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흡배기장치
흡배기장치(吸排氣裝置)는 외부의 공기부터 실린더까지의 공기 흐름을 제어하는 흡기장치(lntake System)와 실린더에서 만들어진 배기가스를 밖으로 배출하는 장치인 배기장치(Exhaust System)를 합하여 부르는 말이다. 흡기장치는 흡기구, 에어필터, 스로틀밸브, 흡기 매니폴드로 구성되며 각 장치는 에어덕트와 같은 파이프로 연결된다.[1] 그리고 배기장치는 크게 각 실린더에서 생성된 배기가스를 모아주는 배기 매니폴드, 공기정화장치인 촉매변환기, 소음과 열을 저감시키는 머플러로 구성이 된다.[2]
목차
개요
자동차의 흡기, 배기의 장치의 기능은 엔진에 있어서 대단히 중요한 역할을 한다. 혼합기의 통로와 배출가스의 통로, 대기오염을 없애기 위해서도 빼놓을 수 없는 부분으로 사람과 비교하여 엔진이 숨을 쉬게 하는 원동력이 된다. 엔진을 구동하기 위해 대기 중의 공기와 연료가 혼합되어 연소실로 유입이 되어야 하며, 폭발 후 연소가스는 대기 중으로 배출되어야 한다.[3]
흡기장치
자동차에서 흡기장치는 말 그대로 공기를 엔진에 보내는 장치로서 엔진의 효과적인 연소를 위해 흡기행정이 필요한 공기를 적절하게 공급하게 된다. 엔진을 개발할 때에는 연소실과 밸브 시스템 등을 바꾸어 가며 여러 성격의 엔진을 만든다. 특히 엔진 4행정 사이클의 효율을 높이는 것은 성능 향상의 포인트다. 그중 흡기 행정의 경우 효율이 좋지 못하면 이후로 이루어지는 압축 폭발 배기 행정이 아무리 효율이 좋아도 그만큼의 효과를 보지 못하게 된다. 이러한 흡기 행정이 잘 이루어질 수 있도록 도와주는 보조 장치 중 하나가 바로 흡기장치가 된다. 흡기장치에 역할에 있어 공기를 원활하게 공급하는 것도 있지만 중요한 다른 역할 중 다른 하나는 공기를 빨아들이는 소리를 조절하는 역할을 한다. 이는 흡기장치 중간이나 특히 에어필터의 앞뒤에 일정 공간을 가진 챔버가 장착되는데, 챔버는 공기의 흐름을 원활하게 하거나 공기의 흐름 시 발생하는 진동 주파수를 조절하여 탑승자가 듣기 좋은 주파수로 조절하도록 설계된다.[1]
구조
외부 공기로부터 흡기구로부터 흡기한 공기를 에어클리너에서 정화한 다음 에어덕트를 지나 스로틀밸브에서 공기량을 조정하게 된다. 그 후 흡기다기관이라고 하는 분기관에서 각 실린더헤드의 흡기포트로 보내게 된다. 흡기포트에서 인젝터가 분사하는 연료와 섞이면서 혼합기로 만들어진 실린더로 들어가게 된다.[4]
흡기구
흡기구는 외부 공기가 유입하는 곳이며, 자동차의 프런트그릴 안으로 들어오는 공기를 흡입구를 통해 흘러들어오게 된다. 일반적으로 차량의 앞 범퍼 뒤쪽에 엔진에 위치하게 된다. 흡기구 장착 시 가장 중요한 것은 물이 들어오지 않는 장소에 설치되어야 하는데 오프로드 차량은 물이 들어가면 안되므로 일반 승용차보다 높은 위치에 있게 되고, 스포츠카는 효율적인 흡기를 위해 흡기구가 바로 보닛 위에 설치된 모델도 있다.[5] 만약 흡기구를 통해 다량의 물이 유입된다면 엔진이 침수되어 재기능을 못 하게 된다. 