자동차 전문 이야기 - 흡기 시스템의 구성요소와 원리

모든 내연 기관에는 작동하는데 있어 꼭 필요한 두 가지 필수 요소, 공기와 연료가 꼭 필요합니다. 공기와 연료 혼합물이 실린더로 유입되고, 피스톤은 혼합물을 압축하여 점화 폭발시킵니다. 이 폭발력은 피스톤을 아래로 밀어 크랭크 샤프트를 회전시켜 자동차가 움직이는데 있어 필요한 구동력을 생성하고 발전기를 가동시킵니다. 모든 내연 기관에서는 구동력을 얻기 위해서는 공기가 필요하기에 필요한 공기를 효율적으로 사용하기 위해 흡기 시스템이 존재합니다. 

엔진 에어 필터

흡입되어진 공기는 엔진 에어 필터를 지나가게 됩니다. 일반적으로 대기 중 공기는 질소 78%, 산소 20%가 주된 요소이며, 수소, 이산화탄소, 아르곤, 네온, 크리프톤, 헬륩, 제논 등등 여러가지 기타 가스들이 극소수 함유되어 있습니다. 그리고 외부의 환경과 계절에 따라 공기에는 매연, 먼지 꽃가루, 카본찌꺼기 등등 많은 오염 물질들이 함유되어 유입되므로 엔진 부품들의 마모성과 원활한 공기 유입을 하게 하기 위해 엔진 에어 필터가 장착되어 있습니다. 에어 필터는 교체식이 있고 세척식이 있지만, 비싼 세척식은 아무래도 재사용하면 할수록 완벽하게 세척이 되어지지 않고 조직이 상하기 때문에 기능이 점점 떨어지게 됩니다. 방법만 알면 누구나 쉽게 교체할 수 있는 구조로 되어 있어 교체식으로 주기적으로 교체해주는 것이 관리 효율을 높일수 있습니다.

질량 공기 유량계

엔진의 분사되어야 할 연료의 양을 측정하려면 엔진 제어 모듈(ECM)이 공기 흡기 시스템으로 유입되는 공기의 양을 알아야 합니다. 대부분은 공기의 양을 측정하기 위해 질량 공기 유량계(MAF)를 사용하지만, 다른 유형으로는 흡기 매니 폴드에 있는 매니 폴드 절대 압력(MAP) 센서를 사용합니다. 터보 차저가 장착된 자동차는 두가지 다 사용하는 경우도 있습니다. 유입되어진 공기들은 열선등 각종 전기장치들이 있는 MAF 센서 부근을 통과합니다. 전기는 전선을 온도를 높이고 전류를 감소시키는 반면, 공기의 흐름은 전선의 온도를 낮추어 전류를 증가시킵니다. ECM은 전류의 흐름을 연료 분사 시스템의 중요한 공기 질량과 연관시킵니다.

공기 흡입 튜브

공기는 공기 흡입 튜브를 통해 스로틀 바디까지 진행합니다. 길을 따라 공기 흐름의 진동을 상쇄하고 흡수하여 스로틀 바디로 가는 공기가 원활하게 흐르도록 만들어진 공진기 챔버가 있습니다. 계량되지 않은 공기를 흡기 시스템에 유입시키면 공연 비가 왜곡됩니다. 이로 인해 ECM이 오작동을 감지하고 문제 코드(DTC), 엔진 점검 표시(CEL)을 표시할 수도 있습니다. 

터보 차저와 인터쿨러

배기 가스로 구동되는 엔진의 과급기 이며, 터보차저는 슈퍼차저와 그것을 구동하는 터빈을 조합한 장치이며 둘을 합쳐 터보라고도 합니다. 버려지는 에너지였던 배기 가스의 에너지는 배기 통로에 장착되어진 터빈 하우징의 터빈을 회전력으로 변화시켜 회수하고, 압축기의 흡기계에 장착된 압축기에 의해서 유입되는 공기는 압축되어 밀도와 산소 함량을 높임으로서 효율을 증가시키고 출력과 연비를 향상시킵니다. 고출력을 내기 위해서는 흡기 효율을 높여야 하지만 무과급 엔진에는 8~90% 증가가 최대치이지만, 터보차저가 장착된 엔진은 2배까지의 효율을 내 같은 엔진에 공기 흡입량을 높여 그만큼의 더 많은 연료를 연소시키므로 더 효율적인 고출력을 낼수 있습니다. 압축기를 통해 유입되는 압축된 공기는 온도가 상승하기에 인터쿨러를 통과하면서 온도를 낮추어 공기의 밀도가 더욱더 상승하게 되고 실린더의 흡입효율이 증가하고, 그러면 엔진의 연소효율이 향상되어 연비가 높아지면 이산화탄소 배출도 크게 줄어듭니다.

스로틀 바디

스로틀 바디는 케이블이나 전자식으로 가속 페달 및 크루즈 컨트롤 시스템에 연결되어 엔진으로 유입되는 공기량을 조절해주는 장치입니다. 엑셀을 밟으면 스로틀 밸브가 열리면서 공기를 흡입하면 카뷰레터 또는 전자 제어식 연료 분사 장치가 공기의 흡입량을 검출하여 엔진의 운전상태에 적절한 가솔린을 공급합니다. 스로틀 밸브는 카뷰레터에 조립되어 있지만 전자 제어식 연료 분사 장치는 흡기 계통에 독립하여 장착되어 있는 스로틀 바디(스로틀 체임버) 내에 설치되어 있어 공기 유량을 측정하는 에어 플로 센서 또는 스로틀 밸브의 열리는 상태를 체크하는 스로틀 포지션 센서(TPS)와 일체화되어 있는 것이 많으며 버터 플라이 방식과 슬라이드 방식이 존재합니다.

흡기 매니 폴드

흡입 공기는 카뷰레터에서 연료와 홉합되어 흡기 매니 폴드를 통하여 각 실린더로 분사되게 됩니다. 연료 분사는 흡입 공기가 매니 폴드에서 나누어지기 전에 분사되는 방식이 있고, 각 실린더로 공기가 흡입되고 실린더로 직접 연료가 분사되는 방식도 존재합니다. 복잡한 구조의 매니 폴드는 엔진의 속도와 부하에 따라 공기를 우회시켜 실린더로 유입시키기도 합니다.