자동차 배기 시스템에 대해서 쉽고 간단하게 알아보겠습니다.
배기(排氣)란?
한자를 풀이해보면 물리칠 배, 기운 기. 기체를 밖으로 뽑아내다. 영어로는 Exhaust, 소진하다, 빼내다라는 뜻입니다. 자동차는 석유를 태워서 그 폭팔력으로 움직입니다. 연소를 위해서는 연료, 산소, 불꽃(점화원)이 있어야하고 연소 후에는 여러 유해물질을 함유한 가스가 생성이 됩니다. 가스를 차량 밖으로 내보내는 과정도 출력과 연관되어 있어서 이를 효율적으로 처리하기 위한 부품들이 필요합니다.
배기 시스템(Exhaust system)
배기를 위한 장치는 그 기능에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다. 첫번째는 여러 개의 엔진 실린더에서 가스가 생성되므로 이를 하나로 모아줍니다(배기매니폴드). 배기가스에 포함된 물질을 환경 규제에 맞게 배출이 가능한 물질로 변환 해줍니다(촉매변환기). 그리고 이렇게 변환된 가스라 하더라고 고온, 고압의 상태임으로 그대로 배출할 경우 큰 소음을 유발하기 때문에 소음과 열을 줄여 주는 장치가 필요합니다(머플러).
배기매니폴드 (Exhaust Manifold)
실린더 내부에서 발생하는 가스가 밖으로 배출될수 있게 엔진블럭(메인프레임)에 연결된 배기관입니다. 엔진 내부 실린더로 유입된 공기와 연료는 점화플러그에 의해 폭발하고 이후 생성된 가스는 배기밸브가 열리면서 배기매니폴드를 통해 엔진 밖으로 이동하게 됩니다. 각각의 실린더에 연결되어 있는 파이프가 하나로 모아지기 때문에 배기매니폴드는 위 그림과 같은 형상을 합니다. 배기시스템의 가장 첫번째 부분이라고 할수 있겠습니다.
연료가 폭발하면서 실린더를 통해 나오는 가스는 고온, 고압의 상태이기 떄문에 이를 견디기위해 주로 주철이나 스테인레스 스틸로 제작을 하며 여러가지 엔진 사이즈나 방식에 맞게 각도와 길이를 다르게 디자인하고 다른 부품과 연결하는 부분에는 가스의 누출을 막기 위해 개스킷(링)을 함께 체결합니다. 시간이 지남에 따라 금이 가기도 하고 이에 따라 가스가 누출되기도 합니다. 이에 따르는 증상은 엔진의 출력이 저하되고, 소음이 발생합니다.
여러개의 실런더에서 발생하는 가스가 하나의 배기관으로 일시에 모이기 때문에 가스들이 원활하게 빠져나가지 못하고 경우에 따라서는 다른 실린더로 다시 유입이 되서 배기를 방해하는 경우도 있기 때문에, 배기매니폴드를 설계할 때 배기가스가 원활하게 이동할수 있도록 해주는 것에 가장 중점을 둬야합니다. 배기 매니폴드의 가장 중요한 역할은 배기가스가 원활하게 이동해주는 길을 만들어 주는것입니다.
촉매변환기(Catalytic Converter)
엔진에서 연소 과정에서 발생하는 유해 오염 물질 및 배출가스를 저감시키는 것이 주된 목적이며, 화학반응을 이용하여 일산화탄소(CO / Carbon dioxide), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해가스와 오염물질을 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 질소(N2) 등의 유해성이 적은 물질로 변환합니다.
일산화탄소(CO / Carbon dioxide)
일산화탄소 연소시 자연적으로 발생하며, 미국환경보건국(EPA)에서 발암 물질로 규정하진 않았지만, 다량으로 흡입시 영구적인 뇌손상을 비롯한 중추신경계에 치명적인 손상을 입힐수있으며, 자연상태에서 2개월간 공기 중에 머물다 다른 화학물질과 반응하여 분해되고 이산화탄소로 변환되며 또한 토양에서 미생물에 의해서도 이산화탄소로 분해됩니다.
질소산화물(Nitrogen Oxide / NOx)
높은 온도에서 연소시 공기 중의 질소와 산소의 반응으로 부터 생성되며, 특히 자동차 배기가스에서 많은 양의 질소산화물이 대기 중으로 방출됩니다. 대기의 성층권은 태양빛에서 자외선을 흡수해주는 기능을 하는데, 질소산화물은 이를 파괴하고 자외선이 증가되면 인간의 면역체계를 약화시켜 특히 피부를 통해 감염되는 질병이 증가하게 됩니다. 또한 질소산화물 자체가 사람의 폐 조직에 깊이 침투하여 손상 될 수 있으며, 입자의 흡입은 폐기종 또는 기관지염 등의 호흡기 질환을 악화시키고, 심장병을 초래할 수 있습니다. 동식물체 조직의 단백질과 DNA에 영향을 주기 때문에, 농작물 수확 감소, 돌연변이 발생 및 생태계 파괴를 초래할수 있습니다.
