자동차 엔진의 공기의 순환을 조절하는 장치 흡배기 시스템, 흡기에 이어 배기 시스템에 대해 알아보겠습니다.
배기 시스템이란?
배기 시스템은 기본적으로 엔진 연소 시 발생하는 배기 가스를 차량 밖으로 내보내는 역할을 합니다. 1000℃ 수준의 유해물질이 함유된 배기 가스를 대기중으로 그대로 방출하면 큰 소음이 발생하는 것은 물론 사고나 환경 문제를 일으킬 수 있는데, 이러한 문제를 방지하고자 배기 시스템에서 유해 물질을 제거하고 소음을 줄여 가스를 배출합니다. 시스템의 주요 요구 사항으로는 1) 엔진에서 생성되는 소음을 최소로 줄여야 하며 2) 탑승 공간으로 배기 가스가 유입되어서는 안되고 3) 대기 오염을 줄여야 하며 4) 엔진 성능 및 연료 효율성 향상시켜야 하는 점이 있습니다.
일반적으로 고온의 열을 견디기 위해 주철을 주로 사용하며 배기 가스의 원활한 흐름을 위해 일체형이 아닌 투인원형 매니폴드를 사용합니다. 동력 손실을 방지하기 위해 가스 배출 시 실린더의 작동 압력과 반대되는 배압을 생성하고 배기 매니폴드 내부에 캐스트 리브 디플렉터 또는 디바이더를 적용하여 저항을 최소화 합니다. 물론 배기 배압은 엔진 성능에 영향을 미치지 않는 정도가 되어야 하죠.
또한 배기 시스템은 엔진 성능과도 연관이 있습니다. 엔진의 동력원인 혼합기는 유입되는 산소와 연료가 많을수록 더 강하고 효율적인 폭발을 일으킵니다. 엔진 연소 과정에서 부득이하게 유독성 배기 가스가 발생 하는데 이 배기 가스는 연소실의 공간을 차지하며 산소의 유입을 방해합니다. 이 배기 가스를 단시간에 더 많이 배출할수록 산소가 들어갈 수 있는 공간이 더 많아지므로, 배기 효율이 좋을수록 자동차의 연소 능력 또한 향상되어 엔진의 성능이 좋아진다고 볼 수 있습니다.
배기 시스템의 구성 요소
배기 시스템의 구성 요소는 배기 매니폴드, 촉매 변환기, 공진기, 머플러, 배기관, 온도센서, 공기비센서 등이 있습니다.
배기 매니폴드는 각 실린더의 연소실과 연결된 다기관으로 여러 연소실에서 배출되는 가스를 경유하게 하여 하나의 배기관으로 전달하는 역할을 합니다. 각 실린더에서 발생하는 배기 가스가 매니 폴드로 유입 시 합류 지점에서 충돌로 인해 불필요한 배압이 발생 할 수 있는데, 이를 방지하기 위해 매니폴드의 길이를 조정하거나 배기관의 길이 또는 각도를 조절합니다. 각 실린더의 배기 순서를 고려하여 배기연소실을 그룹으로 나누어 배기관을 모으는 경우도 있죠.
촉매 변환기는 백금, 팔라듐 및 로듐과 같은 물질로 제작되며 매니폴드를 경유한 배기 가스의 유해 물질을 정화하는 역할을 합니다. 배기 가스 내의 탄화수소, 일산화탄소 및 질소 산화물 등의 유해물질을 이산화탄소, 산소 및 질소로 변환시켜 문제없이 대기중으로 배출 할 수 있게 하죠. 세 가지 물질의 화학 반응을 일으키기 때문에 삼원 촉매라고 부르기도 합니다. 디젤 엔진은 가솔린에 비해 질소 산화물 및 미세 먼지가 훨씬 많이 생성되기 때문에 촉매 변환기 이외에도 EGR, DPR, SCR 등의 유해물질 저감장치가 추가로 장착됩니다.
머플러는 배기 장치 끝단에 장착되는 장치로 여러개의 챔버와 금속, 그리고 필터로 구성되어 있으며 배기 시 발생하는 소음을 제거합니다. 엔진에서 발생한 소음이 머플러 내부로 흘러 들어와 금속에서 반사하는데, 이 과정에서 소음이 다른 소음과 충돌하면서 상쇄되어 줄어들게 됩니다. 또한 온도 역시 배기 가스가 내부의 필터를 거치면서 낮아집니다. 소음을 제어하는 역할을 하기 때문에 같은 엔진이라도 머플러가 다르다면 출력 소음 역시 차이가 있습니다. 배기 가스가 머플러를 지나는 과정에서 배기 속도가 줄어들기 때문에 엔진 출력에 영향을 미칠 수 있으며 일반적으로 15% 정도의 엔진 출력이 감소한다고 합니다.
공기 센서는 배기부에 장착되어 배기 가스에 산소가 얼마나 많이 남아 있는지를 측정합니다. 혼합기의 산소와 연료의 비율은 적당해야 하는데, 산소의 비중이 지나치게 높으면 연소가 제대로 되지 않고 반대로 연료가 과하면 일부 연료가 배기가스와 함께 배출되어 환경 오염과 낭비를 유발하게 됩니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 ECU는 공기 센서에서 측정한 데이터를 연산하여 실린더에 주입하는 연료의 양을 결정합니다.
공진기는 일반적으로 머플러 바로 앞에 장착되어 머플러와 함께 차량의 소음을 줄이는 역할을 합니다. 에코 쳄버와 같은 형태로 제작되어 머플러가 더욱 효과적으로 엔진 소음을 없앨 수 있도록 음파의 형태를 변경하죠. 두 부품이 결합하여 엔진 배기 소음을 최소화 합니다.
자동차 엔진의 주요 구성 알아보기 6-1 흡배기 시스템, 흡기 장치
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