배기와 냉각, 윤활, 전기 계통에 관한 용어 - 배기계통 및 배기가스 정화장치
2012-04-28  |   48,690 읽음

배기가스의 흐름
혼합기가 엔진의 실린더 안에서 폭발한 뒤 만들어지는 배기가스는 배기 밸브가 열리면서 엔진 밖으로 빠져나간다. 실린더에서 빠져나간 배기가스가 대기와 만날 때까지 지나야 하는 통로를 아울러 배기계통이라고 한다.
열린 배기 밸브를 지나 배기가스가 가장 먼저 만나게 되는 것은 실린더 헤드에 있는 배기 포트(exhaust port)다. 비교적 짧은 구간의 배기 포트를 지난 뒤 여러 실린더에서 나온 배기가스는 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 거쳐 모이게 되고, 다시 배기관(exhaust pipe)으로 흐른다.
단순히 배기라는 과정만을 생각한다면 배기 포트를 바로 배기관과 연결해 차체 주변으로 적당히 배기가스를 내어놓으면 된다. 그러나 여러 가지 이유 때문에 배기계통에는 몇 가지 장치들이 더해지는 것이 일반적이다.

배기 포트•exhaust port
흡기 포트와 반대되는 개념으로 연소실과 배기 매니폴드를 잇는 통로를 말한다.

배기 매니폴드•exhaust manifold
대부분의 자동차용 엔진은 여러 개의 실린더가 연이어 있고, 각각의 실린더마다 배기 포트가 하나씩 있다. 이들 배기 포트에서 나온 배기가스마다 파이프를 달아 차체 밖으로 뽑아내는 것이 배기가스의 흐름이라는 측면에서는 가장 효율적일 것이다. 그러나 차의 설계와 제작비용 면에서 보면 효율이 크게 떨어진다. 그래서 이들 각각의 배기 포트에서 나온 배기가스의 통로를 모아 가급적 적은 수의 배기관으로 흐르도록 만드는 것이 배기 매니폴드로, 흡기 매니폴드의 반대 역할을 한다.

기능은 단순하지만 배기 매니폴드의 설계가 쉽지만은 않다. 각각의 실린더에서 나오는 배기가스는 실린더의 폭발 순서에 따라 흐름이 생기는데 이 흐름이 자연스럽게 이루어지지 않으면 배기가스가 제대로 빠져나가지 못하고 배기 포트에 쌓이거나 실린더 안으로 역류하는 배기간섭(排氣干涉) 현상이 나타난다. 이때 빠져나가지 못한 배기가스가 실린더에 가하는 압력을 배압(背壓, exhaust pressure)이라고 한다. 배기간섭과 배압은 엔진의 출력을 떨어뜨리고 특히 엔진회전이 빨라질수록 커지기 때문에, 배기 매니폴드는 이를 줄이도록 설계한다.
보통 배기 매니폴드는 하나의 배기관으로 이어지지만 실린더의 배치와 구조에 따라 두 개 이상의 배기관으로 이어지기도 한다. 온도가 높은 배기가스가 끊임없이 흐르기 때문에 내열성이 뛰어나 고열에 의한 수축과 팽창이 적은 주철 소재를 많이 쓴다.

