Catoo

형식	엔진	제목	흡,배기장치및 배출가스
1. 개 요 엔진이 작동하기 위해서는 연소실 안으로 혼합기를 흡입하고 혼합기가 연소한 후 그 연소가스를 외부로 배출하는 장치가 있어야 한다. 이러한 역할을 하는 흡기 장치(Intake System)에는 에어 클리너와 흡기 다기관 등으로 구성되어 있고, 배기 장치(Exhaust System)에는 배기 다기관, 배기 파이프, 소음기 등으로 구성되어 있다. 흡/배기 다기관 2. 흡기장치 2.1. 에어 클리너(Air Cleaner) 실린더 내로 흡입되는 공기와 함께 들어오는 먼지 등은 실린더 벽, 피스톤 링, 피스톤 및 흡/배기밸브 등에 마멸을 촉진시키며 또 기관오일에 유입되어 각 윤활부분의 마멸을 촉진시킨다. 공기청정기는 흡입공기의 먼지 등을 여과하는 작용 이외에 흡입공기의 소음을 감소시킨다. 에어 클리너 에어클리너의 종류에는 건식/습식이 있으며 건식 공기청정기는 케이스와 여과 엘리먼트로 구성되며, 습식 공기청정기는 엘리먼트가 스틸 울(steel wool)이나 천(gauze)이며 기관오일이 케이스 속에 들어 있다. 에어클리너 청소 방법은 압축공기로 안에서 밖으로 불어낸다. 2.2. 흡기 다기관(Intake Manifold) 흡기다기관 (1) 구비조건 ① 혼합기가 각실린더에 골고루 분배될 것. ② 굴곡을 두지 말 것. ③ 혼합기에 적당한 난류를 주어 기화를 촉진시킬 것. (2) 구조 흡기다기관은 혼합가스를 실린더 내로 안내하는 통로이며, 실린더 헤드 측면에 설치되어 있다. 흡기다기관은 각 실린더에 혼합가스가 균일하게 분배되도록 하여야 하며, 공기 충돌을 방지하여 흡입 효율이 떨어지지 않도록 굴곡이 있어서는 안되며 연소가 촉진되도록 혼합가스에 와류를 일으키도록 하여야 한다. 재질은 주철 또는 알루미늄을 사용한다. 기관 작동 중 흡기다기관은 실린더에서 흡입작용으로 항상 부압 상태에 있으며 공전상태에서 45～50cmHg의 부압을 유지하여 브레이크 배력장치 및 크랭크케이스 환기와 점화 진각장치 등을 작동시킨다. 흡기다기관의 지름은 클수록 흡입효율이 좋으나 혼합가스의 흐름속도가 느려 연료의 입자가 다기관 벽에 부착되기 때문에 혼합가스가 희박해지므로 실린더 지름의 25～35%가 적당하다. 2.3. 가변 흡기 장치(VICS) 가변 흡입장치(variable induction control system)는 기관의 광범위한 회전영역에서 흡입효율을 향상시키기 위하여 개발된 것이다. 일반적으로 흡입밸브가 닫히는 시점은 피스톤이 하사점(BDC)을 지난 후로 설정하는데 이것은 흡기다기관 내로 흡입되는 공기의 관성에 의하여 하사점 후에도 새로운 공기가 실린더 내로 들어오도록 하기 위함이다. 이를 관성효과라 한다. 즉 관성효과는 흡기다기관 내에 발생한 압력파가 같은 흡입행정에 영향을 주는 것을 의미한다. 압력파는 흡기다기관 내의 공기유동은 피스톤의 왕복운동과 흡입밸브의 개폐에 의하여 발생하는데 이 압력파를 이용하면 체적효율을 증대시킬 수 있으며 흡기다기관 내의 공기 흐름속도와 길이 등에 따라 영향을 받는다. 또. 고속회전이나 흡기다기관의 길이가 긴 경우에는 다음의 사이클에 영향을 미치며 이를 맥동효과 또는 공명 과급효과라 한다. 즉 맥동효과는 다른 실린더의 맥동을 그 실린더의 흡입행정에서 영향을 받는 것이며, 서지 탱크의 체적이 작을수록 그 영향이 증대된다. 이와 같은 관성효과와 맥동효과는 흡기다기관의 길이와 체적이 일정하면 기관의 어느 한정된 회전속도에서만 최적화가 된다. 즉 저속에서 체적효율이 좋은 경우에는 고속에서 체적효율이 저하하게 된다. 아래 그림은 기관 회전속도와 흡기다기관의 길이 변화에 따른 체적효율의 변화를 나타낸 것이다. 아래 그림 에서 저속에서는 흡기다기관의 길이가 긴 것이 체적효율이 높지만, 반대로 고속에서는 흡기다기관의 길이가 짧을수록 체적효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 저속과 고속에서 동시에 체적효율을 향상시키기 위해서는 흡기다기관의 길이나 체적을 기관 운전조건에 따라 가변시키는 것이 필요하며, 이러한 목적으로 사용되는 것이 가변 흡입장치이다. 흡기다기관의 길이와 체적효율의 관계 가변 흡기장치 흡기제어 밸브 닫힐 때 흡기제어 밸브 열릴 때 2.4. 과급기(Charger) 일반적으로 엔진 배기량을 크게 하면 출력도 커진다. 그러나 배기량이 작은 소형 엔진이나 동일한 배기량의 엔진이라도 출력을 향상시키기 위해서는 되도록 많은 양의 공기를 실린더에 흡입하도록 하여야 한다. 따라서 엔진의 충전 효율을 높이기 위해 흡기에 압력을 가하는 일종의 공기 펌프로 디젤 기관에 주로 이용 했으나 근래에는 가솔린 기관에도 일반화되어 사용된다. (1) 과급기의 특징 ① 엔진의 출력 증대(35~45%)와 연료 소비율을 향상시킨다. ② 고출력일 때 배기 온도 저하와 질이 나쁜 연료에 사용이 가능하다. ③ 배기 장치의 온도와 배압 증가로 배기 밸브가 과열되기 쉽다. ④ 기구가 복잡하고 가격이 비싸다. ⑤ 루트 송풍기의 터빈축과 베어링은 엔진 윤활장치의 오일을 이용하여 윤활한다. (2) 작용하는 방식에 따른 분류 ① 터보 차저(Turbo Charger) : 배기 가스로 구동되는 배기식 과급기이다. ② 슈퍼 차저(Super Charger) : 엔진의 동력을 이용한 기계식 과급기이다. 터보 차저 슈퍼 차저 ※ 디퓨져(diffuser) 원심식 과급기의 날개 바퀴에 설치된 것으로 공기의 속도 에너지를 압력 에너지로 바꾸는 장치이다. 즉, 속도가 작아지고 압력은 커진다. 2.5. 인터 쿨러(Inter Cooler) 인터 쿨러는 체적 효율을 높이기 위해 실린더 이전에 공기를 냉각시키는 냉각기이며, 냉각 방법에 따라 공랭식과 수냉식으로 분류한다. 