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흡기장치
흡기장치(Intake System)는 흡기 행정이 잘 이루어질 수 있도록 도와주는 보조장치이다.
개요[편집]
흡기장치는 엔진을 작동시키기 위하여 실린더 안에 혼합 가스를 흡입하는 장치이다. 흡입하는 공기 속에 존재하는 먼지 및 이물질 등을 여과시키는 공기 청정기와 각 실린더에 혼합 가스를 분배하는 흡기 매니폴드로 구성되어 있다.[1] 흡기 행정의 경우 효율이 높지 못하면 이후로 이루어지는 압축 폭발 배기 행정이 아무리 효율이 높아도 그만큼의 효과를 보지 못하게 된다. 흡기장치는 이러한 흡기 행정이 잘 이루어질 수 있도록 도와준다. 흡기 장치는 여러 부품으로 이루어지지만 보통 흡기구, 에어필터, 스로틀밸브, 흡기 매니폴드로 구성되며, 각 장치는 에어덕트와 같은 파이프로 연결된다. 흡기 행정에서 피스톤이 내려가면 실린더 안의 압력이 낮아지면서 공기를 빨아들인다. 이 힘을 흡기 압력이라고 하며 이때 흡기장치의 역할은 공기가 흐르는 통로를 만들고 원활하게 흐르도록 하는 것이다. 또한 공기를 빨아들이는 소리를 조절하는 역할도 있다. 이를 위해 흡기장치 중간이나 특히 에어필터의 앞뒤에 일정 공간을 가진 챔버가 장착된다. 이러한 챔버는 공기의 흐름을 원활하게 하거나 공기의 흐름 시 발생하는 진동 주파수를 조절하여 탑승자가 듣기 좋은 주파수로 만들도록 설계된다.[2]
구조[편집]
- 흡기구 : 흡기장치로 유입되는 공기가 가장 먼저 지나가는 곳은 흡기장치의 입구인 흡기구다. 일반적으로 차량의 앞 범퍼 뒤쪽 엔진에 위치하며, 흡기구 장착 시 가장 중요한 것은 물이 들어오지 않는 장소에 설치되어야 한다는 것이다. 물론 비 오는 날 주행 시 들어오는 일정 수준의 물방울은 에어 필터에 의해 걸러지지만 많은 물이 유입되면 에어필터로도 소용이 없기 때문이다. 만약 흡기구를 통해 다량의 물이 유입된다면 흡기장치를 통해 흘러 들어온 물이 엔진 연소실로 들어가 엔진 연소를 방해하고 엔진의 부품을 손상하는 원인이 된다. 이는 압축 행정시 연소 실내 물이 존재할 때 물의 낮은 압축률로 인해 압축 행정이 제대로 이루어지지 못하게 하고 혼합기가 연소하는 것도 방해하기 때문이다. 따라서 비가 오거나 물이 많은 곳을 주행할 때 엔진룸으로 물이 들어가는 것에 주의하고 서행운전이 필요하다.
- 에어필터 : 흡기구를 통해 들어온 공기는 에어덕트를 통해 에어필터로 보내진다. 에어필터는 공기 속의 이물질을 제거하여 깨끗한 공기가 엔진으로 들어갈 수 있도록 도와주는 장치다. 공기 중에는 눈으로는 잘 보이지 않는 먼지나 모래와 같은 여러 미세한 이물질이 존재한다. 이러한 불순물이 엔진에 들어가면 피스톤이나 실린더 사이에 끼어 부품을 마모 시키게 한다. 에어필터에 의해 걸러진 깨끗한 공기는 연소의 효율을 높여 엔진이 기능을 할 수 있도록 도와준다. 반대로 에어필터가 제대로 관리되지 않으면 공기 중 불순물의 유입이 늘어나 엔진의 연소 효율을 떨어뜨리고 엔진의 수명을 단축하기도 한다. 이러한 에어필터는 주기적인 관리가 필요하다. 차종에 따라 에어필터의 규격이 다르며 차량 운행 환경에 따라 달라지지만, 일반적으로 2~3만km마다 갈아주는 것이 좋고 정확한 교체 주기는 차량 매뉴얼을 통해 확인할 수 있다. 에어필터의 경우 공기정화 기능뿐만 아니라 공기의 유입속도를 일정하게 만들어 실린더에서의 공기와 연료의 혼합비를 맞추는 역할도 한다. 지나치게 과도한 공기가 빠른 속도로 흡입되면, 혼합비가 맞지 않아 엔진의 부조화가 일어나기 쉬운데, 이때 흡기필터는 적당한 속도를 유지해 흡입량을 조절하는 기능을 담당하는 것이다. 흡기필터는 일반적으로 평평한 판 모양의 주름진 종이 필터 형태다. 하지만 튜닝을 위한 오픈 필터의 경우, 길쭉한 버섯 모양 혹은 타원형 등 다양하다. 흡기필터 교체는 공구가 전혀 필요치 않거나, 최소한의 드라이버와 같은 공구만으로도 가능하다.[2]