머플러•muffler, silencer
자동차의 배기계통에서 가장 쉽게 발견할 수 있을 뿐 아니라 매우 중요한 역할을 하는 장치가 바로 머플러(muffler)다. 머플러는 엔진의 배기음을 줄이는 장치로, 소음기(消音器) 또는 사일런서(silencer)라고도 한다.
머플러에 대해 이야기하기 전에 먼저 배기음이 만들어지는 과정을 살펴보자. 엔진 밖으로 나온 높은 압력의 배기가스는 배기계통 안에서 상대적으로 압력이 낮은 상태의 공기와 만난다. 그러나 낮은 압력의 공기가 배기계통 안에서 차지하는 공간이 크기 때문에 배기가스는 쉽게 공기 중으로 빠져나오지 못하고 충격을 먼저 전달한다.
이 충격이 엔진회전수 1,000rpm에서는 분당 500번, 엔진회전수 4,000rpm에서는 분당 2,000번으로 매우 짧은 간격으로 연속적으로 이어지기 때문에 주파수가 되어 공기를 진동시키면서 배기음을 만드는 것이다. 이 상태의 배기음은 폭발음에 가까운 큰 소리여서 일부 경주용 차를 제외한 일반적인 도로주행용 차는 반드시 머플러를 달아 소리를 줄여야 한다.
머플러는 배기관보다 지름이 큰 통 안에 구멍과 벽, 흡음재가 적절히 섞여 있는 구조다. 머플러 안으로 들어간 배기관에는 작은 구멍이 많이 뚫려 있다. 이 구멍을 통해 배기가스가 머플러 안의 공간으로 들어가면서 속도가 느려지고, 구멍을 지나 머플러 벽에 반사되면서 공명과 간섭이 일어난다. 머플러 안에는 소리의 양과 음을 효과적으로 줄일 수 있도록 이런 구조가 여럿 들어 있어서, 머플러 끝의 배기구를 통해 나오는 소리는 사람이 듣기에 거북하지 않은 수준이 된다.

일반적으로 머플러 내부의 구조가 복잡할수록 공명과 간섭은 커지고, 소리는 많이 줄어든다. 그러나 구조가 지나치게 복잡하면 배기가스의 흐름을 막아 배기효율이 떨어지면서 엔진의 출력을 떨어뜨리게 된다. 그래서 자동차 메이커에서는 엔진의 출력이 떨어지는 것을 최소화하면서 듣기 좋은 소리를 만들도록 머플러를 설계한다. 머플러 안의 구조를 조절하면 소리의 강약과 색깔이 달라지기 때문에 같은 엔진을 쓰는 차라도 머플러 안의 구조에 따라 배기음이 달라진다.

촉매변환기•catalytic converter
요즘에는 환경오염을 줄이기 위해 휘발유, 경유, LPG 등 화석연료를 쓰는 자동차에 반드시 촉매변환기(catalytic converter)를 달도록 법으로 정해져 있다. 촉매변환기는 자동차의 배기가스에 들어 있는 유해성분을 정화하는 장치라고 할 수 있다. ‘배기가스 정화장치’라는 이름 대신 ‘촉매변환기’라는 이름이 붙은 것은 이 장치가 배기가스 전체를 걸러내는 것이 아니라, 촉매를 이용해 배기가스 중의 일부 유해물질을 무해한 물질로 변환하기 때문이다.
촉매(觸媒, catalyst)는 화학용어로, 자신은 변화하지 않으면서 특정한 조건에서 반응물질의 산화 또는 환원작용을 돕는 물질을 말한다. 자동차용 촉매변환기에는 배기가스 중의 일산화탄소, 탄화수소, 질산화물을 정화하는 백금, 로듐, 파라듐, 구리, 망간 등의 귀금속이 채워져 있다. 일산화탄소와 탄화수소는 산화작용을 통해 이산화탄소와 물로 바뀌며, 질산화물은 환원작용을 통해 질소와 산소로 바뀐다.

촉매변환기는 배기 매니폴드에 가까운 위치에 자리잡는데 일반적으로 원통형의 구조로 되어 있다. 촉매변환기 안에 채워지는 촉매는 좁은 공간에서도 효율적으로 화학작용이 일어나도록 배기가스와 접촉하는 면적이 넓어지는 벌집 구조나 알갱이 형태로 만들어진다.
무연휘발유가 등장하게 된 이유가 바로 촉매변환기 때문이다. 우리나라에서는 1990년대 초반까지만 해도 휘발유에 엔진 노킹(점화 플러그에 의해 혼합기에 점화가 이루어지기 전에 먼저 자연적으로 폭발이 이루어지는 이상연소 현상)을 줄이기 위해 납 성분을 넣은 유연휘발유가 쓰였다. 그러나 납은 인체에 해로울 뿐 아니라 촉매의 산화 및 환원작용을 막아 촉매변환기가 제 역할을 하지 못하게 만든다. 대기환경보전법 시행령에 의해 1993년 1월 1일 이후에 국내에서 팔리는 휘발유는 모두 납 성분이 들어 있지 않거나 거의 들어 있지 않은 무연휘발유다.