가솔린 엔진의 경우 공기가 압축되면 온도 상승으로 노킹이 발생하므로 이때 인터 쿨러는 공기 온도를 낮추어 노킹을 방지한다. 디젤 엔진의 경우는 공기가 압축되면 공기 밀도 저하로 출력 감소가 되므로 냉각하여 밀도를 회복시키는 일을 인터 쿨러가 담당한다. 공랭식 수냉식 3. 배기 장치 배기장치 3.1. 배기 다기관(Exhaust Manifold) 배기 다기관은 고온?고압가스가 끊임없이 통과하므로 내열성이 큰 주철 등을 사용하며, 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아서 소음기로 보내는 것이다. 3.2. 배기관(Exhaust Pipe) 배기가스를 대기 중으로 내보내는 1개 또는 2개의 강관으로 최근에는 가변 장치가 개발되어 저속에서는 소음을 줄이도록 하고, 고속에서는 통로를 단축해 배기 저항을 줄여 엔진의 출력을 높이고 박력 있는 배기 음을 즐기는 경우도 있다. 3.3. 소음기(Muffler) 배기가스를 대기 중에 방출시 급격한 팽창으로 인하여 격렬한 폭음이 발생하게 된다. 이와 같은 배기 폭음을 감소하여 대기 중에 배출한다. 실제로 소음기는 팽창형, 공명형, 흡음형의 3종류가 합쳐진 것이 주로 사용된다. 내부가 몇 개의 공간으로 나누어지며 작은 구멍이 많이 뚫려있는 파이프로 접속되어 있다. 이 구멍으로 부터 배기가 팽창실로 들어갈 때 팽창형 흡음기의 기능, 팽창실 자체도 공명형 흡음기로서 기능이 있기 때문에 각 팽창실의 크기는 다르다. 일부의 팽창실은 흡음재가 들어 있어 흡음형 소음기로서 기능이 있다. 4. 배출 가스 4.1. 자동차에서 배출되는 가스 자동차에서 배출되는 가스에는 배기 파이프로부터의 배기가스, 기관 크랭크케이스(crank case)로부터의 블로바이가스 및 연료계통으로부터의 증발가스 등 3가지가 있다. (1) 배기가스(exhaust gas) 배기가스의 주성분은 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)이며 그밖에 일산화탄소(CO), 탄화수소 (HC; hydro-carbon), 질소산화물(NOx), 납 산화물, 탄소입자 등이 있으며 이 중에서 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소가 유해물질이다. 배기가스가 차지하는 비율은 60%이다. (2) 블로바이가스(blow-by gas) 블로바이가스란 실린더와 피스톤 간극에서 크랭크 케이스로 빠져 나오는 가스를 말하며, 조성은 70～95% 정도가 미 연소가스인 탄화수소이고 나머지가 연소가스 및 부분 산화된 혼합가스이다. 블로바이가스가 크랭크 케이스 내에 머물면 기관의 부식, 오일 슬러지(oil sludge)발생 등을 촉진한다. 블로바이가스가 차지하는 비율은 25%이다. (3) 연료 증발가스 연료 증발가스는 연료 공급계통에서 연료가 증발하여 대기 중으로 방출되는 가스이며, 주성분은 탄화수소이다. 증발가스가 차지하는 비율은 15%이다. 4.2. 배기가스의 특성 (1) 일산화탄소(CO) 1) 인체에 미치는 영향 일산화탄소는 연료가 불완전 연소하였을 때 발생되는 무색, 무취의 가스이다. 일산화탄소를 인체에 흡입하면 혈액 속에서 산소를 운반하는 세포인 헤모글로빈과 결합하여 신체 각부에 산소의 공급이 부족하게 되어 어느 한계에 도달하면 중독 증상을 일으킨다. 일반적으로 0.15%의 일산화탄소가 함유된 공기 중에서 1시간 정도 있으면 생명이 위험하다. 2) 일산화탄소 발생과정 가솔린은 탄소와 수소의 화합물인 탄화수소이므로 완전 연소하였을 때 탄소는 무해성 가스인 이산화탄소로, 수소는 수증기로 변화한다. 그러나 실린더 내에 산소 공급이 부족한 상태로 연소하면 불완전 연소를 일으켜 일산화탄소가 발생한다. 따라서 배출되는 일산화탄소의 양은 공급되는 혼합가스(공연비)의 비율에 좌우하므로 일산화탄소 발생을 감소시키려면 희박한 혼합가스를 공급하여야 한다. 그러나 혼합가스가 희박하면 기관의 출력 저하 및 실화의 원인이 된다. 3) 일산화탄소 발생농도 ① 스로틀 밸브의 열림정도가 일정할 때 점화시기가 빠른 편이 발생농도가 낮다. ② 희박한 혼합가스일 때 발생농도가 낮다. (2) 탄화수소(HC) 1) 인체에 미치는 영향 농도가 낮은 탄화수소는 호흡기계통에 자극을 줄 정도이지만 심하면 점막이나 눈을 자극하게 된다. 2) 탄화수소 발생과정 ① 연소실 내에서 혼합가스가 연소할 때 연소실 안쪽 벽은 온도가 낮으므로 이 부분은 연소온도에 이르지 못하며, 불꽃은 안쪽 벽에 도달하기 전에 꺼지기 때문에 미 연소가스가 탄화수소로 배출된다. ② 밸브 오버랩(valve over lap)으로 인하여 혼합가스가 누출된다. ③ 기관을 감속할 때 스로틀 밸브가 닫히면 흡기다기관의 부압이 갑자기 높아져 그 결과 혼합가스가 농후해져 실린더 내의 잔류가스가 되어 실화를 일으키기 쉬워지므로 탄화수소 배출량이 증가한다. ④ 혼합가스가 희박하면 배출량이 증가한다. 3) 탄화수소 발생농도 ① 점화시기가 일정할 때 혼합비가 17 : 1 정도를 경계로 하여 이보다 농후해지거나 희박해져도 발생농도가 높아진다. ② 혼합비가 일정할 때 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다. ③ 혼합비가 일정할 때 냉각수의 온도가 높은 편이 발생농도가 낮다. ④ 점화시기가 일정할 때 기관의 회전속도가 빠른 편이 발생 농도가 낮다. ⑤ 출력이 일정할 때에는 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다. ⑥ 기관의 압축비가 낮은 편이 발생농도가 낮다. ⑦ 기관의 연소실은 그 체적에 대한 표면적 비율이 적은 편이 발생농도가 낮다. ⑧ 기관의 압축비가 낮은 경우에는 흡기다기관의 부압이 낮은(부하가 증가)편이 발생농도가 낮다. (3) 질소산화물(NOx) 1) 인체에 미치는 영향 배기가스에 들어있는 질소화합물의 95%가 NO2이고 NO는 3～4% 정도이다. 