미연소 탄화수소(Unburnt Hydrocarbon)
탄화수소 (Hydrocarbon)는 석유를 구성하는 물질 둥 하나로 그 상태로도 흡입하게 되면 호홉기 및 신경계에 문제를 일으키며, 엔진에서 불완전연소 후 그대로 배출되게되면 더 해로운 물질들을 포함하고 이는 토양과 지하수를 오염시킬 수 있고 대기오염과 기후변화의 원인이 되는 온실가스를 배출합니다. 또한 미연소 탄화수소는 대기 중에서 반응하여 스모그 형성에 기여할 수 있기 때문에 심각한 우려 사항이며, 건강에 악영향을 미치고 환경을 손상시킬 수 있습니다. 이렇게 대기 질에 미치는 영향을 줄이기 위해 많은 국가에서 배출 기준에 의해 규제되고 있습니다. 연소되지 않은 탄화수소 배출을 줄이기 위해 엔진에서 연소 효율을 개선하고, 차량에서 촉매 변환기를 사용하여 유해성이 적은 물질로 변환하며, 청정 연료 및 대체 에너지원을 촉진하는 등 다양한 전략과 기술이 사용되고 있습니다.
촉매(Catalytic)란?
다른 물질과 결합하여 화학반응을 도와주는 물질을 촉매제라고 하며, 그 과정을 촉매라고 합니다. 음식물을 섭취했을때 소침의 소화효소가 소화를 돕거나, 빵을 구울때 마가린을 발라서 더 바삭바삭하게 해주는 등 우리는 알지 못하지만, 일상생활의 많은 상황에서 다양한 촉매과정이 일어나고 있습니다. 자동차에서는 연료가 연소시 발생하는 유해물질들을 분해해서 안전한 물질로 변환시켜주는데 촉매제가 사용이 되며, 이는 백금(Platinum), 로듐(Rhodium), 지르코늄(Zirconium) 또는 팔라듐(Palladium)과 같은 촉매 특성을 가진 금속입니다. 촉매변환기는 이러한 물질들로 구성이 되어있습니다. 또한 산소 농도가 낮으면 촉매가 제대로 이루어지지 않기 때문에 배기 장치 중간에 산소센서(공기비센서)를 장착해서 공기와 연로 혼합비를 최적화해서 유해물질의 비율이 적정 범위 내에 있게 해줍니다.
배기가스가 촉배변환기 내부를 통과하면서 촉매제인 금속들과 노출이 되야하고,적정한 이동 속도를 유지해야하기 때문에 금속은 벌집모양 형태(매트릭스 형대)로 디자인 됩니다. 백금(Platinum)과 팔라듐(Palladium)은 미연소된 탄화수소의 산화를 촉진하여 이산화탄소와 물로 전환시켜주고(산화촉매), 로듐(Rhodium) 은 유해한 질소 산화물을 무해한 질소로 감소시킵니다(환원촉매). 자동차의 배기구에서 물이 떨어지는 경우가 종종있는데, 이는 배기가스 중 탄화수소가 물로 변하여 배출되는 것으로 촉매변환기가 제대로 그 역할을 다하고 있다는 뜻입니다.
촉매제인 이러한 금속들이 제대로 작동하려면 환경이 섭씨 500도 이상의 온도가 유지되어야 하며, 엔진이 구동중 일때는 높은 배기가스의 온도로 촉매변환기 내부 온도가 그 온도에 다 다르게 됩니다. 그러나 촉매제가 가열되기 전이라면 촉매활동이 원활하지 않아 더 많은 유해가스가 방출되기도 합니다. 아침에 처음 차량의 시동을 걸때 매연 냄새가 더 심한게 바로 이러한 이유 때문입니다. 이를 개선하기 위해 최근에는 전기 모터나 다른 수단을 이용해서 촉매변환기에 열을 공급하는 시스템이 개발되었습니다.
또한 배기가스는 촉매장치의 중심부로 갈수록 통과속도가 빨라지기 때문에 중심부에 더 많은 양의 금속으로 막(washcoat)을 만들어야 하는데, 새로 개발된 차새대 삼원촉매(Flow Adjustable Design Cell / FLAD)는 중심부 셀의 밀도를 높이면서 배출가스가 느리게 통과하도록 해 기존과 같은 성능으로 금속(촉매제) 사용량을 기존 보다 20% 절감하는 등 다양한 신기술들이 연구되고 있습니다. 촉매변환기는 고온 및 오염물질에 노출되고 차종과 엔진오일 관리 상태에 따라 다르지만 수명이 대략 150,000km 정도 됩니다. 엔진 첨가제의 과다 사용은 이를 단축시킬수도 있습니다.
머플러 (Muffler)
배기가스는 온도가 높고 좁은 공간에서 나오기 때문에 압력 또한 높습니다. 그대로 분출하면 큰 소음을 유발하기 때문에 이를 방지하기 여려 필터를 설치하고, 온도를 낮추는 작업이 필요합니다. 소리를 줄이는 방법에 따라 팽창식, 공명식, 흡음식으로 분류가 됩니다. 그 외 공명기(Resonator)가 머플러와 촉매 변환기 사이에 위치하고 엔진에 의해 생성된 특정 사운드 주파수를 제거하는 기능을 합니다.