- 스로틀밸브 : 에어필터에 의해 여과된 공기는 스로틀밸브에 의해 엔진으로 들어가는 공기의 유량이 통제된다. 운전자가 자동차의 속력을 높이기 위해 가속 페달을 밟게 되면 가속 페달과 연결된 센서에 의해 공기의 흡입 통로에 있는 스로틀밸브가 조절된다. 스로틀밸브는 엔진이 작동되면 닫혀 있던 밸브를 열어 공기가 흐를 수 있도록 한다. 또한 스로틀밸브의 열림 각을 조절하여 공기의 흡기량을 조절한다. 저속에서는 열림 각을 작게 하여 엔진으로 들어가는 공기를 작게 하고 고속에서는 열림 각을 크게 하여 흡기량을 증가시킨다. 현재는 단순히 가속 페달을 밟는 것뿐 아니라 엔진 컨트롤 유닛과 결합하여 운행환경을 고려하여 열림 각을 조절하기도 하고 스로틀밸브를 없애고 흡기밸브로 흡기량을 조절하는 때도 있다. 또한 공기를 흡입하면 카뷰레터 또는 전자제어식 연료 분사 장치가 공기의 흡입량을 검출하여 엔진의 운전상태에 적절한 가솔린을 공급한다. 스로틀 밸브는 카뷰레터에 조립되어 있지만, 전자제어식 연료 분사 장치는 흡기 계통에 독립하여 장착된 스로틀밸브 내에 설치되어 있어 공기 유량을 측정하는 에어 플로 센서 또는 스로틀밸브의 열리는 상태를 체크하는 스로틀 포지션 센서(TPS)와 일체화되어있는 것이 많으며, 버터 플라이 방식과 슬라이드 방식이 존재한다.
- 흡기 매니폴드 : 스로틀밸브를 통과한 공기는 흡기 매니폴드에서 각 실린더로 보내진다. 매니폴드는 우리말로 다기관으로 스로틀밸브로 이어져오던 하나의 관이 실린더 수만큼 여러 관으로 나누어져 연결하는 관을 말한다. 공기의 흐름 시 발생하는 흐름 저항이 작아지도록 한다. 여러 관이 인접해 있어 관끼리 서로 간섭하여 공기 흐름에 좋지 않은 영향을 주는 경우가 있는데, 이러한 악영향을 줄이기 위해 흡기 매니폴드로 공기를 보내기 전 서지 탱크라는 적당한 체적의 공기탱크를 마련하여 이를 보완한다. 서지탱크에 의해 각 실린더로 보내지는 공기의 간섭이 완화되어 흡기 행정의 효율을 높일 수 있다. 흡기 효율 향상을 위해 컨트롤 밸브를 장착함으로써 엔진이 고 회전할 때는 굵고 짧게, 저 회전할 때는 가늘고 길어지는 가변 흡기 시스템을 하고 있다. 흡입 공기는 카뷰레터에서 연료와 혼합되어 흡기 매니폴드를 통하여 각 실린더로 분사되게 된다. 연료 분사는 흡입 공기가 매니폴드에서 나누어지기 전에 분사되는 방식이 있고, 각 실린더로 공기가 흡입되고 실린더로 직접 연료가 분사되는 방식도 존재한다. 복잡한 구조의 매니폴드는 엔진의 속도와 부하에 따라 공기를 우회시켜 실린더로 유입시키기도 한다.[3]
- 흡기포트 : 실린더 헤드 안에 있는 구조로 흡기 매니폴드와 연소실을 잇는 통로다. 흡기포트의 연소실 쪽 끝에는 흡기 밸브가 위치한다. 안쪽 면이 매끈할수록 흐름 저항이 줄어 흡기 효율이 높아진다. 실린더 안에서 연소가 잘 이루어지도록 와류가 생기는 구조로 설계하기도 한다.
- 서지 탱크 : 서지 탱크는 연료분사 방식 엔진에서 스로틀 밸브와 흡기 매니폴드 사이에 설치하는 탱크 흡기는 밸브가 열리면서 이루어지는데, 실린더의 작동순서에 따라 단속적으로 반복되므로, 공기의 흐름에 따라 파장이 생긴다. 연료분사 방식 엔진에서는 이 파장이 공기흐름을 감지하는 에어 플로 미터가 고장을 일으키는 원인이 될 수 있으므로 이를 막기 위해 공기를 모아 파장을 흡수하는 공간으로 만든 것이다.
