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블로바이 가스에 대해(배기관련자료)
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작성일
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2006-11-24 11:13:30
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조회수
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3553
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블로바이 가스
배기 가스 외에도 브로바이 가스도 문제가 되고 있다. 브로바이 가스란 연료에서 증발된 기체 연료와 엔진에서 미연소되어 실린더 블록이나 틈새를 타고 나오는 가스를 총칭하여 말하는 것이다. 탄화수소는 다른 가스와는 다르게 배기 머플러를 통하여 60% 밖에 배출이 안되고 나머지 40%는 증발 가스로서 배출되는 것이기 때문에 이 역시도 환경의 오염원 중 하나이다.
브로바이 가스의 조성은 실린더에 흡입된 미연소된 혼합기가 약 75%를 차지하고 나머지의 연소 가스의 조성에 가깝다고 보면 된다. 탄화수소는 그 일부가 윤활유에 흡착되거나 재차 방출되거나 하기 때문에 연료 중의 중질분은 약간 감소되어 윤활유를 희석하는 형태가 되겠지만 일반적으로는 무시해도 괜찮을 것이다.
브로바이 가스의 유량은 실린더의 압력과 크랭크실 압력의 관계가 가장 큰 영향을 주고 흡기관의 부압이 높을수록 그 유량이 감소된다. |
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그리고 엔진의 운전 조건, 실린더나 피스톤 링이나 피스톤의 마모 정도에 따라 크게 달라진다고 본다. 규정치수보다 0.2mm정도의 차가 생기면 그 유량이 증가하고 1500cc급의 엔진에서 1.5에서 4.0 l/min 정도의 유량이 있는 경우가 많다.
연료의 계통이나 탱크에서 증발하여 대기에 방출되는 것은 주로 엔진의 운전을 정지한 후부터 연료 계통 안의 연료 온도가 상승하여 연료의 증발이 활발해지기 때문이다. 따라서 정지 후 5분에서 10분 정도 사이에 증발량의 대부분을 차지하며 공기중의 방출 통로를 경유하여 방출하게 되는 것이다.
[그림 36] 블로바이 가스 |
각종의 증발 손실을 포함하여 13에서 18g 정도가 방출되는 것으로 예상된다. 주행 거리 당 환산하는 것은 적절한지 모르겠지만 2.8g/mile 즉, 1.8g/Km정도라고 한다. 연료 특성상의 특히 초류 온도 등에 따라 크게 변화하며 주위 온도 등의 영향은 크지 않다.
가솔린 엔진의 배기가스가 실린더로 유입되는 연료와 공기 혼합비에 의해 크게 영향 받는다는 것은 익히 알고 있을 것이다. |
 [그림 37] |
 [그림 38] |
배기가스 정화를 위하여 설계를 변경하는 것은 엔진의 개조 방식이라 생각해도 무난하다. 위의 가변 요소로서는 연료 분사기 혼합기 특성의 변경, 점화시기 조정의 변경, 점화 방법의 개량, 흡기 가열을 포함한 흡기 매니폴드형에 있어서의 연료가 기화케 하는 개선 방법과 저부하시 흡입 공기량의 증가 등에 대하여 위에서 설명한 요소들과 서로 관련되어 조절되는 것이 상당히 중요하다.
여러 가지 뜻에서 가장 영향이 큰 공연비는 앞서 말한 바와 같이 CO(일산화 탄소), HC(탄화 수소)의 감소에 대해서는 이론공연비(14.75 : 1)보다 10%정도 희박한 조건이 좋을 것으로 생각된다. NO발생에 대해 고려하지 않으면 모든 운전 조건에서 공연비가 15:1∼17:1로 하는 것이 가장 바람직하다.
한편 엔진의 출력 특성의 입장에서 살펴본다면 공연비 약 13:1정도가 최고 시점이며, 약간 긴 시간의 열적 영향 등을 고려한다면 12:1정도가 적합하다고 생각한다. 연료의 혼합비와 엔진의 출력, 연료의 소비율 등의 관계를 아래 그림에서 참조하기 바란다. |
 [그림 39] 공연비와 출력 및 연소 소비 |
 [그림 40] 점화 시기의 영향 |
점화시기는 흡기관 부압에 의하여 또한 엔진의 회전속도에 의해서도 진공도가 달라지는데 배기관에서 배출되는 HC는 점화시기가 늦어졌을 때 작아지는 경향이 있다. 그러나 점화시기를 늦추는 일은 연소실 내의 열효율의 저하로 연료 소비율이 증가하나 흡입 공기량의 증가를 초래하기 때문에 경우에 따라서는 배기량의 총량을 증가시키는 경우가 될 수도 있다. 점화시기와 배기가스 온도 및 배기가스 속에 포함된 HC의 농도 등의 관계는 아래 그림에서 참조하기 바란다.