광화학 스모그(smog)는 대기 중에서 강한 태양광선(자외선)을 받아 광화학반응을 반복하여 일어나며, 눈이나 호흡기계통에 자극을 주는 물질이 2차적으로 형성되어 스모그가 된다. 광화학 반응으로 발생하는 물질은 오존, PAN(peroxyacyl nitrate), 알데히드(adlehyde) 등의 산화성 물질이며 이것을 총칭하여 옥시던트(oxidant)라 한다. 2) 질소산화물 발생과정 질소는 잘 산화(酸化)하지 않으나 고온/고압 및 전기 불꽃 등이 존재하는 곳에서는 산화하여 질소산화물을 발생시킨다. 특히 연소온도가 2,000℃ 이상인 연소에서는 급증한다. 또 질소산화물은 이론 혼합비 부근에서 최대 값을 나타내며, 이론 혼합비보다 농후해지거나 희박해지면 발생률이 낮아지며, 배기가스를 적당히 혼합가스에 혼합하여 연소 온도를 낮추는 등의 대책이 필요하다. 3) 질소산화물 발생농도 ① 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다. ② 혼합비가 농후한 편이 발생농도가 낮다. ③ 혼합비가 일정할 때 흡기다기관의 부압은 강한 편이 발생농도가 낮다. ④ 기관의 압축비가 낮은 편이 발생농도가 낮다. ⑤ 냉각수 온도가 낮은 편이 발생농도가 낮다. (4) 배기가스의 배출특성 1) 혼합비와의 관계 ① 이론 혼합비(14.7 : 1)보다 농후한 혼합비를 공급하면 질소산화물은 감소하고, 일산화탄소와 탄화수소는 증가한다. ② 이론 혼합비보다 약간 희박한 혼합비를 공급하면 질소산화물은 증가하고, 일산화탄소와 탄화수소는 감소한다. ③ 이론 혼합비보다 매우 희박한 혼합비를 공급하면 질소산화물과 일산화탄소는 감소하고, 탄화수소는 증가한다. 혼합비와의 관계 2) 기관의 온도와의 관계 ① 기관의 온도가 낮을 경우에는 농후한 혼합비를 공급하므로 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만, 연소온도가 낮아 질소산화물은 감소한다. ② 기관의 온도가 높을 경우에는 질소산화물의 발생이 증가한다. 3) 기관을 감속 또는 가속하였을 때 ① 기관을 감속하였을 때 질소산화물은 감소하지만, 일산화탄소와 탄화수소는 증가한다. ② 기관을 가속할 때는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 모두 증가한다. 4) 기관 작동상태와의 관계 ① 기관이 공전할 때에는 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만 질소산화물은 감소한다. ② 기관을 가속할 때에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 모두 증가한다. ③ 기관을 감속할 때에는 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만 질소산화물은 감소한다. 4.3. 배출가스 제어장치 (1) 블로바이가스 제어장치 ① 경부하 및 중부하에서의 블로바이가스는 PCV밸브(positive crank case ventilat ion valve)의 열림 정도에 따라서 유량이 조절되어 서지탱크로 들어간다. 블로바이가스 제어장치 ② 급가속 및 높은 부하운전에서는 흡기 부압이 감소하여 PCV밸브의 열림정도가 작아지므로 블로바이가스는 흡기 부압을 이용하여 블리더 호스를 통하여 서지탱크로 들어간다. (2) 연료증발가스 제어장치 연료계통에서 발생한 증발가스(탄화수소)를 캐니스터에 포집한 후 PCSV의 조절에 의하여 서지탱크 통하여 연소실로 보내어 연소시킨다. 1) 캐니스터(canister) 캐니스터는 기관이 작동하지 않을 때 연료탱크에서 발생한 증발가스를 캐니스터 내에 흡수 저장(포집)하였다가 기관이 작동되면 PCSV를 통하여 서지 탱크로 유입한다. 2) PCSV(purge control solenoid valve) PCSV는 캐니스터에 포집된 연료증발 가스를 조절하는 장치이며, 컴퓨터에 의하여 작동된다. 기관의 온도가 낮거나 공전할 때에는 PCSV가 닫혀 연료증발 가스가 서지탱크로 유입되지 않으나, 기관이 정상온도에 도달하면 PCSV가 열려 저장되었던 연료증발 가스를 서지탱크로 보낸다. 4.4. 배기가스 제어장치 (1) 산소센서 산소센서는 배기가스를 정화하기 위하여 촉매컨버터를 사용할 경우 촉매의 정화율은 이론 혼합비 부근일 때가 가장 높다. 혼합비를 이론 혼합비로 조절하기 위하여 산소센서를 배기다기관에 설치하여 배기가스 중의 산소농도를 검출한다. 산소센서에는 지르코니아 형식과 티타니아 형식이 있다. 1) 산소센서의 종류 ① 지르코니아 형식 : 지르코니아 소자(ZrO2)양면에 백금 전극이 있고, 이 전극을 보호하기 위해 전극의 바깥쪽에 세라믹으로 코팅하며 센서의 안쪽에는 산소농도가 높은 대기가 바깥쪽에는 산소농도가 낮은 배기가스가 접촉한다. 지르코니아 소자는 높은 온도에서 양쪽의 산소농도 차이가 커지면 기전력을 발생하는 성질이 있다. 즉, 대기 쪽 산소농도와 배기가스 쪽의 산소농도가 큰 차이를 나타내므로 분압이 높은 대기 쪽에서 분압이 낮은 배기가스 쪽으로 이동하며 이때 기전력을 발생하고 이 기전력은 산소 분압 비율의 대수에 비례한다. 지르코니아 산소센서 티타니아 산소센서 ② 티타니아 형식 : 이 형식의 구조는 세라믹 절연체의 끝에 티타니아 소자가 설치되어 있어 전자 전도체인 티타니아가 주위의 산소 분압에 대응하여 산화 또는 환원되어 그 결과 전기저항이 변화하는 성질을 이용한 것이다. 