- 레조네이터 : 한자로 공명기라고 쓴다. 공명의 원리를 이용해 소리를 줄이는 장치로, 귀에 거슬리는 특정한 주파수의 소리를 줄일 수 있는 크기와 형태로 설계된다. 일반적으로 에어클리너 주변에 설치하고, 에어클리너 케이스 또는 에어클리너 케이스와 스로틀 밸브를 잇는 통로가 레조네이터 역할을 한다.[4]
- 터보 차저와 인터쿨러 : 엔진의 과급기다. 배기가스의 에너지는 배기 통로에 장착된 터빈 하우징의 터빈을 회전력으로 변환시켜 회수하고, 흡기계에 장착된 압축기로 유입되는 공기는 압축되어 밀도와 산소 함량을 높임으로써 효율을 증가시키고 출력과 연비를 향상하게 시킨다. 터보차저가 장착된 엔진은 2배까지의 효율을 낸다. 같은 엔진에 공기 흡입량을 높여 그만큼의 더 많은 연료를 연소시키므로 더 효율적인 고출력을 낼 수 있으며, 압축기를 통해 유입되는 공기는 온도가 상승하기에 인터쿨러를 통과하면서 온도를 낮추어 공기의 밀도가 더욱더 상승하게 되고 실린더의 흡입 효율이 향상한다.[3]
효과[편집]
- 맥동효과
맥동효과(pulsation effect)는 흡기밸브가 열렸다가 닫히면 흡기관 내에 남아 있는 맥동파가 다음의 흡기행정에 영향을 미치는 현상을 말한다. 흡기밸브가 열리면 밸브 쪽에 있던 공기가 흡입되어 그 곳은 부압(負壓)이 되며, 이 부압은 흡기관 내를 전파해 간다. 흡기밸브가 닫히면 이 부압은 밸브 쪽으로 되돌아온다. 이때 다시 흡기밸브가 열려 밸브가 열리는 주기와 부압이 돌아오는 주기가 일치하면 실린더의 안과 밸브 쪽의 압력 차가 작아 흡기량이 작아진다. 그러나 부압의 맥동이 밸브가 닫힐 때와 일치하면 반대로 흡기량이 증가하게 된다. 이렇게 되도록 흡기관의 길이를 설계하면 기관의 체적 효율을 높일 수 있다. 기관을 모터링(motoring)하고 흡기관의 길이를 변경하면서 체적 효율을 조사해 보면 일반적으로 흡기관의 길이에 따라서 체적 효율이 곡선 상으로 몇 개의 산과 골로 나타난다. 이 현상은 관내의 기주(氣柱)의 진동과 밸브개폐의 주기와의 일치 현상으로서 설명할 수 있다. 관내에 있는 기주의 진동은 종 진동임으로 그 파동은 종파(소밀파)이다.
- 관성효과
관성효과(inertia effect)는 흡기의 관성효과는 흡기행정의 초기에 흡기관계에 생긴 압력펄스가 흡기행정의 후반에 미치는 영향을 말한다. 흡기행정에서 흡기밸브가 급히 열리면 기주의 관성 때문에 부압이 생긴다. 이 부압 펄스는 흡기관 내를 지나서 흡기관의 개방단(開放端)에서 반사되어 일정시간 후에 정압펄스로서 되돌아온다. 흡기관의 길이가 충분히 길고 되돌아 오는 시간이 흡기기간 보다 크면 최초의 반사펄스는 흡기 과정에 직접적으로 영향을 미치지 못한다. 그러나 흡기관이 짧은 경우는 흡기 과정이 끝나지 않은 가운데 반사펄스가 되돌아 와서 흡기압과 합성파를 형성하여 흡기 압력을 높인다. 이와 같이 흡기관의 길이를 적당히 선택하면 기관의 체적 효율은 상당히(약 100% 이상) 증가한다. 흡기 밸브가 닫힌 후에도 흡기관 내에는 압력진동이 남아 있다. 이 압력은 점차로 감쇠되어 가지만, 다음의 흡입사이클과 잘 겹치게 되면 흡기 밸브가 닫히는 직전의 압력을 더욱 높여 체적 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 겹침(over lap)이 일어날 때는 배기 압력에 의하여 흡기의 관성효과는 더욱 커진다. 관성효과는 흡기 관계 내의 유동저항의 영향을 받는데 관의 직경을 크게 하면 관성이 약해지고 작게 하면 저항이 증가한다. 그러므로 기관의 행정체적에 따르는 최적의 관의 직경을 선정하여야 한다. 또한 한 실린더가 흡입을 완료하지 않은 가운데 다른 실린더가 흡입을 시작하면 흡기 간섭(interference in intake manifold)에 의하여 충분한 관성효과를 얻을 수 없음도 고려해야 한다.[5]
체적 효율[편집]
- 외기를 최대한 뜨겁지 않도록 하여 매니폴드로 유입시키고 과급기가 있는 엔진은 인터쿨러를 장착하여 흡기 온도가 높아지지 않도록 한다.