디젤 분진 필터•DPF
휘발유 엔진과 달리 경유를 쓰는 디젤 엔진은 배기가스 중에 흔히 분진이라고 부르는 탄소 알갱이를 비롯한 입자상태의 물질이 많이 나온다. 이들은 분해가 되지 않기 때문에 호흡기 질병의 원인이 된다. 디젤 분진 필터(DPF, Diesel Particulate Filter)는 분진을 걸러내는 장치로, 현재 쓰이고 있는 것들은 대부분 분진보다 작은 구멍이 뚫린 필터에 배기가스를 강제로 통과시켜 걸러내는 방식을 쓰고 있다. 필터에서 걸러진 분진은 DPF 안에 모아두었다가 주기적으로 높은 온도로 태워버리기 때문에, 공기 중으로 배출되는 분진의 양은 DPF를 거치지 않았을 때보다 훨씬 적어진다.

SCR•Selective Catalytic Reduction
선택적 촉매환원을 뜻하는 SCR은 디젤 엔진의 질소산화물을 줄이기 위한 기술로 2000년대 들어 사용되기 시작했다. 닛산 디젤이 2003년 선보인 FLENDS 시스템이 최초로 버스나 트럭 등 대형차를 중심으로 보급되기 시작하다가 최근에는 승용차 쪽에도 사용이 점차 늘어나고 있다. 암모니아를 질소산화물과 반응시키면 질소와 물로 환원되는 반응을 이용한 것. 하지만 암모니아를 차에 얹고 다니는 것은 위험하므로 요소수로 대신하며 요소수를 뜨거운 배기가스에 분사하면 가수분해를 통해 암모니아가 만들어진다. 필터 청소를 위해 추가적으로 연료를 분사(포스트 분사)하는 DPF에 비해 연비가 악화될 요인이 적기 때문에 연비나 코스트 면에서 유리하다. 또 배기가스가 뜨겁지 않아도 정화능력이 뛰어나며 내구성이 높고, 백금 같은 고가의 촉매도 필요치 않다. 반대로 요소수 탱크와 분사장치를 달아야 하므로 구조가 복잡해지고 요소수를 보충해야 하는 번거로움이 있다. 메르세데스 벤츠의 블루텍이 대표적인 SCR 시스템이다.

배기가스 재순환 장치•EGR
배기가스의 유해성분 중 질산화물은 높은 온도에서 질소와 산소가 반응해 만들어진다. 이런 원리에 바탕을 두고 질산화물이 생기는 것을 줄이기 위해 만들어진 것이 배기가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 장치다. EGR은 배기가스의 일부를 빼내어 흡기로 되돌려 넣는 것으로, 실린더에서 혼합기가 폭발하는 온도와 속도를 낮춰 질산화물이 만들어지는 것을 억제하는 것이다. 질산화물을 생성단계부터 줄일 수 있다는 것이 장점이지만, 엔진의 출력을 떨어뜨리고 질산화물 생성을 완전히 막지는 못하기 때문에 보조적인 대기오염 방지장치라고 할 수 있다.

엔진 주변장치 관련
냉각계통은 엔진이 정상작동 온도를 유지할 수 있도록 엔진을 식히는 구성요소를 말한다. 윤활계통은 엔진의 여러 부품에 윤활유를 공급하는 구성요소를, 전기계통은 자동차의 각종 전기장치를 움직이는 데 필요한 전기를 만들고 저장하는 장치들을 말한다.

냉각계통
엔진은 내부에서 끊임없이 폭발이 일어나기 때문에 항상 열이 발생한다. 그러나 엔진의 온도가 지나치게 높아지면 윤활유의 성질이 변해 제 역할을 하지 못하고 여러 부품이 망가지는 원인이 된다. 이를 막아 정상작동 온도를 유지할 수 있도록 엔진을 식히는 구성요소를 통틀어 냉각계통이라고 한다. 냉각계통은 수랭식 엔진에서만 볼 수 있는 것으로, 공기로 엔진을 식히는 공랭식 엔진에서는 냉각핀이 그 역할을 대신한다.