이 형식은 온도에 대한 저항 변화가 커 온도보상 회로를 추가하거나 가열장치를 내장시켜야 한다. 2) 산소센서의 작동 산소센서는 배기가스 중의 산소농도와 대기 중의 산소농도 차이에 따라 출력 전압이 급격히 변화하는 성질을 이용하여 피드백 기준신호를 컴퓨터로 공급해준다. 이때 출력 전압은 혼합비가 희박할 때는 약 0.1V, 혼합비가 농후하면 약 0.9V의 전압을 발생시킨다. 3) 산소센서의 특성 산소센서의 바깥쪽은 배기가스와 접촉하고, 안쪽은 대기 중의 산소와 접촉하게 되어 있어 이론 혼합비를 중심으로 혼합비가 농후해지거나 희박해짐에 따라 출력 전압이 즉각 변화하는 반응을 이용하여 인젝터 분사시간을 컴퓨터가 조절할 수 있도록 한다. 산소센서가 정상적으로 작동할 때 센서의 온도는 400～800℃ 정도이며 기관이 냉각되었을 때와 공전운전에서는 컴퓨터 자체의 보상회로에 의해 개회로(open loop)가 되어 임의 보정된다. 산소센서 고장시에는 가속성능이 저하되고, 규정 이상의 CO, HC가 증가하며 연비가 저하된다. 4) 산소센서 사용상 주의사항 ① 출력 전압을 측정할 때에는 반드시 디지털형 멀티테스터를 사용한다(아날로그 멀티테스터를 사용하면 파손되기 쉽다). ② 센서의 내부 저항은 절대로 측정해서는 안 된다. ③ 무연(4에틸 납[옥탄가 향상제]이 포함되지 않음) 가솔린을 사용하여야 한다. ④ 출력 전압을 단락 시켜서는 안 된다. ⑤ 측정은 산소센서가 정상 작동온도가 된 후 하여야 한다. (2) 배기가스 재순환장치(EGR； exhaust gas recirculation) 1) 배기가스 재순환장치의 작동 배기가스 재순환장치는 질소산화물의 배출을 저감시키기 위하여 흡기부압에 의하여 열려 배기가스 중의 일부(혼합가스의 약 15%)를 배기다기관에서 빼내어 흡기다기관으로 순환시켜 연소실로 다시 유입시킨다. 배기가스를 재순환시키면 새로운 혼합가스의 충전율은 낮아진다. 그리고 다시 공급된 배기가스는 질소에 비해 열용량이 큰 이산화탄소가 많이 함유되어 있다. 즉, 다시 공급된 배기가스는 더 이상 연소작용을 할 수 없기 때문에 폭발행정에서 연소온도가 낮아져 온도의 함수인 질소산화물의 발생량이 약 60% 정도 감소한다. 기관에서 배기가스 재순환장치를 적용하면 질소산화물 발생률은 낮출 수 있으나 착화성 및 기관의 출력이 감소하며 일산화탄소 및 탄화수소 발생양은 증가하는 경향이 있다. 이에 따라 배기가스 재순환장치가 작동되는 것을 기관의 특정 운전구간(냉각수 온도가 65℃ 이상이고, 중속 이상)인 질소산화물이 다량 배출되는 운전영역에서만 작동하도록 하고 있다. 또 공전할 때, 난기운전을 할 때, 전부하 운전을 할 때, 농후한 혼합가스로 운전되어 출력을 증대시킬 경우에는 작용하지 않도록 한다. 그리고 EGR율은 다음과 같이 산출한다. 2) 배기가스 재순환장치의 구성부품 ① EGR 밸브 : 스로틀 밸브의 열림정도에 따른 흡기 부압에 의하여 제어되며, 이 밸브에 신호 진공은 서모밸브(thermo valve)와 진공 조절밸브에 의해 조절된다. EGR 밸브의 작동 ② 서모밸브(thermo valve) : EGR 밸브의 진공회로 중에 있는 서모밸브의 기능은 기관 냉각수 온도에 따라 작동하며, 일정 온도(65℃ 이하)에서는 EGR 밸브의 작동을 정지시킨다. ③ 진공 조절밸브 : 기관 작동상태에 따라 EGR밸브를 조절하여 배기가스의 재순환 되는 양을 조절한다. (3) 촉매컨버터 1) 촉매컨버터의 기능 배기다기관 뒤쪽에 설치되어 배기가스가 촉매컨버터를 통과할 때 유해 배기가스의 성분을 낮추어 주는 장치이다. ※ 촉매 촉매란 그 자체는 별로 변화하지 않고, 반응물질을 적당한 조건에서 산화 또는 환원하는 것을 돕는 성질이 있는 물질이며, 그 종류에는 배기가스 중의 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 만드는 산화 촉매, 질소 산화물을 환원하여 질소와 이산화탄소로 만드는 환원 촉매, 그리고 일산화탄소, 탄화수소 및 질소 산화물을 동시에 1개의 촉매로 처리하는 삼원 촉매 등이 있다. 2) 촉매컨버터의 구조 촉매컨버터의 구조는 벌집모양의 단면을 가진 원통형 담체(honeycomb substrate)의 표면에 백금(Pt), 필라듐(Pd), 로듐(Rh)의 혼합물을 균일한 두께로 바른 것이다. 담체는 세라믹(Al2O3), 산화 실리콘(SiO2), 산화마그네슘(MgO)을 주원료로 하여 합성한 것이며 그 단면은 cm2당 60개 이상의 미세한 구멍으로 되어 있다. 촉매컨버터의 구조 3) 촉매컨버터의 작용 배기가스가 촉매컨버터 속을 통과할 때 담체 속의 귀금속과 산화/환원반응을 일으켜 무해성 가스로 정화시킨다. 4) 촉매컨버터의 정화율 촉매컨버터의 정화율은 혼합비와 촉매 컨버터 입구의 배기가스 온도에 관계되는데 이론 혼합비 부근에서 정화율이 가장 높다. 또 배기가스 온도 320℃ 이상일 때 높은 정화율을 나타낸다. 혼합비를 이론 혼합비로 조절하기 위하여 컴퓨터가 스스로 조절할 수 있는 폐회로(closed loop)가 가장 바람직하며 이를 실현하기 위하여 배기다기관에 산소센서를 부착하고 있다. 그리고 촉매컨버터는 일정 온도에 도달하여야 제 기능을 발휘하므로 기관이 난기 운전되기 전에는 유해 배기가스를 그대로 배출시킨다. 5) 촉매컨버터가 부착된 자동차의 주의사항 ① 반드시 무연 가솔린을 사용할 것 ② 기관의 파워 밸런스(power balance)시험은 실린더 당 10초 이내로 할 것 ③ 자동차를 밀거나 끌어서 기동하지 말 것 ④ 잔디, 낙엽, 카페트 등 가연 물질 위에 주차시키지 말 것 (4) 2차 공기 공급장치 2차 공기 공급장치는 촉매컨버터의 정화율을 높이기 위하여 촉매컨버터 앞쪽에 2차 공기를 공급해주는 장치이다. 리드밸브(reed valve), 진공스위치 밸브(vacuum switch valve), 서모밸브 등으로 구성되어 있다.

