배기장치(Exhaust System)는 엔진에서 연소된 가스를 외부로 배출하는 장치이다. 유해 물질의 배출을 줄이고 엔진에서 생성되는 소음을 줄이며 배기가스의 순리로운 외부 배출을 유도한다.
개요
배기장치는 엔진에서 연료와 공기를 연소하면서 생성되는 배기가스를 대기중에 배출하는 장치이다. 엔진 연소실의 작업온도가 1000℃를 초과하기에 배기가스는 고압과 고온상태이며 그 대로 방출할 시 커다란 소음과 열을 배출하게 된다. 처리를 거치지 않은 배기가스는 여러 유해 물질을 함유하고 있어 대기 환경보호에도 문제를 야기시킨다. 이외 배기가스의 원활한 배출은 엔진의 성능에도 직접적인 영향을 미치고 따라서 연비에도 영향을 미친다. 이러한 연유로 배기가스를 방출하기 전에 조치를 취하여 유해물질을 제거하고 소음을 줄이며 가급적 배기가스의 배출을 원활하게 하는 작업은 아주 필요하다.
자동차의 배기장치 디자인에 관련하여 다음의 요구사항들이 있다. 1) 엔진에서 생성되는 소음을 최소로 줄여야 하며 2) 자동차 승객 칸으로 배기가스가 유입되어서는 안 되고 3) 배기가스의 대기 오염을 줄여야 하며 4) 엔진 성능을 향상시키고 연료 효율성을 향상시켜야 한다.
자동차 배기장치는 크게 배기매니폴드(배기다기관, manifold), 촉매변환기(catalytic converter, 觸媒變換器), 머플러(Muffler)로 구성되며 이 외에 각 장치들을 연결하는 배기관, 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서, 배기가스에 포함된 공기 포함 비율을 측정하는 공기비센서 등이 들어 있다.
배기가스가 생성되는 연소실의 온도는 고출력 시 1000℃를 초과하며 따라서 연소실에서 배출되는 배기가스의 온도 또한 950℃정도로 된다. 엔진의 회전수나 여러 조건에 따라 배기가스의 온도에 차이가 있지만 일반적으로 매니폴드(400-800℃), 촉매변환기(100-500℃), 머플러(50-200℃) 등을 순차적으로 흘러 지나가면서 온도가 낮아진다. 이런 상황에 따라 배기장치는 장기간 높은 열에 노출되며 열적 부하가 걸린다. 대부분의 배기장치는 자동차 밑부분에 설치되기에 차체의 진동과 외부 충격에 따른 기계적 부하가 걸리고 배기가스에 포함된 황산이나 수분에 의한 부식 등의 화학적인 부하도 걸린다. 배기장치는 열악한 상황에서 작업을 추진하기에 소모품으로 분류되며 일반적으로 알루미늄을 도금한 스틸 계열을 사용하지만 크롬/니켈/티타늄 등이 포함된 합금 스틸로 제작되어 내구성을 향상시킨 제품들이 있다.[1]
배기장치의 구조 및 구성요소의 역할
배기장치 구조도에서 볼 수 있듯이 배기장치는 배기 매니폴드(Exhaust manifold), 촉매변환기(catalytic converter, 觸媒變換器), 공진기(Resonator), 머플러(Muffler)로 구성되며 이 외에 각 장치들을 연결하는 배기관, 배기가스의 온도를 측정하는 온도센서, 배기가스에 포함된 공기 포함 비율을 측정하는 공기비센서 등이 있다. 각 구성부분의 역할은 아래와 같다.
□ 배기 매니폴드 - 각 실린더 연소실에서 배출되는 배기가스는 먼저 배기 매니폴드를 경유한다. 배기 매니폴드는 각 기통의 연소실과 연결된 다기관으로 여러 연소실에서 배출되는 가스를 수집하여 하나의 배기관으로 전달한다. 여러 기통에서 생성된 배기가스가 매니폴드의 하나의 관에 합쳐지면서 배기 간섭이 발생하는 문제가 있으며 이는 매니폴드의 길이 조정과 배기관의 각도 조절을 통해 해결한다. 실린더의 배기순서를 감안하여 배기관의 길이를 조절하거나 연소실을 그룹으로 나누어 배기관을 모으는 경우도 있다.
□ 촉매변환기 - 위 배기 매니폴드에서 합쳐진 배기가스를 접수하고 유해 물질을 정화하는 역할을 한다. 배기가스에는 불완전연소로 인한 수증기와 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등이 포함되며 이 중에서 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물 등은 유해물질이다. 촉매변환기는 알루미늄에 백금과 로듐, 팔라듐과 같은 희토류 금속을 추가한 물질을 촉매로 사용하여 화학반응을 통해 일산화탄소나 탄화수소를 산화시키고 질소산화물에서 산소를 분리하여 무해한 질소(N2)나 산소(O2)로 변화시킨다. 세 가지 물질의 화학 반응을 일으키기 때문에 삼원 촉매라고도 부른다. 디젤엔진의 경우에 가솔린엔진 대비100배 이상의 질소산화물과 미세먼지가 생성되는 연유로 EGR, DPR, SCR 등의 유해물질 저감장치가 추가 장착되어 정화 작업을 추진한다.
□ 머플러 - 배기장치에서 소음 제거 역할을 한다. 높은 온도와 압력을 가진 배기가스가 좁은 배기장치를 통과하여 대기중에 분출되면 급격하게 팽창하고 소음이 발생한다. 이를 방지하고자 배기장치 끝단에 머플러를 장착하며 머플러에 설치되어 있는 여러 필터를 거쳐 소음이 줄어들고 배기 온도도 낮아진다. 머플러에서 소음을 제거하는 과정에 배기속도가 줄어들면서 엔진 출력에 영향이 발생한다. 보통 15% 정도의 엔진 출력이 떨어지며 이런 사유로 경주용 자동차들의 경우에 출력을 올리기 위해 머플러의 성능을 낮춘다.
□ 공진기 - 공명현상을 이용하여 소음을 제거하는 장치이다. 팽창실 내부의 벽을 통해 배기가스의 소리가 반사되어 돌아오는데 이러한 벽 사이에 거리를 조절하여 반사되어 돌아오는 소리와 이후에 발생된 소리가 만났을 때 음파가 서로 상쇄되면서 소리가 줄어든다.
각주
참고자료
같이 보기
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