자동차 전문 이야기 - 배기 시스템의 구성요소와 원리

자동차의 배기 시스템은 연소가 끝난 연소 가스를 배출함과 동시에 유해 가스를 처리하며 배기음을 조용하게 하는 역할을 하고 있습니다.

자동차 배기 시스템의 부품

1. 배기 매니 폴드

배기 매니 폴드는 실린더에서 배기 파이프로 배기 가스를 모아 내보냅니다. 세라믹 또는 광택 크롬으로 코팅된 배기 매니 폴드도 있지만, 하지만 보편적으로 주철과 스테인리스 스틸로 만들어집니다. 매니 폴드는 엔진과 연결되어 있으며 4~8개의 파이프가 하나의 파이프로 모아서 배출합니다. 계속 높은 열기에 노출되어 있어 흔히 변색이 되어 있습니다. 

2. 배기 파이프

배기 파이프는 매니 폴드에서 포집된 배기 가스를 촉매 변환기, 머플러로 보내는 중간 통로 역할을 하는 단순 알루미늄 튜브입니다.

3. 촉매 변환기

촉매 변환기는 연소되지 않은 탄화수소, 질소, 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 전환시켜 유해 가스를 줄이는 역할을 합니다. 대기 오염에 대한 규제가 강화되면서 역할의 중요성이 더욱더 부각되고 있습니다.

4. 머플러

머플러는 엔진이 작동중 일때 소음을 줄이기 위해 존재합니다. 유리 섬유 단열재, 스텐인리스 스크러블 또는 공명 챔버는 엔진의 폭발 소음을 줄여줍니다. 

자동차 배기 시스템의 작동원리

배기 가스는 엔진에서 나와 매니폴드를 거쳐 머플러까지 이동해 밖으로 배출되게 됩니다. 배기 가스가 배출되는 과정을 5단계로 나누어 봤습니다.

1단계 배기 가스의 기원

자동차에 시동을 걸면 엔진에서 연료를 연소시켜 동력을 생성합니다. 대부분의 자동차는 흡기, 압축, 폭발, 배기의 4행정으로 진행됩니다. 

흡입 행정 - 흡입 행정에서는 흡기 밸브가 열려 공기,연료 혼합물이 실린더 내부로 유입됩니다.

압축 행정 - 압축 행정에서는 흡기, 배기 밸브가 둘다 닫힙니다. 그리고 피스톤이 위로 올라오면서 공기,연료 혼합물이 압축하게 됩니다.

폭발 행정 - 폭발 행정에서 피스톤이 최상단으로 올라가 공기,연료 혼합물이 압축된 상태에서 스파크 플러그가 실린더 내부에 스파크를 튀기어 점화가 되면서 폭발 되는 힘으로 피스톤은 다시 최하단으로 내려가게 됩니다.

배기 행정 - 폭발의 힘으로 피스톤이 내려올때 배기 밸브가 열리면서 배기 가스가 배출됩니다. 

이 과정들이 반복되면서 엔진은 자동차가 주행을 할 수 있는 힘을 만들어 냅니다. 이 과정에서 발생되는 유해한 배기 가스를 대기가 오염되지 않게 배기 시스템에서 처리하여 배출합니다.

2단계 배기 가스의 수집

배기 밸브가 열리면서 배출되는 배기 가스들은 매니 폴드를 지나게 됩니다. 매니 폴드는 일종의 깔대기 역할을 합니다. 각 실린더에서 나오는 배기 가스들을 하나의 파이프로 모아주는 역할을 합니다.

3단계 배기 가스의 정화

촉매 변환기는 배기 가스의 유해한 가스들을 정화하는 역할을 합니다. 배기 가스는 질소, 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소산화물, 미립자 문제등으로 배출되어 지는데, 촉매 변환기에서 유해 물질들의 90%정도 까지 정화시킬수 있습니다. 촉매는 배기 가스에서 발생된는 유해 가스(일산화수소, 일산화탄소)를 무해한 불활성 가스로 변환하는 화학 반응을 만들어 냅니다. 산화, 환원 과정을 통해 무해한 가스로 바꾸어 정화시켜 배출시킬수 있게 만들어 줍니다.

4단계 배기 가스의 침묵

정화 되어진 배기 가스는 무지하게 빠른 속도로 촉매 변환기를 지나가게 되면서 엄청난 소음을 만들어냅니다. 이러한 소음들은 머플러를 지나면서 소음이 죽게 됩니다. 머플러의 소음 효과를 높이게 되면 배기 가스의 흐름에 대한 저항이 증가되어, 엔진의 출력을 저하시키므로 만들어질때 양쪽의 균형응 염두에 두고 설계를 해야합니다. 머플러는 가는 관에서 넓은 공간으로 확산시켜 소리를 작게 하는 팽창식, 가는 관의 많은 구멍에서 넓은 공멸실로 확산시켜 서로 음을 상쇄시키는 공명식, 스틸울에 흡수시키는 흡수식이 있으며, 세 가지 방식을 모두 합친 격벽식이란 방식도 존재합니다.

5단계 배기가스의 제거

정화되고 소음이 줄어들은 배기 가스는 테일 파이프를 통하여 밖으로 배출되게 됩니다.