심지어 재기동도 하지 않는다. 흡기장치를 통해 흘러 들어온 물이 엔진 연소실로 들어가 엔진 연소를 방해하고 엔진의 부품을 손상시키는 원인이 된다. 이는 압축 행정 시 연소실내의 물이 존재할 경우 물의 낮은 압축률로 인해 압축행정이 제대로 이루어지지 못하게 하고 혼합기가 연소하는 것도 방해하기 때문이다. 따라서 비가 오거나 물이 많은 곳을 주행할 경우 흡기구의 위치를 파악하여 최대한 물이 들어가지 않게 해야 한다.[1] 흡기구의 위치는 전반적으로 수입차는 국산차보다 흡기구가 낮다는데 이는 수입차는 고출력 엔진을 선호하기 때문에 출력을 높이기 위해 터보 차저나 인터쿨러 같은 추가 부품을 장착한다. 이 부품의 위치가 차량의 낮은 부분에 있으면 흡기구가 높기 어렵기 때문이다. 즉, 성능상의 이유로 흡입구의 위치가 다르다.[6]
에어 클리너
에어 클리너(Air cleaner)는 에어필터라고 하며, 흡기구를 통해 들어온 공기가 에어덕트를 통해 에어필터로 보내주어 공기 속에 이물질을 제거하여 깨끗한 공기가 엔진으로 들어갈 수 있도록 도와주는 장치이다.[1] 일반적으로 대기 중 공기는 질소 78%, 산소 20%가 주된 요소이며, 수소, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 크리프톤, 헬륩, 제논 등등 여러 가지 기타 가스들이 극소수 함유되어 있습니다. 그리고 외부환경과 계절에 따라 공기에는 매연, 먼지와 꽃가루, 카본 찌꺼기 등 많은 오염 물질들이 함유되어 유입되므로 엔진 부품들의 마모성과 원활한 공기 유입을 하기 위해 에어클리너가 장착되어 있는 것이다.[7] 에어 클리너에서 걸러진 깨끗한 공기의 유입은 연소의 효율을 높이게 되는데, 에어클리너가 공기중의 불순물을 걸러내지 못하여 불순물의 유입이 늘어나게 되면 연소 효율을 떨어트리고 엔진의 수명을 단축시키게 된다. 이러한 이유로 에어 클리너의 관리와 교체가 필요해진다. 필터는 차종 또는 그 필터의 종류에 판 모양, 원 모양 등등 규격이 달라진다. 필터의 수명은 보통 2~3만 km마다 갈아주는 것이 좋은데, 세척식의 에어 클리너가 있어서 세척후 재사용이 가능하다. 하지만 가격이 비싸고 재사용 할수록 완벽하게 세척이 되지 않아 조직이 상하기 때문에 기능이 점점 떨어지게 된다. 교체식 에어클리너를 사용할 때 정확한 교체주기는 차량 매뉴얼을 통해 확인이 가능하기 때문에 그 주기마다 교체하면 된다.교체는 대체적으로 공구가 전혀 필요하지 않거나, 최소한의 드라이버 같은 공구만으로도 가능하기 때문에 쉽게 교체가 가능하다. 에어 클리너의 경우 공기정화의 역할뿐만 아니라 공기의 유입속도를 일정하게 조정하여 실린더와 공기와의 연료의 혼합비를 맞추는 역할도 한다. 지나치게 과도한 공기가 빠른 속도로 흡입되면, 혼합비가 맞지 않아 엔진의 부조화가 일어나기 쉬운데, 이때 흡기 필터는 적당한 속도를 유지해 흡입량을 조절하는 기능을 담당하는 것이다.[1] 이로인하여 과다공기 흡입으로 인한 소음을 감소시켜지는 장점도 생긴다.