냉각수•coolant
엔진의 열을 식히기 위해 실린더 주변을 도는 액체를 말한다. 일반적으로 수돗물에 부동액, 방청제 등을 혼합해 쓴다. 부동액은 물의 어는점을 떨어뜨리는 액체로, 기온이 낮을 때 냉각수가 얼어붙는 것을 막는다. 방청제는 냉각계통 내부에 녹이 슬어 냉각효율이 떨어지는 것을 막고 일반적으로 부동액에 섞여 있다. 지하수는 지하수에 들어 있는 각종 금속 및 미네랄 성분이 냉각계통에 엉겨 붙거나 녹이 스는 것을 돕기 때문에 냉각수로는 적당하지 않다.

워터 재킷•water jacket
냉각수가 흐르는 통로로, 실린더 블록과 실린더 헤드에 빈 공간의 형태로 만들어진다. 실린더 내벽과 밸브 주변, 연소실 등 엔진의 주요 부분을 물이 감싸고 있기 때문에 워터 재킷이라는 이름이 붙었다. 일반적으로 워터 재킷 안에서 냉각수는 엔진의 아래쪽에서 위쪽으로 흐른다.

워터 펌프•water pump
냉각수를 순환시키는 데 쓰이는 펌프. 엔진 내부를 거쳐 뜨거워진 냉각수를 라디에이터로 보내고, 라디에이터를 거쳐 식은 냉각수를 다시 엔진 내부로 집어넣는 역할을 한다.

서모스탯•thermostat
냉각수의 흐름을 조절하는 자동 온도 조절 밸브를 말한다. 엔진은 적절한 온도를 유지해야 여러 부품들이 원활하게 움직일 수 있는데, 온도의 유지는 서모스탯이 냉각수의 흐름을 조절해 이루어진다. 서모스탯이 냉각수의 흐름을 막으면 엔진의 열기가 냉각수에 비축되어 냉각수와 엔진의 온도가 높아진다. 이때 서모스탯이 냉각수를 다시 흐르게 하면 냉각수가 라디에이터를 거쳐 식으면서 엔진의 온도가 낮아진다.

라디에이터•radiator
방열기(放熱器)라고도 하는 일종의 열 교환기로, 열을 잘 전달하는 소재로 만들어진 금속판(방열판)을 공기와 잘 접촉할 수 있도록 겹쳐 배치하고, 이 방열판을 냉각수가 흐르는 통로에 단 것이다. 뜨거운 냉각수가 가진 열은 방열판으로 전달되고, 방열판이 공기와 접촉해 열을 발산시키며 냉각수의 열을 빼앗아 식힌다. 라디에이터는 작고 가벼우며 발열특성이 좋아야 한다. 예전에는 구리나 황동을 주로 썼지만 요즘에는 가벼운 알루미늄이 주로 사용된다.

냉각 팬•cooling fan
라디에이터가 냉각수를 식히는 것을 돕기 위해 방열판으로 공기를 끌어들이는 장치다. 차가 고속으로 달릴 때에는 자연적인 바람에 의해서도 충분히 냉각이 이루어지지만, 저속으로 달릴 때나 공회전 때에는 맞바람이 없어 자연냉각이 어렵기 때문에 냉각 팬을 돌려 냉각수 온도를 낮춘다.

윤활계통
엔진은 여러 개의 부품들이 맞물려 움직이는 기계다. 이 부품들이 맞물려 움직이면서 마찰이 생기고, 이 때문에 부품들이 닳거나 작동효율이 떨어진다. 부품 사이의 마찰을 줄여 부품의 마모와 작동효율이 떨어지는 것을 막기 위해 부품이 닿는 부분마다 윤활유를 공급해주는 구성요소들을 윤활계통이라고 한다.

