제동평균유효압력 이라는 단어를 놓고 우리는 먼저 평균유효압이라는 단어를 분리하여 생각해야 합니다.
평균유효압력은 모두 4가지로 분류합니다.
1. 이론평균유효압력------이론내연기관싸이클에서의 압력
2. 도시평균유효압력------실제엔진에서 측정한 압력으로 부터 얻어진 압력으로 구함
3. 제동평균유효압력------출력된 엔진의 힘을 구한 후 거꾸로 계산하여 구하는 제동일의 압력
4. 마찰평균유효압력------도시일과 제동일의 차이로 없어진 마찰일의 압력
평균유효압력을 네이버 검색창에 검색하면 이렇게 나온다.......
평균유효압력 平均有效壓力
증기 기관이나 내연 기관의 피스톤의 평균 압력. 인디케이터 선도의 면적으로 표시된 일의 양을 실린더 용적으로 나눈 값이다.
과연 이런 단어의 풀이를 가지고 엔진 내부에 진행되어진 연료의 기계적 에너지 변환과정을 알 수가 있을까?
공식은 더 어려워서 연습장에 한참을 써가며 외워야 할 것이다.
그런건 자격증 시험 볼때나 연습하고 생각할 것이고 지금은 이야기 하지 않는 것이 좋겠다.......
그럼 본론으로 돌아가서 평균유효압력(mean effective pressure, Pm)이란
연료가 실린더에 공급되어서 가스팽창과정(연소)을 거치면서 기계적인 일로 전환 될때 발생한 힘의 평균을 이야기한다.
왜? 평균을 따지는가?
피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하는 매 순간 순간의 실린더 내의 압력은 아날로그적 이기 때문에 각 위치에 따라 압력의 시작 생성과 함께 소멸 방출에 이르기 까지 그 압력이 크기가 다르기 때문에 일(피스톤을 움직여 크랭크축을 돌린)을 한 압력의 평균을 가지고 이야기 해야 하기 때문이다.
이 평균유효압력은 피스톤의 전체 동력행정에서 한 일의 양과 같은 일을 할 수 있는 압력이다.
또한, 평균유효압력은 기관의 출력을 비교하는 척도인데.
기관의 출력을 비교할때 실린더 수의 많고 적음이나 배기량의 차이를 없애고 공정히 비교하는 척도가 된다.
즉 3기통 800cc 티코와 4500cc 에쿠스 리무진을 출력으로 비교하면 배기량과 기통수에 따라 출력이 달라지지만
연료가 들어가서 일을 하게된 열의 효율과 일로 바뀌게 된 비를 평균유효압력으로 비교하면 아주 정확하게 기관의 출력만을 비교 설명할 수 있는 것이다.
평균유효압력은 4가지가 있다고 위에서 열거하였다.
그 4가지가 어떻게 나왔는가.
그건 지압선도라는 가스의 압축과 팽창을 표시한 그림에서 공급된 열량이 일로 바뀐 비율 즉 열효율을 계산하면서 나온 것이다.
내연기관은 탄화수소계의 연료를 연소하여 가스팽창의 힘인 일로 바꾸어 동력을 발생시키는데 1800년에 이르러서야 실린더의 압력을 측정하여 크랭크축의 움직임과 압력이 변화되는 것을 측정하여 선으로 변화시켜 도시(그려서표시)함으로써 일의 양을 구하게 되고, 이론적인 계산에서 실질적인 측정을 통한 효율을 구하게 되었기 때문입니다. 이 도시한 그림을 지압선도라고 한다. 이렇게 실질적인 폭발과정의 압력을 측정한 것을 실제 지압선도라고 한다.
지압선도는 압력과 가스의 팽창이 그려진 P/V 선도라고 한다.
학자들의 이론에서 계산된 이론적인 지압선도를 보자.
아래 그림에서 공급된 열(공급된 연료의 량에 비례하는 열의 양)Q1과 방출된 열 Q2의(일로변환되고 남은) 차를 공급된 열량으로 나누어 열효율을 구하게 되는데 이렇게 구한 열효율이 바로 이론 열효율이다.
이건 다시 일의 개념으로 이야기 하면 열이 일로 전환될때 비가역변화에 의한 손실로 일로 변환된 양의 비율을 말한다고 할 수 있고 공식으로는
n = W / Q1
n = Q1 - Q2 / Q1
Q2
n = 1 - ------
Q1
라고 표현하고 이론 열효율이 구하여 진다.