스로틀 밸브
스로틀 밸브는 스로틀 바디안에서 엔진으로 유입되는 공기량을 조절해 주는 장치이다. 운전자가 악셀레이터를 밟는 만큼 스로틀밸브가 비례해서 열리고 그에 맞는 비례하는 공기량이 엔진으로 흡입하게 된다. 스로틀 밸브는 카뷰레터에 조립되어 있지만 전자 제어식 연료 분사 장치는 흡기 계통에 독립하여 장착되어 있는 스로틀 바디내에 설치되어 있어 공기 유량을 측정하는 에어 플로 센서 또는 스로틀 밸브의 열리는 상태를 확인하는 스로틀 포지션 센서와 일체화되어 있는 것이 많으며 버터 플라이 방식과 슬라이드 방식이 존재한다.[7] 저속에서는 열림각을 작게하여 엔진으로 들어가는 공기를 작게 하고 고속에서는 열림각을 크게 하여 흡기량을 증가 시킨다. 현재는 단순히 가속페달을 밟는 것뿐 아니라 엔진 컨트롤 유닛과 결합하여 운행환경을 고려하여 열림각을 조절하기도 하고 스로틀 밸브를 없애고 흡기밸브로 흡기량을 조절하는 경우도 있다.[1] 대표적인 예로 BMW는 스로틀 밸브를 사용하지 않는데 밸브가 열리고 닫히는 과정이 공기 흐름을 방해하는 요소로 생각했기 때문이다. 그래서 스로틀 밸브 대신 엔진의 흡기 밸브를 활용해 공기를 엔진으로 흘러보냈다. 이 기술을 '밸브트로닉'이라고 부른다. 디젤엔진도 스로틀 밸브를 사용하지 않는다. 가솔린 엔진과 달리 공기 흡입량이 아닌 연료 분사량에 맞춰 엔진이 힘을 내고 줄이는 방식을 사용하기 때문이다. 대신 스로틀 밸브 비슷한 부품이 장착된다. 이것은 배기가스 재순환 시스템(EGR)을 통해 되돌아온 가스와 공기를 적절하게 섞는 역할과 시동이 꺼질 때 부드럽게 멈추기 위해 사용하는 것이다. 이것을 스로틀 플랩이라고 부른다. 또한 스로틀 밸브가 각각의 실린더에 개별적으로 장착되기도 하는데 이는 공기가 흘러가는 통로를 최대한 짧게 하여 저항을 줄여 엔진 반응성을 높이기 위함이다. 이러한 구조를 독립 스로틀이라고 한다.[8] 한편 카뷰레터는 분무기로 물을 뿌리듯, 공기와 휴발유를 섞은 기체를 엔진의 흡기 매니폴드로 전달시켜 엔진을 구동하게하는 핵심장치이다.[9]
흡기 매니폴드
흡기 매니폴드는 스로틀밸브로 이어져오던 하나의 관이 각 실린더마다 여러관으로 나누어져 공기를 배분하는 것으로 흡기다기관이라고도 한다. 흡입된 공기는 서로 인접해 있는 관에 있어 엔진이 동작하게 되면 매니폴드에 마이너스 압력이 걸려 압력상태가 떨어지게 되는데, 파이프끼리 서로 간섭하여 공기 흐름에 좋지 않은 영향을 주는 경우를 방지하기 위해 공기를 보내기 전 서지 탱크라는 적당한 체적의 공기탱크를 마련하여 이를 보안하게 된다. 서지탱크에 의해 각 실린더로 보내지는 공기의 간섭이 완화되어 흡기 행정의 효율을 높이게 된다.[1] 방식으로 흡입공기가 매니폴드에서 나누어지기 전에 분사되는 연료 분사 방식이 있고, 각 실린더로 공기가 흡입되어 실린더로 직접 연료가 분사되는 방식이 존재한다. 복잡한 구조의 매니폴트는 엔진 속도와 부하에 따라 공기를 우회시켜 실린더로 유입시키기도 한다.[7] 한편 서지탱크는 각 실린더 별로 안정된 흐름으로 공기가 흡입되도록 하는 공기탱크이다.
