오토와 디젤 사이클: 가솔린과 디젤 엔진
대부분의 자동차 보닛 아래 엔진은 상변화가 아니라 공기만으로 돌아가요. 실린더 안에서 연료를 태워 공기를 데우죠. 오토와 디젤 사이클은 네 행정을 공유하면서 단 하나, 연료가 정적에서 타느냐 정압에서 타느냐로 갈립니다.
위상을 끌어 오토 사이클을 따라가 보세요. 공기를 단열로 압축하고, 불꽃이 튈 때 정적에서 열을 넣고, 팽창하며 일을 내고, 다시 정적에서 열을 버립니다. 실제 4행정 엔진에서는 네 행정 중 팽창 한 번만 힘을 내고, 나머지 세 행정은 플라이휠에 저장된 관성이 피스톤을 밀어 줘요.
이상 오토 효율은 오직 압축비에 달렸어요. η = 1 − 1rγ−1입니다. 같은 공기를 실린더의 더 작은 부피로 밀어 넣을수록 효율이 올라요. 다만 r이 커질수록 효율이 늘어나는 정도는 점점 줄어서, 아주 높은 압축비에서는 이득이 완만해져요. r을 끌어 보세요.
두 사이클은 연소 구간에서 갈려요. 오토는 정적에서 타요. 불꽃 점화, P-V에서 세로 도약이죠. 디젤은 정압에서 타요. 피스톤이 움직이는 동안 연료를 분사해, P-V에서 가로 이동입니다. 불꽃은 미리 섞인 혼합기를 순식간에 태워 피스톤이 움직일 틈이 없어 부피가 거의 그대로지만, 디젤은 연료를 조금씩 뿌려 태우니 피스톤이 내려가는 동안 압력이 거의 일정하게 유지돼요. 둘을 바꿔 보세요.
가솔린 엔진은 연료와 공기를 함께 압축해서 노킹이 압축비를 막아요. 디젤은 공기만 압축하고 꼭대기에서야 연료를 분사하니, 훨씬 높은 압축비로 돌아 더 높은 효율에 닿습니다. 그래서 연비가 중요한 트럭과 배, 중장비에는 디젤이 주로 쓰이고, 더 가볍고 높이 회전하는 가솔린 엔진은 승용차에 어울려요. 가솔린과 디젤을 바꿔 보세요.
세 가지를 챙기세요. 둘 다 상변화 없는 기체 사이클이고, 정적 연소냐 정압 연소냐로만 갈리며, 압축비가 핵심 손잡이예요. 다음은 사이클을 거꾸로 돌려 열을 위로 끌어올리는 일, 냉동입니다. 실제 엔진은 둘 중 하나만이 아니라 정적과 정압 연소를 섞은 중간 형태로 타는데, 이를 복합 사이클이라고 불러요.