점화시기의 영향
탄화수소의 감소는 공연비가 희박할 때 특히 현저하며 점화시기를 지각시키는 것과 희박한 공연비를 병행함으로서 CO나 HC를 줄여갈 수 있다.
흡기관 부압 즉, 흡입 공기량의 영향은 그림 39와 41을 참조 바라며 부하가 적으면 새롭게 실린더에 유입되는 혼합기의 비율이 작아졌을 때 연소 조건의 악화로 나타나 배출되는 탄화수소 농도를 많게 한다.
공연비는 흡기관의 압력에 의하여 불완전 연소가 되는 영역은 그림 41을 참조하기 바라며 그림 40과 같이 되는 것으로 생각하여도 무방한데 어느 한도 이상으로 낮은 흡입관 압력하에서는 연료를 분사하여도 착화되지 않는다. |
 [그림 41] 흡입관 부압과 공연비 영향에 의한 연소 한계의 영향 |
 [그림 42] NO 농도에 미치는 점화시기와 공연비의 영향 |
따라서 운전조건에서 위와 같은 높은 진공도의 흡기 압력이 생기지 않도록 한다든가 또는 그와 같은 조건에서는 연료를 차단하는 방법을 강구할 필요가 있다. 일반적으로 말해, CO는 주로 공연비에만 영향을 받게 되는데 HC에 영향을 주는 영향들은 그 매개 변수가 상당히 많다.
NO는 공연비 이외에 온도의 영향이 크기 때문에 점화시기나 부하에 따라서 변화가 많게 된다. NO에 주는 점화시기의 영향은 그림 42와 같이 점화시기가 빠를수록 NO의 농도는 큰 것으로 생각해도 무난하다. 또한 부하의 영향은 같은 공연비일 때에도 온도가 변하는 것으로 받는 영향이며 부하가 1/3 이하가 되면 적지 않은 NO의 감소가 나타난다.
엔진의 회전수가 공회전 정도의 흡입 공기량으로서는 새로운 공기의 비율이 80% 이하로 되기 때문에 불활성 가스로 희석되는 것과 마찬가지로 NO의 양은 매우 작아진다. 4사이클 기관에서는 배기 가스의 일부를 재흡입하는 것과 같은 비슷한 현상이 일어난다. HC의 영향을 주는 요소 가운데는 연소실의 표면적 S와 체적 V의 비 S/V가 설계상 상당히 중요하다. |
 [그림 43] HC 농도에 대한 표면적 비의 영향 |
이는 그림 43과 같은 영향이 있다고 보며 피스톤 하부의 링이나 가스켓 등을 포함하여 될 수 있는 대로 표면적을 작게 변경하도록 되어 왔다. 그러나 연소실의 형상은 노크와도 관계가 있어 반드시 표면적을 작게 함으로서 원형에 가까운 것이 최고의 것이라고는 말할 수 없다.
또한 연소실의 형상과도 관계가 있지만 연소 전후의 가스 유동의 효과를 이용하여 HC 감소를 줄이는 것도 고안되고 있다. |
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그림 44와 같이 스퀴즈(Squeeze)를 이용하는 방법도 발표되고 있다. 이 밖에 냉각수나 온도의 영향도 간접적으로 있으며 실린더 벽의 온도가 100℃ 이하에서는 HC 농도가 증가한다.
트로틀 개도의 열림량이 급변할 때에도 HC 배출과 관계가 크다고 보면 된다. 이와 같은 관계는 엔진의 회전수가 낮을 때 현저하게 나타나게 되는데 일종의 단속적인 새로운 공기의 유동도 있고 부하가 작을 때의 배기의 역류도 있을 것이다.