배기 장치
자동차에서 연소 후 생성되는 배기가스는 엔진의 4행정이 효과적으로 이루어질 수 있도록 원활히 배출되어야 한다. 흡기장치에 의해 엔진으로 들어온 공기는 엔진의 연소 후 배기장치를 따라 공기 중으로 배출되는데 엔진의 연소과정에서 생성된 연소가스는 높은 압력과 고온을 가지게 된다. 이를 그대로 방출하게 되면 커다란 소음과 높은 열을 발산하며, 연소 과정에서 생성되는 질소산화물과 같은 대기 오염물질을 포함하고 있어 방출 전 여러 조치가 필요하다. 배기장치는 크게 각 실린더에서 생성된 배기가스를 모아주는 배기 매니폴드, 공기정화장치인 촉매변환기, 소음과 열을 저감시키는 머플러로 구성된다. 엔진의 연소 시 연소실의 온도는 매우 높으며 고출력 시 1,000도 이상 상승하기도 하는데 이로 인해 연소 후 생성되는 배기가스 또한 대략 950도의 온도를 가지게 된다. 이를 각각 과정을 거처 점차 온도를 낮추게 된다. 이러한 과정에서 배기 장치들은 장시간 높은 열에 노출이 되고, 자동차의 하부에 장착되기 때문에 차체의 진동 및 외부 충격에 의한 기계적 부하와, 배기가스에 포함된 황산이나 수분에 의한 부식 등 화학적 부하도 가해진다. 그리하여 배기파이프를 바디에 고무를 이용하여 매달아놓아 진동을 줄이거나 배기장치를 알루미늄으로 도금한 스틸계열을 사용하게 된다. 크롬, 니켈, 티타늄이 포함된 합금 스틸로 제작하여 내구성을 높이기도 한다.[2]
구조
실린더에서 만들어진 배기가스가 실린더헤드의 배기포트에 장착된 배기 매니폴드에 모아진 다음 촉매변환기에 정화되고, 배기파이프를 지나 머플러를 통하여 배출이 되는 과정이다.[4]
배기 매니폴드
배기 매니폴드는 실린더에서 연소를 마치고 나온 배기가스를 모으는 구조로, 여러 실린더에서 나온 파이프가 한곳에 모여 머플러로 이어진다. 흡입 매니폴드가 각 실린더마다 공기를 배분하는 것과 반대인 샘이다. 배기 매니폴드는 각 기통의 연소실과 연결된 다기관으로 연소실로부터 배출되는 배기가스를 원활하게 배기장치 및 배기관으로 전달하는 역할을 한다 해서 배기다기관이라고도 한다. 배출되는 배기가스는 높은 온도가 끊임없이 흐르기 때문에 세라믹 또는 광택 크롬으로 코팅된 배기 매니폴드도 있지만, 보편적으로 내열성과 열에 의한 수축과 팽창이 적은 주철 소재와 스테인리스 스틸을 많이 사용한다.[10] 배기는 흡기에 비해 각 기통에서 생성된 배기가스의 흐름이 서로 영향을 끼치는 경우가 많다. 여러 기통에서 만들어진 배기가스가 매니폴드의 하나의 관으로 합쳐지면서 서로 부딪히며 배기의 흐름이 나빠지게 되는데 이를 배기 간섭이라고 한다. 이 배기간섭으로 생기는 압력을 배압이라고 하는데 특히 엔진 회전이 빨라질수록 배기가스와 배압이 커지기 때문에 이를 줄일 수 있도록 설계하는 것이 원칙이다. 보통은 배기 매니폴드를 길게 하거나 배기관의 각도조절을 하는 것을 기본으로 한다. 이외에도 실린더의 배기 순서를 고려하여 배기관의 길이를 달리하거나 연소실을 4~8개의 파이프가 하나의 그룹으로 나누어 배기관을 모으는 형태를 가지기도 한다.