다시한번 간단히 이론 열효율을 정리하면 연료가 타면서 일로 바뀐 비율이다.
아래 그림은 이론싸이클의 이론지압선도이다.
그리고 아래 그림은 실제 엔진에서 측정한 압력을 그려놓은 실제 지압선도다.
실제 싸이클에서는이론싸이클에서 구해진 이론열효율과 일을 하게된 일의 양 보다 일의 크기가 줄어 드는데
불완전연소 지연 가스누설 냉각손실 흡배기의 펌핑손실 등이 영향을 준다.
이 실제싸이클에서 연료가 일로 바뀐 효율인 열효율이 도시열효율이다.
도시라는 말은 지시라는 말과 같은 의미인데 도시의 도는 그림의(지압선도) 도를 의미하고 지압선도의 지는(지압선도) 지를 의미한다.
이 실제 지압선도에서 동작가스가 연소팽창하면서 피스톤에 가해지는 힘의 결과인 일을 도시일이라고 하고 이 도시일로 부터 얻어진 출력(피스톤이 움직인)을 도시출력이라고 한다.
하지만 아래 그림인 실제 싸이클에서는 도시출력은 지압선도로 부터 구해지지만 도시열효율을 이때 소비되는 연료를측정하여 도시열효율을 구한다.
그럼 이렇게
열역학의 개념/ 일과 효율/ 압력과 힘 / 이론 사이클과 실제사이클 / 지압선도 /이론지압선도 /실제지압선도
열효율 / 이론 열효율 / 실제 열효율 /도시 열효율 /이론일 /도시일 을 이야기 했다.
열효율은 4가지가 있는데 각 각의 싸이클에서 구해지는 열이 일로 바뀐 일의 효율인
1.이론 열효율
2.도시 열효율
3.제동 열효율
4.기계효율 이다.
이론 열효율과 도시 열효율은 위의 각각의 그림에서 나온 것 들이고
제동열효율은 작동하는 엔진의 크랭크축에 발생한 출력으로 부터 얻어 지는 일이 효율을 말하고 제동일로 부터 발생한 출력을 제동출력이라고 한다.
이 일을 제동일이라고 하며 실제 지압선도에서 발생한 실제일의 크기인 도시출력 보다 작은데 이 차이의 비를 제동열효율이라고 한다.
참고로 크랭크축의 회전력은 엔진 축의 출력이고, 이 축의 출력을 간단히 축출력이라고 한다.
이때 소비되어 없어진 열은 기계장치의 설계나 소모되는 마찰이나 부하에 따라 달라지는데 제동일을 도시일로 나눈 비가 바로 기계효율이 되는 것이고 이렇게 없어진 힘인 마찰일의 출력을 마찰출력이라고 한다.
처음 이야기한 평균유효압력의 4가지중
이론 / 도시 평균유효압력은 이론일과 도시일 중에서 피스톤에 작용된 압력의 평균(일로 전환된 양과 같은 크기)이다.
제동평균유효압력은 실제 실린더에 일어난 압력의 평균이되겠다.
제동평균유효압력은 지압선도나...어떤 측정장치를 통하여 실린더 내부의 압력을 측정하거나 계산한다고 구해질 수가 업다.
그건 바로 축출력으로 나온 일에 해당 하는 압력의 평균을 의미하는 것이기 때문이다.
이론평균유효압력은 이론PV선도에서 구하고
도시평균유효압력은 실제PV선도에서 구합니다.
하지만
제동평균유효압력은 어떻게 구할까?
그건 바로 우리가 많이 들어온 엔진다이나모를 이용해서 측정한 제동출력으로 부터 거꾸로 계산하여 구합니다.
발전된 현시대에서는 엔진다이너모를 이용해 엔진의 토크를 측정하지만
300백년전으로 올라가서는 어떻게 구하였을까......?
그건 바로 엔진의 출력축인 크랭크축에 드럼을 설치한 후 그것을 제동하는 브레이크 장치를 설치한 후 그 브레이크 장치에 레버를 연결하여 제동을 가한 후 돌아가는 힘을 저울의 눌리는 양을 읽어서 구했다.
이렇게 제동하여 구하여지는 출력이기 때문에 제동출력이라고 하며 이 때의 효율을 제동열효율이라고 한다.
영어로는 Break thermal effciency 이 제동일 구간의 피스톤에 미친 힘의 크기를 압력의 평균으로 나타내어 일의 크기와 같아진 압력을 제동평균유효압력이라고 한다.