[그림 44] 연소실의 스퀴즈의 이용에 의한 HC의 감소 |
엔진의 회전수가 높을 때에는 공기의 흡입을 좋게 설계한 엔진의 경우에는 배기 밸브가 열려 있을 때 흡기 밸브를 동시에 여는 오버랩 구간을 40도 이상으로도 가능하다. 따라서 흡입 양으로는 미세한 차이가 있겠지만 새로운 혼합기 일부가 직접 배출되거나 배기가스와 혼합된 양이 늘어나기도 한다.
밸브의 오버랩과 엔진의 회전수가 공회전시의 배기되는 탄화 수소의 농도는 그림 45와 같이 나타난다. 엔진을 오랜 동안 운전하면 연소실 즉, 실린더 헤드와 피스톤 상면에 퇴적물이 쌓이게 된다. 이 퇴적물에 의해서도 HC의 배출양이 증가된다는 것이 판명되었다. 이 종류의 영향은 평균치로서 극히 미소하게 인정되지만 퇴적물과 양과의 관계는 분명하지 않은데 그림 46의 실험의 예와 같이 그 경향은 짐작할 수 있을 것이다.
지금까지 말한 것 외에는 HC 배출에 관련되는 요소는 적지 아니한 모양인데 예를 들어 점화 방식이라든가 그 에너지에 의해서도 영향을 받을 수 있으며 비교적 적은 것이다. 그러나 기본적으로는 잘 귀하된 균일한 혼합기는 높은 실린더 벽면의 온도와 난류를 수반하는 전파력이 좋은 확실한 점화 에너지로서 완전에 가깝도록 연소시킬 수 있는 것이다. |
 [그림 45] 아이들링 때 밸브의 오버랩 영향 |
 [그림 46] 엔진 운전 시간에 의한 HC 농도 변화 |
또한 배기온도를 높게 유지하여 과잉 산소가 존재하는 것에 의하여 배기 매니폴드에서는 충분히 산소와 화학반응 시킬 수 있도록 하는 것이 굉장히 중요하다.
우리가 배기가스를 측정한다는 것은 통상적으로 법적 규제에 맞추고 있지만 실제 자동차를 정비하는 사람에게는 수리 전 자동차의 문제점이 어느쪽에 있는 것인지 수리 후 자동차 정비가 제대로 수행되었는지 여부를 알 수 있는 좋은 정비 방법론이다.
배기가스를 분석하기 위해서는 가장 중요한 것이 근본적인 이론 정립이 되지 않으면 힘든 부분이 많을 것이다. 흡입구의 개량 자동차 엔진의 방식을 발전시키는데 있어서 가장 중요하게 고려해야 할 점은 실린더에서 요구하는 적정한 혼합기를 흡입시키는데 있다. |
 [그림 47] 흡입 계통의 개선으로 적정 혼합비를 흡입하도록 유도하고 있다 |
예를 들어 평균의 공연비가 이론 공연비보다 엷더라도 각 실린더에 유입되는 연료의 양이 다르다면 각 사이클마다 일어나는 RPM의 변화가 클 것이고, CO의 배출량이나 HC 농도 역시 증가되는 쪽으로 기울 것이다.
각 실린더에 대한 연료 분배의 균일성을 유지하는 것은 저속이나 가속시 연료의 옥탄가를 저하시키지 않기 위하여 필요할 뿐 아니라 배기 가스의 유해 성분을 억제하기 위해서도 중요한 일이다. 이 흡입 계통의 개선으로 주된 것은 연료 분사기의 설계 변경과 제작 검사의 기술 향상과 매니폴드의 형상의 변경, 기타 개량으로 분류할 수 있다. 그러나 이 모든 것은 엔진의 성능과 밀접한 관계를 가지며 이와 함께 점화시기의 조정 등과도 관계가 있다.
연료 분사 방법의 개선 가솔린 엔진에서 연료와 공기를 적당한 비율로 혼합시키는 동시에 흡입되는 공기량도 제어하는 것인데, 사람으로 비유한다면 입과 뇌, 심장을 겸비하고 있는 것과 같다. 그 특성은 엔진의 성능을 판단한다고 해도 과언은 아닐 것이다.
