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기관을 작동시키기 위해 실린더안에 혼합기를 흡입하고 연소된 가스를 외부로 배출하는 것이 흡배기장치이다.
흡기장치(Intake System)는 흡입하는 공기속에 들어 있는 먼지등의 이물질을 제거하는 공기청정기(Air Cleaner)와 기화기에서 만든 혼합기를 공급하는 관인 흡기 매니폴드(Intake Manifold)로 구성되어 있다.
배기장치(Exhaust System)는 엔진구조의 최후에 있는 부품이며 배기가스의 통로인 배기관은 소음과 배기가스의 저감에 직접적인 영향을 주는 중요한 부품이다. 연소가스를 모으는 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)와 외부로 나가는 배기파이프 및 소음기(Muffler) 등으로 되어 있다. 한편 공해저감을 위한 배기가스 장치로서 촉매장치와 배기가스 재순환장치(EGR)가 있고 엔진출력향상을 위한 과급장치가 있다.
■ 배기가스
배기가스란 실린더안에서 연소한 다음 배기 파이프를 통해 외부로 배출되는 가스를 말하며, 배기가스의 성분은 대부분이 무해한 수증기(H₂O), 질소(N₂), 탄산가스(CO₂) 등이나 유해 물질로는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 외에 약간의 납산화물과 탄소 입자 등이 함유되어 있다.
여기서 공해방지를 위한 감소 대상 물질은 주로 CO, HC, NOx이다.
■ 블로바이가스(blow by gas)
블로우바이가스는 피스톤과 실린더의 틈새를 지나 크랭크 케이스 안으로 빠져 나가는 가스이며, 크랭크 케이스 에미션(crankcase emission)이라고도 한다. 블로바이가스의 성분 70~95%가 미연소된 연료(HC)이고 나머지는 연소가스와 부분 산화된 혼합가스이다.
블로바이가스가 크랭크 케이스 안에 체류하면 엔진 내부가 부식되고 엔진 오일이 나빠지기 때문에 옛날에는 크랭크 케이스의 환기를 위해 대기속으로 방출했으나 유해 물질중 HC의 배출 비율이 크기 때문에 이것을 재연소(정화)시켜 방출하는 장치를 부착하도록 하였다.
HC의 배출비율을 배출원별로 보면 아래 표와 같다.
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배 출 원 |
배출비율 |
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배기가스 |
60 % |
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블로바이가스 |
25 % |
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증발가스(기화기,연료탱크) |
15 % |
■ 연료 증발가스
증발가스는 연료탱크안의 가솔린이 증발하여 대기속으로 방출되는 가스이다.
증발가스의 주요성분은 사용하는 연료의 탄화수소와 성분이 같으며, 연료 증발로 인한 HC의 배출비율은 위의 배출원별 비율표와 같이 자동차에서 방출되는 전 탄화수소량의 약 15%를 차지하고 있다.
■ 일산화탄소의 영향
일산화탄소(C0)는 연료가 불완전 연소할 때 발생하는 무색, 무취의 가스이다. 일산화탄소가 인체에 흡입되면 혈액 속에서 산소를 운반하는 헤모글로빈과 결합하기 때문에 신체 각 부에 산소의 공급이 부족하게 되어 어느 한도에 도달하면 중독 증상을 일으킨다.
일반적으로 0.15%의 일산화탄소가 함유된 공기속에서 1시간 있으면 생명이 위험하며, 이것은 우리 가정에서 사용하는 연탄에서 발생하는 일산화탄소의 중독 사고를 통해 잘 아는 사실이다.
■ 탄화수소의 영향
탄소(C)와 수소(H)로 되어 있는 화합물을 총칭하여 탄화수소(Hydrocarbon)라 한다. 탄화수소(HC)는 배기가스뿐만 아니라 블로바이가스나 연료증발가스 속에도 들어 있다.
자동차에서 방출되는 탄화수소 가운데 배기파이프에서 배출되는 것이 약 60%이고, 크랭크 케이스의 블로바이가스로 배출되는 것이 약 25%, 증발가스로 배출되는 것이 약 15%이다.
농도가 낮은 탄화수소는 호흡기 계통에 자극을 줄 정도이나 심하면 점막이나 눈을 자극하게 된다.
■ 질소산화물의 영향
질소화합물은 NO, N02, N2O 등의 여러 가지 화합물이 있기 때문에 이것들을 총칭하여 질소산화물(NOx)이라 한다.
질소는 공기의 약 77%를 차지하며, 안정된 연소로는 간단히 산화하지 않으나 연소실안의 고온고압에서 공기와 접촉, 산화하여 질소산화물이 된다.
이것은 눈에 자극을 주고 폐의 기능에 장해를 일으킴과 동시에 광화학 스모그의 원인이 된다. 여기서 말하는 광화학 스모그(smog)란 연기(smoke)와 안개(fog)의 합성이다.
배기가스 속에 들어 있는 질소화합물의 95%가 NO2이고, NO는 3~4% 정도이다.
광화학 스모그는 자동차나 공장 및 발전소 등에서 배출되는 탄화수소나 질소산화물이 직접 스모그로 되는 것이 아니라, 대기속에서 강한 태양광선(자외선)을 받아 광화학 반응을 되풀이 하여 일어나며, 눈이나 호흡기 계통에 자극을 주는 물질이 2차적으로 형성되어 스모그가 된다.
■ 납(Pb) 화합물의 영향
자동차용 가솔린에는 옥탄가를 높이기 위해 4메틸납(PB(CH3)4)이나 4에틸납(PB(C2H5)4)이 첨가되어 있기 때문에 배기가스에서 납화합물이 검출되는데 첨가물 자체가 아주 독한 물질이다. 4메틸납이 연소에 의해 산화납 등의 형태로 배출되어 공기를 통해 체내로 들어가면 소화기 및 근육신경 등에 장해를 준다.
현재 생산되고 있는 모든 엔진의 자동차는 4메틸납 등을 첨가하지 않은 무연(無鉛)가솔린을 쓰고 있다.
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고성능 엔진에 공급되는 혼합비는 연소 효율이 가장 높은 이론혼합비(무게비로 공기 14.7: 연료 1)를 중심으로 하여 이보다 조금 희박한 경제혼합비 (16:1)와 더 농후한 최대 출력 혼합비(12.5:1)의 범위에서 사용된다.
이러한 혼합비는 엔진의 성능면에서 가장 좋은 것이나, 이 혼합기의 농도에 따라 그 연소 속도에 큰 차이가 있으며, 혼합비와 배기가스에 함유된 유해가스의 발생량과의 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
CO는 감소하나 HC는 증가한다.
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- 농후한 혼합기에서는 NOX는 감소하나 HC가 증가한다.
- 희박한 혼합기에서는 CO와 HC는 감소하나 NOX는 증가한다.
- 매우 희박한 혼합기에서는 NOX와 CO는 감소하나 HC는 증가한다.
참고 자료 : 한국교재개발 "자동차편람"
현대자동차 사이버정비교실
크라운출판사 "자동차공학" |