형식

엔진

제목

흡,배기장치및 배출가스

1. 개 요

엔진이 작동하기 위해서는 연소실 안으로 혼합기를 흡입하고 혼합기가 연소한 후 그 연소가스를 외부로 배출하는 장치가 있어야 한다. 이러한 역할을 하는 흡기 장치(Intake System)에는 에어 클리너와 흡기 다기관 등으로 구성되어 있고, 배기 장치(Exhaust System)에는 배기 다기관, 배기 파이프, 소음기 등으로 구성되어 있다.

흡/배기 다기관

2. 흡기장치

2.1. 에어 클리너(Air Cleaner)

실린더 내로 흡입되는 공기와 함께 들어오는 먼지 등은 실린더 벽, 피스톤 링, 피스톤 및 흡/배기밸브 등에 마멸을 촉진시키며 또 기관오일에 유입되어 각 윤활부분의 마멸을 촉진시킨다. 공기청정기는 흡입공기의 먼지 등을 여과하는 작용 이외에 흡입공기의 소음을 감소시킨다.

에어 클리너

에어클리너의 종류에는 건식/습식이 있으며 건식 공기청정기는 케이스와 여과 엘리먼트로 구성되며, 습식 공기청정기는 엘리먼트가 스틸 울(steel wool)이나 천(gauze)이며 기관오일이 케이스 속에 들어 있다. 에어클리너 청소 방법은 압축공기로 안에서 밖으로 불어낸다.

2.2. 흡기 다기관(Intake Manifold)

흡기다기관

(1) 구비조건

① 혼합기가 각실린더에 골고루 분배될 것.

② 굴곡을 두지 말 것.

③ 혼합기에 적당한 난류를 주어 기화를 촉진시킬 것.

(2) 구조

흡기다기관은 혼합가스를 실린더 내로 안내하는 통로이며, 실린더 헤드 측면에 설치되어 있다. 흡기다기관은 각 실린더에 혼합가스가 균일하게 분배되도록 하여야 하며, 공기 충돌을 방지하여 흡입 효율이 떨어지지 않도록 굴곡이 있어서는 안되며 연소가 촉진되도록 혼합가스에 와류를 일으키도록 하여야 한다. 재질은 주철 또는 알루미늄을 사용한다.

기관 작동 중 흡기다기관은 실린더에서 흡입작용으로 항상 부압 상태에 있으며 공전상태에서 45～50cmHg의 부압을 유지하여 브레이크 배력장치 및 크랭크케이스 환기와 점화 진각장치 등을 작동시킨다.

흡기다기관의 지름은 클수록 흡입효율이 좋으나 혼합가스의 흐름속도가 느려 연료의 입자가 다기관 벽에 부착되기 때문에 혼합가스가 희박해지므로 실린더 지름의 25～35%가 적당하다.

2.3. 가변 흡기 장치(VICS)

가변 흡입장치(variable induction control system)는 기관의 광범위한 회전영역에서 흡입효율을 향상시키기 위하여 개발된 것이다. 일반적으로 흡입밸브가 닫히는 시점은 피스톤이 하사점(BDC)을 지난 후로 설정하는데 이것은 흡기다기관 내로 흡입되는 공기의 관성에 의하여 하사점 후에도 새로운 공기가 실린더 내로 들어오도록 하기 위함이다. 이를 관성효과라 한다. 즉 관성효과는 흡기다기관 내에 발생한 압력파가 같은 흡입행정에 영향을 주는 것을 의미한다. 압력파는 흡기다기관 내의 공기유동은 피스톤의 왕복운동과 흡입밸브의 개폐에 의하여 발생하는데 이 압력파를 이용하면 체적효율을 증대시킬 수 있으며 흡기다기관 내의 공기 흐름속도와 길이 등에 따라 영향을 받는다. 또. 고속회전이나 흡기다기관의 길이가 긴 경우에는 다음의 사이클에 영향을 미치며 이를 맥동효과 또는 공명 과급효과라 한다. 즉 맥동효과는 다른 실린더의 맥동을 그 실린더의 흡입행정에서 영향을 받는 것이며, 서지 탱크의 체적이 작을수록 그 영향이 증대된다.

이와 같은 관성효과와 맥동효과는 흡기다기관의 길이와 체적이 일정하면 기관의 어느 한정된 회전속도에서만 최적화가 된다. 즉 저속에서 체적효율이 좋은 경우에는 고속에서 체적효율이 저하하게 된다. 아래 그림은 기관 회전속도와 흡기다기관의 길이 변화에 따른 체적효율의 변화를 나타낸 것이다.

아래 그림 에서 저속에서는 흡기다기관의 길이가 긴 것이 체적효율이 높지만, 반대로 고속에서는 흡기다기관의 길이가 짧을수록 체적효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 이에 따라 저속과 고속에서 동시에 체적효율을 향상시키기 위해서는 흡기다기관의 길이나 체적을 기관 운전조건에 따라 가변시키는 것이 필요하며, 이러한 목적으로 사용되는 것이 가변 흡입장치이다.

흡기다기관의 길이와 체적효율의 관계

가변 흡기장치

흡기제어 밸브 닫힐 때 흡기제어 밸브 열릴 때

2.4. 과급기(Charger)

일반적으로 엔진 배기량을 크게 하면 출력도 커진다. 그러나 배기량이 작은 소형 엔진이나 동일한 배기량의 엔진이라도 출력을 향상시키기 위해서는 되도록 많은 양의 공기를 실린더에 흡입하도록 하여야 한다. 따라서 엔진의 충전 효율을 높이기 위해 흡기에 압력을 가하는 일종의 공기 펌프로 디젤 기관에 주로 이용 했으나 근래에는 가솔린 기관에도 일반화되어 사용된다.

(1) 과급기의 특징

① 엔진의 출력 증대(35~45%)와 연료 소비율을 향상시킨다.

② 고출력일 때 배기 온도 저하와 질이 나쁜 연료에 사용이 가능하다.

③ 배기 장치의 온도와 배압 증가로 배기 밸브가 과열되기 쉽다.

④ 기구가 복잡하고 가격이 비싸다.

⑤ 루트 송풍기의 터빈축과 베어링은 엔진 윤활장치의 오일을 이용하여 윤활한다.

(2) 작용하는 방식에 따른 분류

① 터보 차저(Turbo Charger) : 배기 가스로 구동되는 배기식 과급기이다.

② 슈퍼 차저(Super Charger) : 엔진의 동력을 이용한 기계식 과급기이다.

터보 차저

슈퍼 차저

※ 디퓨져(diffuser)

원심식 과급기의 날개 바퀴에 설치된 것으로 공기의 속도 에너지를 압력 에너지로 바꾸는 장치이다. 즉, 속도가 작아지고 압력은 커진다.

