굴삭기 운전 기능사 필기 요약 7 - 공기가 연료가 연소되어 배기가스가 되는 과정

  굴삭기 운전 기능사 필기 내용 중 내연기관에 대한 내용을 포스팅하고 있습니다. 지금까지는 엔진에서 흐르는 액체에 대해서 알아보았습니다. 즉, 엔진오일, 연료, 냉각수가 엔진에서 어떤 기능을 하는지에 대해서 알아보았는데, 오늘은 엔진에서 흐르는 기체에 대해서 살펴볼까 합니다. 기체는 공기가 들어가서 배기가스가 나오는 과정으로 요약할 수 있습니다. 

  엔진룸의 모습을 먼저 한번 보시겠습니다. 엔진이 있고 오른쪽 부분에 쭈글쭈글한 굵은 호스가 있습니다. 그리고 이 끝부분에 연결되어 있는 사각박스가 있습니다. 이 부분에서부터 공기가 흡입되어 엔진으로 들어가게 됩니다.

<출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Honda_K24A_Engine_01.JPG>

1. 흡기 과정

  달리는 차 앞부분에서 공기가 들어간 후에 위에 사각 박스, 즉 에어필터를 거치게 됩니다. 에어 필터는 다음과 같이 생긴 부품인데 보통 엔진오일을 교환할 때 같이 교환해 주는 부품입니다. 건식 방법의 에어 필터인데 공기를 필터링해서 이물질이 엔진 내부로 들어가지 못하도록 하는 역할을 합니다. 엔진 내부의 연소실에서는 피스톤이 빠르게 왕복운동하기 때문에 이물질이 들어가게 되면 마모를 발생시키게 됩니다. 필터를 오래 사용해서 공기가 잘 흐르지 못하게 막히게 되면 흐름 저항이 생기므로 공기가 엔진으로 잘 들어가지 못하게 됩니다. 이렇게 되면 연소가 불안정해지고, 이에 따라 엔진 출력이 저하되는 문제가 생깁니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Air_filter>

  공기는 이 에어필터에서 이물질이 여과된 뒤 앞서 보았던 굵은 호스를 거쳐 엔진 내부로 들어가게 되는데 이 사이에 스로틀 밸브가 있습니다. 엔진의 출력을 조절하기 위해서 스로틀 밸브가 설치되어 있는 것인데 흡입되는 공기량을 조절할 수 있습니다. 그래서 운전자가 밟는 가속 페달이 이 스로틀 밸브와 직접적으로 연동되어 있습니다. 가속 페달을 밟아서 스로틀 밸브가 차츰 열리게 되면 흡입되는 공기량이 늘어나고 이에 따라 엔진 출력이 증가하게 됩니다.

  다음 그림은 엔진 내부의 단면을 볼 수 있도록 자른 그림입니다. 이 엔진에서 윗 부분을 보면 공기를 흡입하여 연소실로 보낼 수 있는 흡기 매니폴드가 설치되어 있는 모습을 볼 수 있습니다. 흡기 다기관이라고도 하는데 단면이 보이시죠? 흡입된 공기를 각 실린더로 잘 분배해서 보낼 수 있도록 하며, 유체역학적으로 공기의 흐름을 방해하지 않도록 설계되어 있습니다. 흡입된 공기는 예전 포스팅에서 다루었던 흡기 밸브가 열림에 따라 연소실 내부로 들어가게 되고, 연료와 혼합되어 폭발을 하게 됩니다. 아래 엔진은 실린더가 8개인 V8 엔진인데 잘린 단면 사이로 피스톤이 두개가 보입니다. 각 실린더에서는 다시 연소가 되고 남은 배기 가스가 빠져나오게 되는데 이 배기 매니폴드는 아래쪽 검은 색의 관입니다. 아래쪽 전면에 4개의 실린더에서 나오는 배기가스가 뭉쳐져셔 하나의 관으로 빠져나오는데, 반대쪽 4개의 실린더에서도 똑같이 배기가스가 나오는 관이 보이실 겁니다. V자 형태의 대칭 형상으로 안보이는 부분은 상상해 보시기 바랍니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/V8_engine>

  엔진의 종류에 따라 설계 도면이 다르겠지만, 아래 그림은 흡기 다기관의 그림입니다.