엔진의 실린더에 흡입되는 공기량에 따라 당연히 그에 대응하는 연료의 양이 조절되어야 하고 그 연료를 유입되는 기류 안에 분사하여 연료의 유동을 하게 하는 것이 주된 작용이다. 연료의 분사기는 적정한 연료 압력을 분사기에 대기하게 하고 그 분사기를 열었을 때 압력에 의하여 분사되면서 무하 상태를 유지할 것이고 그것만으로는 완전한 기화를 유지하기가 곤란할 것이다.
연료의 유입 통로 흡입되는 공기량이 많을 때에는 연료의 유량도 유속에 의하여 커지고 그 연료량의 조절은 들어오는 공기량은 ECU에서 검출하여 그에 대응하는 적절한 연료량을 결정할 수 있다. 그러나 공회전시에는 0.3㎖/s 이하의 유량이 되기 때문에 그 유량에 대한 조절은 연료 분사기의 개선으로 용이하게 할 수 있을 것이다.
현재 사용되는 연료 분사기의 구조적으로 보아 대기 압력보다 약 3배 정도의 압력을 가한 상태에서 급작스럽게 통로를 개방하면 안개와 같이 뿜어지는 모양의 연료로 분사될 것이고 그 연료는 엔진 실린더에서 흡입 작용으로 인하여 유입되는 것이다.
결국 피스톤이 하강하면서 낮아지는 압력의 차이로 원활하게 유입되나 연료 분사기에서 분사된 연료는 흡입구 벽면과 밸브면에 응결되어 있어 공기 중에 분사하여 기화된 연료는 실린더 내부로 거의 유입되겠으나 각 벽면에 응결되어 있는 경우는 그 일부가 그대로 남아있기 때문에 공전시에 이 문제는 연료 분사기의 위치 개선과 흡입 통로의 개량으로서 개선될 수 있을 것으로 생각된다.
공회전 시와 같이 공기 유량이 적을 때에는 공연비를 엷게 한 것만으로 연소 상태가 불안정해지는 것을 느낄 것이다. |
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이는 어느 정도의 혼합기 층에서는 점화 에너지에 의하여 착화가 되겠지만 혼합비가 너무 희박하거나 농후하게 되면 점화가 실화되어 좋지 않은 문제점을 낳게 된다. 보통 흡입 매니폴드 안에서는 연료가 액상으로 되어 물결치면서 유입되는 경우가 있다. 따라서 각 기통에의 연료의 균일 분배라든가 매니폴드에서 충분한 기화는 어렵다고 본다. 특히 겨울철인 경우 온도가 현저히 낮으므로 엔진이 충분이 데워지지 않으면 이러한 경향이 현저하다.
[그림 48] 흡입되는 공기의 흐름 |
| 이른바 흡기관 과열은 현재 일반적으로 쓰는 방법이며 배기열이나 엔진의 냉각수로 매니폴드를 대우는 것이 상식적으로 되어 있다. 그 이유는 엔진 가속시에 응답성을 좋게 한다든지 연료의 균일한 분배를 개선하는데 효과가 있다. 동시에 배기 가스의 유해성분 감소에도 효과가 있다. 이 흡입 가열을 보다 효과적으로 하기 위해 가열 면적을 크게 하는 것은 일반적으로 사용되고 있는 방법이다. |
 [그림 49] 스로틀 보디 |
우리가 스로틀 바디를 잘 살펴보면 작은 호스로 연결돼 있는 것을 보았을 것이다. 그 호스를 만져보면 냉각수 온도와 같이 상당히 뜨거움을 느끼게 된다. 그 이유가 무엇이겠는가? 바로 흡입구를 예열하여 유입되는 공기의 온도를 올리고 그 온도를 이용하여 연료의 기화를 돕기 위함이 아닌가..
연료가 잘 기화된다는 것은 연료의 응결을 방지하여 각 실린더로 유입되는 연료의 균일성에 큰 도움을 준다. 흡입 가열은 분사되는 연료의 양이 작을 때에 효과가 크도록 한 것이며 또한 많은 연료가 분사될 때는 최고 출력을 저하시키지 않기 위해 흡입 온도를 높지 않게 하는 것이 바람직한 방법이다. |
 [그림 50] CA 엔진의 아이들 회전 보정 원리도 |
감속시의 경우처럼 흡입 매니폴드 안이 고진공 상태가 되면 벽면에 부착되어 있는 연료가 일반적으로 기화 또는 무하되어 실린더에 많은 연료의 양이 유입되므로 순간 진한 혼합기가 되는 수가 있다. 이는 감속시의 CO농도를 크게 할 뿐 아니라 완전 연소에 영역에서 벗어나 HC 배출량이 많아지는 원인중의 하나이다.