2.5. 인터 쿨러(Inter Cooler)

인터 쿨러는 체적 효율을 높이기 위해 실린더 이전에 공기를 냉각시키는 냉각기이며, 냉각 방법에 따라 공랭식과 수냉식으로 분류한다. 가솔린 엔진의 경우 공기가 압축되면 온도 상승으로 노킹이 발생하므로 이때 인터 쿨러는 공기 온도를 낮추어 노킹을 방지한다. 디젤 엔진의 경우는 공기가 압축되면 공기 밀도 저하로 출력 감소가 되므로 냉각하여 밀도를 회복시키는 일을 인터 쿨러가 담당한다.

공랭식 수냉식

3. 배기 장치

배기장치

3.1. 배기 다기관(Exhaust Manifold)

배기 다기관은 고온?고압가스가 끊임없이 통과하므로 내열성이 큰 주철 등을 사용하며, 실린더에서 배출되는 배기가스를 모아서 소음기로 보내는 것이다.

3.2. 배기관(Exhaust Pipe)

배기가스를 대기 중으로 내보내는 1개 또는 2개의 강관으로 최근에는 가변 장치가 개발되어 저속에서는 소음을 줄이도록 하고, 고속에서는 통로를 단축해 배기 저항을 줄여 엔진의 출력을 높이고 박력 있는 배기 음을 즐기는 경우도 있다.

3.3. 소음기(Muffler)

배기가스를 대기 중에 방출시 급격한 팽창으로 인하여 격렬한 폭음이 발생하게 된다. 이와 같은 배기 폭음을 감소하여 대기 중에 배출한다. 실제로 소음기는 팽창형, 공명형, 흡음형의 3종류가 합쳐진 것이 주로 사용된다. 내부가 몇 개의 공간으로 나누어지며 작은 구멍이 많이 뚫려있는 파이프로 접속되어 있다. 이 구멍으로 부터 배기가 팽창실로 들어갈 때 팽창형 흡음기의 기능, 팽창실 자체도 공명형 흡음기로서 기능이 있기 때문에 각 팽창실의 크기는 다르다. 일부의 팽창실은 흡음재가 들어 있어 흡음형 소음기로서 기능이 있다.

4. 배출 가스

4.1. 자동차에서 배출되는 가스

자동차에서 배출되는 가스에는 배기 파이프로부터의 배기가스, 기관 크랭크케이스(crank case)로부터의 블로바이가스 및 연료계통으로부터의 증발가스 등 3가지가 있다.

(1) 배기가스(exhaust gas)

배기가스의 주성분은 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)이며 그밖에 일산화탄소(CO), 탄화수소 (HC; hydro-carbon), 질소산화물(NOx), 납 산화물, 탄소입자 등이 있으며 이 중에서 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소가 유해물질이다. 배기가스가 차지하는 비율은 60%이다.

(2) 블로바이가스(blow-by gas)

블로바이가스란 실린더와 피스톤 간극에서 크랭크 케이스로 빠져 나오는 가스를 말하며, 조성은 70～95% 정도가 미 연소가스인 탄화수소이고 나머지가 연소가스 및 부분 산화된 혼합가스이다. 블로바이가스가 크랭크 케이스 내에 머물면 기관의 부식, 오일 슬러지(oil sludge)발생 등을 촉진한다. 블로바이가스가 차지하는 비율은 25%이다.

(3) 연료 증발가스

연료 증발가스는 연료 공급계통에서 연료가 증발하여 대기 중으로 방출되는 가스이며, 주성분은 탄화수소이다. 증발가스가 차지하는 비율은 15%이다.

4.2. 배기가스의 특성

(1) 일산화탄소(CO)

1) 인체에 미치는 영향

일산화탄소는 연료가 불완전 연소하였을 때 발생되는 무색, 무취의 가스이다. 일산화탄소를 인체에 흡입하면 혈액 속에서 산소를 운반하는 세포인 헤모글로빈과 결합하여 신체 각부에 산소의 공급이 부족하게 되어 어느 한계에 도달하면 중독 증상을 일으킨다. 일반적으로 0.15%의 일산화탄소가 함유된 공기 중에서 1시간 정도 있으면 생명이 위험하다.

2) 일산화탄소 발생과정

가솔린은 탄소와 수소의 화합물인 탄화수소이므로 완전 연소하였을 때 탄소는 무해성 가스인 이산화탄소로, 수소는 수증기로 변화한다. 그러나 실린더 내에 산소 공급이 부족한 상태로 연소하면 불완전 연소를 일으켜 일산화탄소가 발생한다.

따라서 배출되는 일산화탄소의 양은 공급되는 혼합가스(공연비)의 비율에 좌우하므로 일산화탄소 발생을 감소시키려면 희박한 혼합가스를 공급하여야 한다. 그러나 혼합가스가 희박하면 기관의 출력 저하 및 실화의 원인이 된다.

3) 일산화탄소 발생농도

① 스로틀 밸브의 열림정도가 일정할 때 점화시기가 빠른 편이 발생농도가 낮다.

② 희박한 혼합가스일 때 발생농도가 낮다.

(2) 탄화수소(HC)

1) 인체에 미치는 영향

농도가 낮은 탄화수소는 호흡기계통에 자극을 줄 정도이지만 심하면 점막이나 눈을 자극하게 된다.

2) 탄화수소 발생과정

① 연소실 내에서 혼합가스가 연소할 때 연소실 안쪽 벽은 온도가 낮으므로 이 부분은 연소온도에 이르지 못하며, 불꽃은 안쪽 벽에 도달하기 전에 꺼지기 때문에 미 연소가스가 탄화수소로 배출된다.

② 밸브 오버랩(valve over lap)으로 인하여 혼합가스가 누출된다.

③ 기관을 감속할 때 스로틀 밸브가 닫히면 흡기다기관의 부압이 갑자기 높아져 그 결과 혼합가스가 농후해져 실린더 내의 잔류가스가 되어 실화를 일으키기 쉬워지므로 탄화수소 배출량이 증가한다.

④ 혼합가스가 희박하면 배출량이 증가한다.

3) 탄화수소 발생농도

① 점화시기가 일정할 때 혼합비가 17 : 1 정도를 경계로 하여 이보다 농후해지거나 희박해져도 발생농도가 높아진다.

② 혼합비가 일정할 때 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다.

③ 혼합비가 일정할 때 냉각수의 온도가 높은 편이 발생농도가 낮다.

④ 점화시기가 일정할 때 기관의 회전속도가 빠른 편이 발생 농도가 낮다.

⑤ 출력이 일정할 때에는 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다.

⑥ 기관의 압축비가 낮은 편이 발생농도가 낮다.

⑦ 기관의 연소실은 그 체적에 대한 표면적 비율이 적은 편이 발생농도가 낮다.