- 밸브 수를 많게 하거나 덕트 및 매니폴드를 가능한 한 크게 하며, 구부러진 부분의 반지름을 크게 하는 등 흡기 저항을 작게 한다.
- 밸브 지름과 밸브 리프트를 크게 하고 밸브 타이밍을 적정하게 한다.
- 흡기 매니폴드의 길이를 엔진이 저속 회전할 때는 길게, 고속 회전할 때는 짧게 하여 관성효과와 맥동효과를 잘 이용한다.
- 과급기를 설치하여 흡기 압력을 높인다.[6]
가변흡기시스템[편집]
가변흡기시스템(VIS)은 엔진의 회전과 부하 상태에 따라 공기 흡입 통로를 자동으로 조절해, 저속에서 고속에 이르기까지 모든 운전 영역에서 엔진 출력을 높여 주는 장치다. 흡기 매니폴드 내의 공기 흐름은 일정치 않기 때문에 흡기밸브가 열리고 닫힘에 의한 변화로 힘차게 흐른다. 즉 흐름 중에 공기의 밀도가 높은 부분과 낮은 부분이 있어 밀도가 높은 부분이 포트에 왔을 때 또는 이상적으로는 밸브가 닫히기 직전의 흡기 속도가 최대가 되었을 때 이 부분의 밀도가 높으면 흡기의 관성효과는 최대가 된다. 이 맥동 흐름의 주기는 매니폴드의 굵기와 길이에 따라 결정되며, 굵기가 같다면 길이가 길수록 맥동 흐름은 낮아진다. 보통의 엔진은 매니폴드의 길이가 결정되어 있으므로 엔진이 어떤 회전수일 때는 흡기의 관성효과가 있지만 다른 회전수에서는 그 효과를 기대할 수 없다. 매니폴드의 길이가 적당하지 않으면 엔진의 회전수에 따라서는 포트 부분에 밀도가 낮은 부분이 형성되어 반대로 공기의 충전 효과가 나빠질 수도 있다. 그래서 엔진의 회전수에 따라 매니폴드의 길이 변화를 생각하게 되었다. 같은 시간 사이에 밸브가 개폐되는 횟수가 많은 고속 회전일 때에는 매니폴드 길이를 짧게 하여 주기를 짧게 하고 반대로 회전속도가 낮을 때는 흡기관의 길이를 길게 하여 주기를 길게 변화시키면 회전수의 넓은 범위에서 흡기의 관성효과를 얻을 수 있다는 뜻이다. 이것이 가변 흡기 시스템으로 가변 관성 과급 시스템이나 가변 흡기 제어 등으로 불리는 때도 있다. 흡기 매니폴드 길이의 컨트롤에는 여러 가지 타입이 있지만, 매니폴드를 두 개의 그룹으로 나누어 연결할 수 있도록 하고 고속 시에는 나누고, 저속 시에는 전체 매니폴드를 연결하여 실질적인 매니폴드 길이를 길게 하는 방식과 매니폴드에 바이패스 통로를 설치하여 저속 시에는 공기를 바이패스 통로로 흐르게 하고, 고속 시에는 바이패스 통로를 닫아 그 길이를 조정하는 방식이 적용되고 있다. 그런데 몇몇인가의 매니폴드를 연결하였을 때 각 매니폴드 사이에서 공명이 일어나는 경우가 있다. 공명은 연결된 별개의 매니폴드 사이에 같은 주파수의 압력 진동이 발생하는 현상으로 이 현상이 발생하면 고속 시 관성의 과급 효과를 얻을 수 없다. 공명은 매니폴드가 연결된 부분에 설치된 인테이크 컬렉터의 체적을 크게 하여 방지하는 것이 가능하지만 공명이 일어나면 중 · 저속에서는 반대로 관성의 과급효과가 높아져서 충전 효율이 높아지는 경우가 많아 이것을 공명 과급 효과라 부르고 있다.[7]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈가변 흡기시스템〉, 《네이버 지식백과》
- 〈체적효율을 높인다〉, 《네이버 지식백과》
- 〈흡기 장치〉, 《네이버 지식백과》
- 웅스웅스, 〈자동차 전문 이야기 - 흡기 시스템의 구성요소와 원리〉, 《티스토리》, 2020-11-05
- 휠라이프, 〈흡기장치의 개념과 구조〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-13
- 디모, 〈자동차 엔진 흡기 계통 용어〉, 《다음 블로그》, 2012-04-06
- 〈엔진 흡배기 장치〉, 《강주원 자동차》
같이 보기[편집]