윤활유
lubricant, lubricating oil
자동차에는 다양한 윤활유가 쓰이는데, 가장 대표적인 것으로 엔진오일을 들 수 있다. 엔진오일은 부품의 마모를 줄이는 것이 가장 큰 기능이지만, 각 부품의 온도를 떨어뜨리고 부품들 사이의 틈을 메워 진동과 소음을 줄여준다. 또한 실린더 내벽과 피스톤 사이의 밀폐를 도와 연소효율을 높이고, 엔진 안의 불순물을 제거하는 기능도 있다.
엔진오일의 가장 중요한 특성은 끈적이는 정도인 점도(粘度)다. 점도가 너무 낮으면 부품 사이의 틈을 메우지 못하고 흘러내려 마모가 빨리 진행되고 진동과 소음이 커지며 연소효율도 떨어진다. 또한 점도가 너무 높으면 오일이 부품 사이에 달라붙어 자연스러운 움직임을 방해한다.

일반적으로 엔진오일의 점도는 등급체계로, 점도등급을 겨울용과 다른 계절용 기준에 따라 표시한 것이다. 겨울용 오일의 등급은 0부터 25까지 5 단위로 높아지는 숫자 뒤에 W를 붙이고, 다른 계절용 오일의 등급은 20부터 50까지 10 단위로 높아지는 두 자리 숫자로 표시한다.
대부분의 엔진 오일은 엔진의 온도에 관계없이 점도가 비교적 일정하게 유지되도록 만든 복합 점도 오일이다. 따라서 점도등급 표시는 SAE 5W-30 등으로 저온과 고온의 기준을 함께 표시한다. 이것은 저온에서는 SAE 5W 등급 오일처럼, 고온에서는 SAE 30 등급 오일처럼 작동한다는 뜻이다.
엔진 오일의 또 다른 분류기준으로는 API(American Petroleum Institute, 미국석유협회)의 서비스 분류가 있다. 이 분류는 자동차 엔진에 주로 쓰이는 엔진 오일의 성능을 기호로 표시한 것이다. 시대별 기준에 따라 휘발유 엔진용 오일은 S로 시작하는 두 개의 알파벳으로, 디젤 엔진용 오일은 C로 시작하는 두 자리 알파벳에 세부기준에 따라 숫자를 더해 표시하고 있다.

웨트 섬프, 드라이 섬프  wet sump, dry sump
윤활계통은 구조에 따라 웨트 섬프와 드라이 섬프로 구분된다. 일반적인 웨트 섬프 방식에서는 엔진 구석구석 돈 오일이 아래로 떨어져 엔진 블록 바닥에 있는 오일팬에 모이게 된다. 이렇게 고인 엔진오일을 오일 펌프로 끌어올려 다시 엔진으로 보내는 것이 웨트 섬프 방식. 이와 달리 드라이 섬프는 오일팬 없이 고성능 오일 펌프를 사용해 강제적으로 윤활시키는 방식이다. 레이싱카나 고성능차의 경우 횡가속 등의 힘이 걸릴 경우 오일이 한쪽으로 몰려 오일팬에 잘 모이지 않는 현상이 발생하기 때문에 보다 안정적인 윤활을 위해 회수용 펌프와 공급용 펌프를 사용해 강제로 윤활유를 순환시키는 드라이 섬프 방식이 사용된다.

오일 펌프•oil pump
엔진 아래쪽에 있는 오일 팬에 고여 있는 엔진오일을 끌어올려 각 부품들로 전달하는 장치다. 일반적으로 크랭크샤프트나 캠샤프트에 기어나 체인을 연결해 작동한다.

오일 필터•oil filter
엔진오일의 찌꺼기나 이물질을 제거해 부품이 상하는 것을 막는 여과장치. 내부에 바이패스 밸브가 달려 있어 필터가 막히면 여과되지 않은 엔진오일이 엔진으로 공급되기 때문에 주기적으로 교환해야 한다.

전기·점화계통
자동차에서 전기는 각종 램프를 켜고 파워윈도를 작동시키는 등 다양한 목적으로 쓰이는데, 엔진의 시동과 점화에도 필수적이다. 요즘 널리 쓰이고 있는 엔진제어 컴퓨터(ECU 또는 ECM)에 전기를 공급하는 것도 전기계통의 중요한 기능 중 하나다. 점화계통은 휘발유 엔진에서 혼합기를 폭발시키도록 전기불꽃을 일으키기 위한 것이다.