2. 연소와 배기 과정

  실린더 내부 연소실로 흡기 다기관을 통해 들어온 공기는 연소가 된 후 배출 가스가 됩니다. 공기의 성분은 질소, 산소, 이산화탄소로 이루어져 있습니다. 공기는 연료와 섞여서 연소라는 화학작용을 통해 배기가스가 생성되는데 이 배기 가스 또한 위 원소들의 조합으로 이루어지는 화학물질이 만들어 집니다. 물, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등입니다.

  H, N, O, C로 이루어진 기체들이 배기가스를 만들어내는데, H20, N2, CO2, CO, HC, NOx 로 표현합니다. 이 중에서는 인체에 무해한 물질도 있지만, 유해한 물질도 있습니다. 그래서 유해한 물질의 경우는 그 배출량을 제한할 수 있도록 규제가 법률로 정해져 있습니다. 대표적인 유해 가스는 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소 입니다.

  유해 가스가 생성되는 이유는 무엇일까요? 우선 불완전연소가 있습니다. 불완전연소가 되면 탄화수소, 일산화탄소가 생성되기 때문에 최대한 완전 연소를 시킬 수 있도록 해야 합니다. 그리고 연소 온도가 너무 높아지게 되면 질소산화물이 생성됩니다. 이를 막기 위해서는 분사 시기를 늦추고 연소실 내에서 공기가 잘 퍼져 있도록 해야 연소 온도를 낮출 수 있습니다.

  배기 가스는 대부분 배기 밸브가 열리게 되면 배기 매니폴드를 통해 빠져나가게 되는데, 피스톤과 실린더 내벽 사이에 틈이 마모로 인해 틈이 생기게 되면 이 사이로 빠져나갈 수도 있습니다. 이를 블로바이라고 합니다. 그러면 크랭크 축과 엔진 오일이 있는 쪽으로 흘러가서 슬러지를 만들어 내기 때문에 이를 외부로 배출할 수 있도록 해야 합니다.

  배기 매니폴드를 거친 배기 가스는 최종적으로 소음기(머플러)를 거쳐서 차량 외부로 배출됩니다. 차량 하부에서 볼 수 있는 머플러 그림은 아래와 같습니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminized_steel>

 

  앞서 설명했던 배기 매니폴드와 배기관이 연결되어 있으며 소음기를 지나면서 배기가스가 배출될 때 나는 소음을 줄여주게 됩니다. 배기관이 직진 형태가 아니라 꼬여있는 것은 배기가스의 속도를 줄여서 소음을 줄여주는 효과를 내기 위해서 입니다. 하지만 배기가스가 배출되는데 저항이 생기면 원활한 배기 행정이 이루어지지 못할 수 있으므로 엔진 출력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있습니다. 소음기에는 배기 가스의 정화 역할을 할 수 있는 백금촉매가 들어 있습니다.

3. 터보차저와 슈퍼차저

  공기의 전체적인 흐름에 대해서 알아보았습니다.

  이번에는 터보차저와 슈퍼차저에 대해서 이야기 해보겠습니다. 이 두 장치는 모두 흡기 매니 폴드를 통해 들어가는 공기의 양을 늘려서 엔진의 출력을 높이기 위해 사용되는 장치입니다. 과급기라고도 하는데, 터보차저와 슈퍼차저는 그 구동되는 동력이 다를 뿐 결국엔 실린더 내부로 흡입되는 공기량을 늘려줍니다. 다만, 공기만 많이 들어간다고 해서 연소되는 폭발력이 증가하는 것이 아니라 그만큼 연료도 더 많이 들어가서 혼합이 되어야 합니다. 그 비율이 정해져 있는데 과급기를 설치할 경우 연료 분사 노즐에서 더 많은 연료가 분사될 수 있도록 해주어야 합니다.

  터보차저는 흡입되는 공기를 압축하기 위해 돌아가는 터빈이 배기 매니폴드에서 나오는 배기가스가 흐를 때 생기는 힘으로 돌아갑니다. 그리고 슈퍼처자는 이 터빈을 크랭크 축과 벨트로 연동해서 돌아가는 것이 차이점입니다. 두 장치 간의 장단점이 있는데 배기 가스의 흐름을 이용하는 터보 차저는 그 제어가 정확하게 이루어지지 않아서 반응성이 느리다는 단점이 있습니다. 또한 엔진 속도가 느릴때는 배기가스가 빠르게 흐르지 않기 때문에, 이 힘을 이용하는 터보 차저는 저속일 때 공기 과급이 잘 되지 않습니다.

  이번 포스팅에서는 공기가 어디에서 어디로 흘러 연료와 만나 폭발을 하고 배기가스가 되는지 알아보았습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요!