자동차공학)가솔린 엔진의 배기장치

엔진에서 토출 되어 나오는 배기가스는 고온(600 도 ~ 800 도), 고압(3 ~ 5 kgf/cm^2)이므로 그대로 외부로 방출되면 급격한 가스 팽창으로 인해 폭발음이 발생하고 또 화재를 일으킬 염려가 있다. 배기장치(exhaust system)는 고온 고압의 배기가스를 저온 저압의 상태로 바꾸어서 대기 중으로 방출하는 장치이다. 그 기능으로서는 배기가스의 유도, 배기가스에 의한 열화 방지, 배기소음의 저감 등이 있다. 배기장치는 각 실린더의 연소가스를 모으는 배기 매니폴드(exhaust manifold)와 3원촉매(catalic converter), 연소가스가 외부로 유도하는 배기 파이프 및 소음기(muffler) 등으로 구성되어 있다.

1. 배기 매니폴드

2. 3원촉매

3. 배기파이프

4. 소음기

 

1. 배기 매니폴드

흡기 매니폴드와 비슷한 구조로서 각 실린더에서 배출되는 배기를 모아서 배기 파이프와 연결하는 다기관이다. 현재 대부분의 승용차에는 배기정화를 위하여 촉매를 내장한 매니폴드 컨버터가 장착되어 있다. 재질은 일반적으로 주철이 사용되고 있지만 최근에는 주강이나 스테인리스 파이프 제품도 있다.

 

2. 3원촉매

배기가스 중에 포함된 CO나 HC를 H2O와 CO2로 산화시키는 작용과 질소산화물(NOx)을 무해한 질소(N2)나 산소(O2)로 변환시키는 환원작용을 동시에 행하는 촉매를 말한다. 형상은 펠릿형(입상)과 모노리스형(벌집처럼 된 형태)이 있고, 모노리스형이 많이 사용되고 있다. 모노리스(monolith)는 코디어라이트(cordierite)의 재료로 된 일체의 벌집모양의 터널 표면에 팔라듐을 합침시킨 것으로 하이캠형이라고도 한다. 펠릿형과 비교하면 배압의 상승이 적기 때문에 유리하다. 3원촉매는 산화기능과 환원기능을 겸비하고 있으므로 3원촉매의 능력을 충분히 발휘시키기 위해서는 혼합비를 항상 이론공연비에 가깝도록 해 두어야 한다. O2센서가 배기가스 중의 산소 농도를 검지하여 공연비 컨트롤하고 있다.

 

3. 배기파이프

배기 파이프는 배기 매니폴드에서 나오는 배기가스를 외부로 방출하는 강관이며 배기가스열의 일부를 발산하는 역할도 한다. 이것은 소음기의 수나 촉매 컨버터 등의 부착에 따라 앞, 중간, 뒷 파이프 등 몇 개로 나누어진다.

 

4. 소음기

엔진에서 배출되는 연소가스를 팽창시켜 배기가스의 온도와 압력을 낮추고 배기소음을 저감 하는 장치이다. 그 구조는 배기의 순차적인 팽창, 음파의 공명 간섭, 흡수 냉각 등의 원리를 이용하고 있다. 소음기는 보통 1mm 정도의 철판을 원통형으로 만들고 내부는 수매의 판으로 구획도어 있다. 소음기에 들어간 배기는 칸막이 판의 작은 구멍을 지나가는 동안에 서서히 팽창하여 압력과 온도를 떨어뜨린 후 외부로 배출된다. 현재 소음기의 소음성능과 배기성능을 향상하는 방법으로 능동형 소음기,  반능동형 소음기, 듀얼 소음기 등이 있다.

 

듀얼 소음기 : 일반 소음기를 단순히 2개 장착하여 용적을 확장함으로써 배기 성능을 향상한 것이다. 이것은 배기 간섭을 경감하기 위해 순차적으로 연소를 반복하는 4기통중 배기관을 1번과 4번, 2번과 3번의 2계열로 나누고 서로의 배기행정이 중복되지 않도록 한 시스템이다. 배기효율이 향상되어 출력 향상으로 연결된다. 그러나 듀얼 소음기는 자동차 하부에 공간확보가 필요하며, 차체 크기가 작은 소형차에는 적용이 불가능하다. 고급차량에 주로 사용된다.

 

반능동형 소음기 : 형상은 내부 구조가 고정되어 있는 수동형 소음기(passive muffler)와 유사하다. 수동형 소음기는 주로 연소가 불안정한 중, 저속에서 발생하는 소음과 진동을 고려하여 설계하고 있어 고속에서는 성능이 저하된다. 반능동형 소음기는 가변 밸브를 채용하여 고속영역에서는 밸브를 개방하여  배압의 증가를 억제하여 전회전 속도 영역에서 고른 동력성능을 유지하도록 한 것이다. 이것은 보조 소음기를 추가하여 소음을 개선하거나 혹은 배기관과 소음기의 용적을 늘리는 방법이 주로 사용되고 있으며 새로운 통로 변화형 듀얼 소음기와 단순 확장형 소음기에 댐퍼시스템을 적용한 소음기도 개발되고 있다. 배기 가변 밸브 소음기(EVV muffler, exhaust variable valve muffler)는 기존 수동형 소음기의 구조를 간단히 변경하고, 거기에 필요한 스프링 상수나 밸브의 형상을 변화시킬 수 있어 폭넓은 운전영역에서 보다 향상된 소음기의 성능을 얻을 수 있다. 

 

능동형 소음기 : 자동차의 배압과 소음특성에 따라 소음기의 유입경로를 바꿈으로써 배압을 조절하여 배기효율의 향상과 저속 회전 구간에서의 정숙성을 양립시킨 배기시스템으로서 액티브 배기 시스템(active exhaust system)이라고도 한다. 구경이 다른 2개의 입구를 가진 머플러의 대구경 쪽 입구에 설치된 교환밸브가 개폐되어 연비와 동력 성능의 향상을 도모한 정상모드(절환밸브 열림)와 저속 회전 구간에서의 정숙성의 향상을 도모한 정상모드(절환밸브 닫힘)의 두 가지로 바꿀 수 있다. 모드의 절환은 엔진 회전수 및 엑셀 페달 개도에 따라서 제어되지만 모드 절환 스위치에 의해 항상 정상 모드를 유지할 수도 있다. 따라서 능동형 소음기는 배기가스 통로 변화용 서보 장치와 이것을 조절할 제어장치가 필요하다. 이 시스템은 엔진 ECU에 의해서 제어되므로 소음기의 성능은 뛰어나지만 구조가 복잡하고 부가적인 장치가 많이 요구되기 때문에 생산단가가 상승하는 단점이 있다.