⑧ 기관의 압축비가 낮은 경우에는 흡기다기관의 부압이 낮은(부하가 증가)편이 발생농도가 낮다.

(3) 질소산화물(NOx)

1) 인체에 미치는 영향

배기가스에 들어있는 질소화합물의 95%가 NO2이고 NO는 3～4% 정도이다. 광화학 스모그(smog)는 대기 중에서 강한 태양광선(자외선)을 받아 광화학반응을 반복하여 일어나며, 눈이나 호흡기계통에 자극을 주는 물질이 2차적으로 형성되어 스모그가 된다. 광화학 반응으로 발생하는 물질은 오존, PAN(peroxyacyl nitrate), 알데히드(adlehyde) 등의 산화성 물질이며 이것을 총칭하여 옥시던트(oxidant)라 한다.

2) 질소산화물 발생과정

질소는 잘 산화(酸化)하지 않으나 고온/고압 및 전기 불꽃 등이 존재하는 곳에서는 산화하여 질소산화물을 발생시킨다. 특히 연소온도가 2,000℃ 이상인 연소에서는 급증한다. 또 질소산화물은 이론 혼합비 부근에서 최대 값을 나타내며, 이론 혼합비보다 농후해지거나 희박해지면 발생률이 낮아지며, 배기가스를 적당히 혼합가스에 혼합하여 연소 온도를 낮추는 등의 대책이 필요하다.

3) 질소산화물 발생농도

① 점화시기가 늦은 편이 발생농도가 낮다.

② 혼합비가 농후한 편이 발생농도가 낮다.

③ 혼합비가 일정할 때 흡기다기관의 부압은 강한 편이 발생농도가 낮다.

④ 기관의 압축비가 낮은 편이 발생농도가 낮다.

⑤ 냉각수 온도가 낮은 편이 발생농도가 낮다.

(4) 배기가스의 배출특성

1) 혼합비와의 관계

① 이론 혼합비(14.7 : 1)보다 농후한 혼합비를 공급하면 질소산화물은 감소하고, 일산화탄소와 탄화수소는 증가한다.

② 이론 혼합비보다 약간 희박한 혼합비를 공급하면 질소산화물은 증가하고, 일산화탄소와 탄화수소는 감소한다.

③ 이론 혼합비보다 매우 희박한 혼합비를 공급하면 질소산화물과 일산화탄소는 감소하고, 탄화수소는 증가한다.

혼합비와의 관계

2) 기관의 온도와의 관계

① 기관의 온도가 낮을 경우에는 농후한 혼합비를 공급하므로 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만, 연소온도가 낮아 질소산화물은 감소한다.

② 기관의 온도가 높을 경우에는 질소산화물의 발생이 증가한다.

3) 기관을 감속 또는 가속하였을 때

① 기관을 감속하였을 때 질소산화물은 감소하지만, 일산화탄소와 탄화수소는 증가한다.

② 기관을 가속할 때는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 모두 증가한다.

4) 기관 작동상태와의 관계

① 기관이 공전할 때에는 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만 질소산화물은 감소한다.

② 기관을 가속할 때에는 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 모두 증가한다.

③ 기관을 감속할 때에는 일산화탄소와 탄화수소는 증가하지만 질소산화물은 감소한다.

4.3. 배출가스 제어장치

(1) 블로바이가스 제어장치

① 경부하 및 중부하에서의 블로바이가스는 PCV밸브(positive crank case ventilat ion valve)의 열림 정도에 따라서 유량이 조절되어 서지탱크로 들어간다.

블로바이가스 제어장치

② 급가속 및 높은 부하운전에서는 흡기 부압이 감소하여 PCV밸브의 열림정도가 작아지므로 블로바이가스는 흡기 부압을 이용하여 블리더 호스를 통하여 서지탱크로 들어간다.

(2) 연료증발가스 제어장치

연료계통에서 발생한 증발가스(탄화수소)를 캐니스터에 포집한 후 PCSV의 조절에 의하여 서지탱크 통하여 연소실로 보내어 연소시킨다.

1) 캐니스터(canister)

캐니스터는 기관이 작동하지 않을 때 연료탱크에서 발생한 증발가스를 캐니스터 내에 흡수 저장(포집)하였다가 기관이 작동되면 PCSV를 통하여 서지 탱크로 유입한다.

2) PCSV(purge control solenoid valve)

PCSV는 캐니스터에 포집된 연료증발 가스를 조절하는 장치이며, 컴퓨터에 의하여 작동된다. 기관의 온도가 낮거나 공전할 때에는 PCSV가 닫혀 연료증발 가스가 서지탱크로 유입되지 않으나, 기관이 정상온도에 도달하면 PCSV가 열려 저장되었던 연료증발 가스를 서지탱크로 보낸다.

4.4. 배기가스 제어장치

(1) 산소센서

산소센서는 배기가스를 정화하기 위하여 촉매컨버터를 사용할 경우 촉매의 정화율은 이론 혼합비 부근일 때가 가장 높다. 혼합비를 이론 혼합비로 조절하기 위하여 산소센서를 배기다기관에 설치하여 배기가스 중의 산소농도를 검출한다. 산소센서에는 지르코니아 형식과 티타니아 형식이 있다.

1) 산소센서의 종류

① 지르코니아 형식 : 지르코니아 소자(ZrO2)양면에 백금 전극이 있고, 이 전극을 보호하기 위해 전극의 바깥쪽에 세라믹으로 코팅하며 센서의 안쪽에는 산소농도가 높은 대기가 바깥쪽에는 산소농도가 낮은 배기가스가 접촉한다. 지르코니아 소자는 높은 온도에서 양쪽의 산소농도 차이가 커지면 기전력을 발생하는 성질이 있다. 즉, 대기 쪽 산소농도와 배기가스 쪽의 산소농도가 큰 차이를 나타내므로 분압이 높은 대기 쪽에서 분압이 낮은 배기가스 쪽으로 이동하며 이때 기전력을 발생하고 이 기전력은 산소 분압 비율의 대수에 비례한다.

지르코니아 산소센서 티타니아 산소센서

② 티타니아 형식 : 이 형식의 구조는 세라믹 절연체의 끝에 티타니아 소자가 설치되어 있어 전자 전도체인 티타니아가 주위의 산소 분압에 대응하여 산화 또는 환원되어 그 결과 전기저항이 변화하는 성질을 이용한 것이다. 이 형식은 온도에 대한 저항 변화가 커 온도보상 회로를 추가하거나 가열장치를 내장시켜야 한다.

2) 산소센서의 작동

산소센서는 배기가스 중의 산소농도와 대기 중의 산소농도 차이에 따라 출력 전압이 급격히 변화하는 성질을 이용하여 피드백 기준신호를 컴퓨터로 공급해준다. 이때 출력 전압은 혼합비가 희박할 때는 약 0.1V, 혼합비가 농후하면 약 0.9V의 전압을 발생시킨다.