촉매변환기
촉매변환기는 배기가스의 유해한 물질, 연소되지 않은 물질인 이산화탄소, 탄화수소, 질소 산화물을 산소와 화학반응시킴으로 무해한 물과 이산화탄소, 질소로 바꾸어주는 장치이다. 즉, 정화장치라고 생각하면 된다. 배기가스 규제가 강화됨에 따라 배기가스의 유해성분을 정화하는 장치로 개발된 것이다. 촉매변환기에서 쓰이는 촉매는 자신은 변화하지 않으면서 특정한 조건에서 반응물질의 산화 또는 환원작용을 돕는 물질을 말하며 백금, 로듐, 바나듐, 구리, 망간 등의 귀금속으로, 알갱이 또는 벌집 형태로 만들어 용기에 채워지게 된다.[10] 이러한 촉매가 설치된 촉매변환기를 배기가스가 통과하며, 배기가스 내 3대 오염 물질의 화학반응을 통해 이산화탄소/물/질소와 같은 무해한 물질로 전환 시킨다. 세 가지 물질의 화학 반응을 일으키기 때문에 삼원 촉매라고도 부른다. 촉매는 온도가 높은 쪽에서 잘 반응 하기때문에 보통 그조스트 매니폴드 근처에 장착된다.[4] 촉매변환기에 의해 화학반응을 일으키기 위해서는 배기가스 내 유해 물질의 비율이 적정 범위 내에 있어야 한다. 따라서 배기장치 중간에 산소 센서(공기비센서)를 장착하여 흡기 시 공기 – 연료 혼합비를 최적화하여 배기가스 내 유해 물질의 비율이 일정하게 유지되도록 한다. 가솔린과 디젤 또는 연료의 품질에 따라 차이는 있지만 이론적으로 가솔린 기관의 최적의 연료 공기 혼합비는 연료(1kg) : 공기(15kg)이다.[2] 옥탄가를 높여 엔진 노킹을 줄이기 위해 휘발유에 납 성분을 넣기도 하는데, 납은 촉매가 제 역할을 하지 못하도록 만들기 때문에 촉매변환기가 달린 차에는 반드시 납 성분이 들어있지 않은 무연휘발유를 써야 한다. 가솔린 엔진에 비해 최대 100배 이상의 질소 산화물과 미세먼지가 생성되는 디젤 엔진일 경우 EGR, DPF, SCR 등의 추가적인 유해가스 저감장치를 추가로 사용하여 높은 비중의 유해물질을 정화하게 된다.
머플러
머플러는 배기가스를 단계적으로 팽창시키거나 소음을 흡수하거나 소음을 반사해 음과 음을 부딪치게 하는 방법으로 압력과 온도를 낮춰 소음을 줄인다. 배기가스를 대기 중 방출 시 급격한 팽창으로 인하여 격렬한 폭음이 발생하게 되는데, 머플러에 있는 여러 필터를 거치며 소음을 줄이고 배기의 온도 또한 낮추는 역할을 하게 된다. 머플러는 팽창형, 공명형, 흡음형의 3종류가 합쳐진 것으로 내부가 몇 개의 공간으로 나누어지며 작은 구멍이 많이 뚫려있는 파이프로 연결되어 있다.[11] 팽창식은 머플러 내부에 몇 개의 팽창실로 공간을 나누어 배기가스가 이러한 팽창실을 지나며 단계적으로 압력을 낮춰 소음 발생을 억제한다. 이는 관의 단면을 갑자기 확대 또는 축소시켜 관을 지나가는 음파를 간섭 시켜 소리를 줄이는 원리의 방식이다. 공명현상을 이용하여 소음을 줄이는 공명식은 팽창실 내부의 벽을 통해 배기가스의 소리가 반사되어 돌아오는데 이러한 벽 사이에 거리를 조절하여 반사되어 돌아오는 소리와 이후에 발생된 소리가 만났을 때 음파가 서로 상쇄되어 소리가 작아지는 지점을 찾아 공명 현상을 일으키는 방식이다. 흡음식의 경우 배기가스가 다공질의 흡음재를 통과하며 소음 에너지를 마찰 에너지에 의한 열에너지로 변환하는 방식이다. 머플러 내에는 유리 섬유 등으로 만들어진 흡음재가 들어가 있다. 머플러로 들어온 배기가스는 흡음재와 만나 소리 에너지(운동에너지)를 빼앗기게 된다. 특히 고주파수 소음을 컨트롤할 때 자주 사용되는 방식으로 대부분의 복합 머플러 방식에 장착된다.