퓨즈•fuse
합선이나 전기장치의 이상으로 전기회로에 지나치게 많은 전류가 흐르면 전선이나 전기장치가 타거나 고장 날 수 있다. 퓨즈는 과대전류가 흐르면 녹아 끊어지게 되어 있어 회로가 고장 나는 것을 막는다. 차에 따라 퓨즈의 갯수와 위치는 다르지만, 엔진룸의 가장자리와 대시보드 아래 또는 옆면의 안쪽에 나뉘어 있는 것이 많다.

점화 코일•ignition coil
휘발유 엔진의 연소실에서 혼합기가 폭발하려면 점화 플러그에 전기 불꽃을 발생시켜야 한다. 전기로 불꽃이 만들어지려면 고압의 전류가 필요한데, 전원인 배터리에서 나오는 전류는 12V에 불과하다. 불꽃을 만들기 위해 자기유도작용과 상호유도작용을 이용해 배터리에서 나온 12V의 전류를 2만∼2만5,000V의 고압으로 승압시키는 장치가 점화 코일이다.

하이텐션 케이블  high-tension cable
점화 코일에서 배전기로, 배전기에서 점화 플러그로 고압의 전류를 흐르게 하는 전선.
배전기•distributor
점화 코일에서 나온 고압의 전류를 실린더의 점화순서에 따라 각각의 실린더에 달린 스파크로 배분해 전류를 흐르게 하는 장치. 점화순서에 맞춰 회로를 끊고 잇기 위해 크랭크샤프트의 절반 속도로 회전하는 캠샤프트에 연결해 구동한다. 기계적인 접점방식의 배전기는 여러 가지 트러블의 원인이 되기도 하므로 최근에는 배전기 대신 크랭크샤프트에 달린 크랭크각 센서로 피스톤의 위치를 확인해 엔진제어 컴퓨터가 점화시기를 결정하고, 점화코일에서 직접 점화 플러그로 고압 전류를 흘려보내는 DLI(Distributor-less Ignition) 장치가 많이 쓰이고 있다.

점화 플러그•spark plug
연소실에 불꽃을 발생시키는 장치. 음극과 양극 사이에 간격을 두고 이 사이로 고압 전류를 흘려보내 불꽃을 만들어낸다. 크기와 함께 내열성을 나타내는 수치인 열가(heat value)에 따라 다양한 종류가 있다.

축전지•battery
흔히 배터리라고 하는 축전지는 자동차에 쓰이는 전기장치의 전원으로 쓰인다. 자동차용 축전지는 일반적으로 황산과 납의 산화환원 반응을 이용해 충전과 방전을 하는 납 축전지로, 휘발유 엔진에는 12V, 대형 디젤 엔진에는 24V 축전지를 주로 쓴다.

발전기•alternator
엔진회전을 이용해 전기를 발생시키는 장치로, 일반적으로 제너레이터(generator)라고 부르지만 이것은 직류발전기를 뜻하는 것이다. 요즘의 자동차용 발전기는 얼터네이터라고 하는 교류발전기를 통해 발생된 교류가 정류기를 거쳐 직류로 바뀌는 구성이다. 발전기를 통해 만들어진 전기는 축전지에 충전되거나 전기장치를 작동시키는 데 쓰인다.    

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배기구에 연결되는 머플러는 용기 내부에 공명을 유도하는 구조와 흡음재로 채워 배기음을 줄인다디젤 분진 필터의 단면도. 작은 구멍이 뚫린 필터를 통해 분진을 걸러내고 이를 모아 다시 태운다촉매변환기의 기능을 나타내는 그림. TWC는 일산화탄소와 탄화수소, 질산화물을 걸러내는 3원촉매이고 LNT는 희박연소 때 질산화물을 걸러내는 부분이다선택적 촉매환원(scr)냉각수가 순환하도록 하는 워터 펌프여러 종류의 라디에이터. 뜨거워진 냉각수의 열을 발산시켜 식히는 기능을 한다냉각 팬•cooling fan순환하는 엔진 오일의 이물질을 걸러내는 오일 필터드라이 섬프 방식의  F1 엔진축전지는 자동차에 쓰이는 전기장치에 전원을 공급한다전원공급과 축전지 충전을 위한 전기를 발생시키는 발전기