 것 또한 알게 되었다. 자동차의 동력에 영향을 주는 것이 체적효율인데 이는 실제로 흡입되는 공기의 질량이 이론적인 질량보다 더 적다 이는 압력손실과 엔진의 열 효과에 의한 공기의 밀도 감소 등으로 이러한 결과가 나타난다.

앞서 말했듯이 동력은 실린더로 흡입되는 공기의 양에 의해 영향을 받으므로 체적효율의 감소 혹은 증가가 동력에 영향을 미친다는 것을 깨닫게 되었다. 따라서 체적효율은 기관성능의 중요한 인자이다. 그러므로 앞으로의 엔진의 추세가 고성능의 엔진을 선호하므로 체적효율의 증가의 방법을 연구, 실험하는 것이 우리들의 앞으로의 과제라 생각이 든다. 또한 토크 곡선을 보면 엔진의 회전수가 빨라질수록 무조건 토크가 높아질 것 같은데 예측과는 달리 2900rpm에서 떨어지다 3500rpm에서 다시 상승하는 형태의 곡선이 나타나는데 이는 어느 정도의 회전수를 지나면 충분한 공기가 공급될 수 없기 때문에 그래프가 약간 아래로 볼록한 형태가 나타나는 것이다. 흔히 연료는 저속으로 달릴 때 낮을 것이라는 생각을 많이 하게 되는데 그와 달리 적당하게 높을 때의 연료 소비율이 낮다는 것을 데이터를 통해 알 수 있었다. 이 줄어들다 회전수가 커질수록 엔진을 구동하기 위해 필요로 하는 연료량이 많아지므로 다시 연료소비율이 증가한다.

참고 문헌

1. 자동차 공학 실험 교재

2. 아반떼 정비 지침서 가솔린 엔진 편, 2007