[2] 팽창식, 공명식, 흡음식등이 복합적으로 사용되어 머플러가 만들어진다. 소음을 줄이기 위해 용기 내부의 구조를 복잡하게 하고 배기가스가 지나가는 통로를 길게 할수록 소음은 줄어들지만, 배기저항이 커져 엔진 출력이 낮아지는 문제가 생긴다. 따라서 머플러의 크기와 구조는 차의 성능과 소음을 모두 고려해 설계한다. 배기음의 음색을 조절해 차에 탄 사람이 듣기 좋도록 조율하는 것도 머플러의 역할 중 하나다.[10]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 휠라이프, 〈"흡기 장치" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-13
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 휠라이프, 〈"배기 장치" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-20
- ↑ 카카오, 〈흡배기장치〉, 《네이버 블로그》, 2005-01-02
- ↑ 4.0 4.1 4.2 강과장의 자동차 세상, 〈강과장이 알려주는 자동차 상식 - 흡기, 배기장치〉, 《티스토리》, 2017-09-06
- ↑ 작년이맘때쯤, 〈자동차공기흡입 경로 - 흡기계통: 스로틀바디,스로틀밸브,에어클리너,서지탱크,흡기매니폴드〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-24
- ↑ 서영민 기자, 〈침수지역 지나갈 때, 다른 차는 괜찮은데 내 차는 왜?〉, 《KBS NEWS》, 2019-07-13
- ↑ 7.0 7.1 7.2 웅스웅스, 〈자동차 전문 이야기 - 흡기 시스템의 구성요소와 원리〉, 《ratchet》, 2020-11-05
- ↑ 김선웅 기자, 〈공기 양을 조절한다, 스로틀 밸브〉, 《오토뷰》, 2020-10-08
- ↑ 〈카뷰레터〉, 《나무위키》
- ↑ 10.0 10.1 10.2 착한아저씨, 〈엔진의 흡·배기 및 연료계통 〉, 《다음 블로그》, 2010-12-18
- ↑ 학습매니저, 〈흡배기 장치/배출가스 제어〉, 《네이버 블로그》, 2019-12-22
참고자료
- 휠라이프, 〈"흡기 장치" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-13
- 휠라이프, 〈"배기 장치" -자동차상식 엔진편-〉, 《네이버 포스트》, 2017-07-20
- 카카오, 〈흡배기장치〉, 《네이버 블로그》, 2005-01-02
- 강과장의 자동차 세상, 〈강과장이 알려주는 자동차 상식 - 흡기, 배기장치〉, 《티스토리》, 2017-09-06
- 작년이맘때쯤, 〈자동차공기흡입 경로 - 흡기계통: 스로틀바디,스로틀밸브,에어클리너,서지탱크,흡기매니폴드〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-24
- 서영민 기자, 〈침수지역 지나갈 때, 다른 차는 괜찮은데 내 차는 왜?〉, 《KBS NEWS》, 2019-07-13
- 웅스웅스, 〈자동차 전문 이야기 - 흡기 시스템의 구성요소와 원리〉, 《ratchet》, 2020-11-05
- 김선웅 기자, 〈공기 양을 조절한다, 스로틀 밸브〉, 《오토뷰》, 2020-10-08
- 〈카뷰레터〉, 《나무위키》
- 착한아저씨, 〈엔진의 흡·배기 및 연료계통 〉, 《다음 블로그》, 2010-12-18
- 학습매니저, 〈흡배기 장치/배출가스 제어〉, 《네이버 블로그》, 2019-12-22
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