3) 산소센서의 특성

산소센서의 바깥쪽은 배기가스와 접촉하고, 안쪽은 대기 중의 산소와 접촉하게 되어 있어 이론 혼합비를 중심으로 혼합비가 농후해지거나 희박해짐에 따라 출력 전압이 즉각 변화하는 반응을 이용하여 인젝터 분사시간을 컴퓨터가 조절할 수 있도록 한다.

산소센서가 정상적으로 작동할 때 센서의 온도는 400～800℃ 정도이며 기관이 냉각되었을 때와 공전운전에서는 컴퓨터 자체의 보상회로에 의해 개회로(open loop)가 되어 임의 보정된다. 산소센서 고장시에는 가속성능이 저하되고, 규정 이상의 CO, HC가 증가하며 연비가 저하된다.

4) 산소센서 사용상 주의사항

① 출력 전압을 측정할 때에는 반드시 디지털형 멀티테스터를 사용한다(아날로그 멀티테스터를 사용하면 파손되기 쉽다).

② 센서의 내부 저항은 절대로 측정해서는 안 된다.

③ 무연(4에틸 납[옥탄가 향상제]이 포함되지 않음) 가솔린을 사용하여야 한다.

④ 출력 전압을 단락 시켜서는 안 된다.

⑤ 측정은 산소센서가 정상 작동온도가 된 후 하여야 한다.

(2) 배기가스 재순환장치(EGR； exhaust gas recirculation)

1) 배기가스 재순환장치의 작동

배기가스 재순환장치는 질소산화물의 배출을 저감시키기 위하여 흡기부압에 의하여 열려 배기가스 중의 일부(혼합가스의 약 15%)를 배기다기관에서 빼내어 흡기다기관으로 순환시켜 연소실로 다시 유입시킨다. 배기가스를 재순환시키면 새로운 혼합가스의 충전율은 낮아진다. 그리고 다시 공급된 배기가스는 질소에 비해 열용량이 큰 이산화탄소가 많이 함유되어 있다. 즉, 다시 공급된 배기가스는 더 이상 연소작용을 할 수 없기 때문에 폭발행정에서 연소온도가 낮아져 온도의 함수인 질소산화물의 발생량이 약 60% 정도 감소한다.

기관에서 배기가스 재순환장치를 적용하면 질소산화물 발생률은 낮출 수 있으나 착화성 및 기관의 출력이 감소하며 일산화탄소 및 탄화수소 발생양은 증가하는 경향이 있다. 이에 따라 배기가스 재순환장치가 작동되는 것을 기관의 특정 운전구간(냉각수 온도가 65℃ 이상이고, 중속 이상)인 질소산화물이 다량 배출되는 운전영역에서만 작동하도록 하고 있다. 또 공전할 때, 난기운전을 할 때, 전부하 운전을 할 때, 농후한 혼합가스로 운전되어 출력을 증대시킬 경우에는 작용하지 않도록 한다. 그리고 EGR율은 다음과 같이 산출한다.

2) 배기가스 재순환장치의 구성부품

① EGR 밸브 : 스로틀 밸브의 열림정도에 따른 흡기 부압에 의하여 제어되며, 이 밸브에 신호 진공은 서모밸브(thermo valve)와 진공 조절밸브에 의해 조절된다.

EGR 밸브의 작동

② 서모밸브(thermo valve) : EGR 밸브의 진공회로 중에 있는 서모밸브의 기능은 기관 냉각수 온도에 따라 작동하며, 일정 온도(65℃ 이하)에서는 EGR 밸브의 작동을 정지시킨다.

③ 진공 조절밸브 : 기관 작동상태에 따라 EGR밸브를 조절하여 배기가스의 재순환 되는 양을 조절한다.

(3) 촉매컨버터

1) 촉매컨버터의 기능

배기다기관 뒤쪽에 설치되어 배기가스가 촉매컨버터를 통과할 때 유해 배기가스의 성분을 낮추어 주는 장치이다.

※ 촉매

촉매란 그 자체는 별로 변화하지 않고, 반응물질을 적당한 조건에서 산화 또는 환원하는 것을 돕는 성질이 있는 물질이며, 그 종류에는 배기가스 중의 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 수증기로 만드는 산화 촉매, 질소 산화물을 환원하여 질소와 이산화탄소로 만드는 환원 촉매, 그리고 일산화탄소, 탄화수소 및 질소 산화물을 동시에 1개의 촉매로 처리하는 삼원 촉매 등이 있다.

2) 촉매컨버터의 구조

촉매컨버터의 구조는 벌집모양의 단면을 가진 원통형 담체(honeycomb substrate)의 표면에 백금(Pt), 필라듐(Pd), 로듐(Rh)의 혼합물을 균일한 두께로 바른 것이다. 담체는 세라믹(Al2O3), 산화 실리콘(SiO2), 산화마그네슘(MgO)을 주원료로 하여 합성한 것이며 그 단면은 cm2당 60개 이상의 미세한 구멍으로 되어 있다.

촉매컨버터의 구조

3) 촉매컨버터의 작용

배기가스가 촉매컨버터 속을 통과할 때 담체 속의 귀금속과 산화/환원반응을 일으켜 무해성 가스로 정화시킨다.

4) 촉매컨버터의 정화율

촉매컨버터의 정화율은 혼합비와 촉매 컨버터 입구의 배기가스 온도에 관계되는데 이론 혼합비 부근에서 정화율이 가장 높다. 또 배기가스 온도 320℃ 이상일 때 높은 정화율을 나타낸다. 혼합비를 이론 혼합비로 조절하기 위하여 컴퓨터가 스스로 조절할 수 있는 폐회로(closed loop)가 가장 바람직하며 이를 실현하기 위하여 배기다기관에 산소센서를 부착하고 있다. 그리고 촉매컨버터는 일정 온도에 도달하여야 제 기능을 발휘하므로 기관이 난기 운전되기 전에는 유해 배기가스를 그대로 배출시킨다.

5) 촉매컨버터가 부착된 자동차의 주의사항

① 반드시 무연 가솔린을 사용할 것

② 기관의 파워 밸런스(power balance)시험은 실린더 당 10초 이내로 할 것

③ 자동차를 밀거나 끌어서 기동하지 말 것

④ 잔디, 낙엽, 카페트 등 가연 물질 위에 주차시키지 말 것

(4) 2차 공기 공급장치

2차 공기 공급장치는 촉매컨버터의 정화율을 높이기 위하여 촉매컨버터 앞쪽에 2차 공기를 공급해주는 장치이다. 리드밸브(reed valve), 진공스위치 밸브(vacuum switch valve), 서모밸브 등으로 구성되어 있다.