오토와 디젤 사이클: 가솔린과 디젤 엔진
대부분의 자동차 보닛 아래 엔진은 상변화가 아니라 공기만으로 돌아가며, 실린더 안에서 연료를 태워 공기를 데운다. 오토와 디젤 사이클은 네 행정을 공유하면서 단 하나, 연료가 정적에서 타느냐 정압에서 타느냐로 갈려요.
위상을 끌어 오토 사이클을 따라가면 순서가 보인다. 공기를 단열로 압축하고, 불꽃이 튈 때 정적에서 열을 넣고, 팽창하며 일을 내고, 다시 정적에서 열을 버려요. 실제 4행정 엔진에서는 네 행정 중 팽창 한 번만 힘을 내고, 나머지 세 행정은 플라이휠에 저장된 관성이 피스톤을 밀어 준다.
이상 오토 효율은 오직 압축비에 달렸고, η = 1 − 1rγ−1이다. 같은 공기를 실린더의 더 작은 부피로 밀어 넣을수록 효율이 오르는데, 다만 r이 커질수록 효율이 늘어나는 정도는 점점 줄어서 아주 높은 압축비에서는 이득이 완만해져요. r을 끌면 그 곡선이 눕는 게 보인다.
두 사이클은 연소 구간에서 갈린다. 오토는 정적에서 타는 불꽃 점화라 P-V에서 세로 도약이고, 디젤은 정압에서 타면서 피스톤이 움직이는 동안 연료를 분사해 P-V에서 가로 이동이에요. 불꽃은 미리 섞인 혼합기를 순식간에 태워 피스톤이 움직일 틈이 없어 부피가 거의 그대로지만, 디젤은 연료를 조금씩 뿌려 태우니 피스톤이 내려가는 동안 압력이 거의 일정하게 유지된다. 둘을 바꿔 보면 그 차이가 한눈에 들어와요.
가솔린 엔진은 연료와 공기를 함께 압축해서 노킹이 압축비를 막는다. 디젤은 공기만 압축하고 꼭대기에서야 연료를 분사하니 훨씬 높은 압축비로 돌아 더 높은 효율에 닿아요. 그래서 연비가 중요한 트럭과 배, 중장비에는 디젤이 주로 쓰이고 더 가볍고 높이 회전하는 가솔린 엔진은 승용차에 어울린다. 가솔린과 디젤을 바꿔 보면 그 갈림이 보여요.
세 가지를 챙기면 된다. 둘 다 상변화 없는 기체 사이클이고, 정적 연소냐 정압 연소냐로만 갈리며, 압축비가 핵심 손잡이예요. 다음은 사이클을 거꾸로 돌려 열을 위로 끌어올리는 일, 곧 냉동이다. 실제 엔진은 둘 중 하나만이 아니라 정적과 정압 연소를 섞은 중간 형태로 타는데, 이를 복합 사이클이라고 불러요.