이를 최대한 방지하기 위하여 대시 포트 기능을 수행하는 것이다. 결국 이 기능은 들어오는 공기의 유입을 천천히 줄임으로써 혼합기가 농후한 쪽으로 되는 것을 방지한다.
또한 엔진이 전자제어화되면서 아이들 접점 스위치를 이용하여 스로틀 개도가 닫혔다는 신호가 들어오게 되면 ECU에서는 연료의 분사를 멈추는 연료-컷 기능을 수행하게 함으로서 위에서 설명한 바의 기능을 향상케 하는 것이다. 일반적으로 캘리포니아주법에서 요구하는 7모드와 같은 운전 조건에서 특히 연성 농도를 측정할 때는 감속시 탄화수소의 고농도를 문제로 삼고 있다.
따라서 이러한 형태의 감속시 대책은 탄화수소를 어느 정도까지 효과적으로 감축할 수 있는 여러 가지 대처 기술이 요구된다. 연료 차단 장치의 그 일부로써 감속시 높은 진공도를 피하고 외부 공기를 ISC 모터를 이용하여 유입하는 장치도 있다. 이 밖에 경부하시의 배기 가스 대책으로서 보완되고 있는 것은 흡입 매니폴드의 에어클리너를 통하여 외부공기를 유입하게 하는 장치가 있다.
이는 감속시의 대책 뿐 아니라 공회전시 등의 공연비를 엷게 하여 준다. 공연비의 특성이라든가 설정치에 관하여 한마디로 말할 수는 없지만 모든 조건을 고려해 공기에 대한 연료를 결정하고 엷은 혼합기 층에서 확실하게 착화할 수 있도록 혼합기의 유속을 빠르게 한 다음 강력한 점화 에너지를 실린더 내부로 방전하여 착화시킴으로써 연료 절감뿐 아니라 배기 가스 대책에도 큰 효과가 있을 것이다.
가솔린 엔진에 있어 점화시기와 점화 에너지는 무척 중요하다. 출력이나 열효율을 고려한 최적의 점화시기(MBT Minimum Spark Advance Torque)는 노크를 일으키지 않는 범위에서의 최고 압력이 상사점 후 8°에서 13°가량일 때 열효율이 가장 좋은 연소를 하는 것으로 알려져 있다. |
 [그림 51] 점화 시기 차이로 인한 실린더 내압의 변화 |
옆의 그림과 같이 점화시기에 따라 실린더 안의 연소 과정이 변화하여 노크를 발생케 하거나 효율을 저하시킬 수도 있다. 점화시기 변화로 인한 실린더 내부압력의 변화 한편, 점화에너지는 어느 정도의 여유를 두고 설계하여 만들어졌기 때문에 큰 문제는 없다고 본다.
전 사이클의 잔류 가스가 많을 때라든가 극히 희박한 공연비에 있어서 화염전파 시간이 느려졌을 때에는 목표하는 최대 팽창 지점에서 팽창을 할 수 없는 조건이기 때문에 강력하고 큰 점화에너지와 점화 플러그의 간격을 크게 해 주거나 그 형상을 변경해 주는 것이 필요하다.
이때 점화 코일의 용량을 크게 하거나 전자제어 방식의 점화장치를 사용하여 열화를 방지하는 것도 상당한 효과가 있으므로 요즘 주로 사용되고 있는 방법이다. 더 나아가 직접 점화 방식을 통한 에너지의 강한 분포를 고르게 하고 점화 코일 또한 High 에너지 코일로 점차적으로 발달되고 있다.
점화 계통에서의 문제점은 화염 전파 조건을 고려한 최적의 점화시기를 제어하는 것이 중요하며 이는 크랭크 1회전당 정밀한 각도를 계산하여 제어할수록 좋다. 요즘 크랭크 앵글 센서나 ECU 프로그램 개발 역시도 어떠한 큰 변화보다는 정밀제어를 하는 쪽으로 발전되어 가고 있다.
점화시기의 엔진 블록에 미치는 경향 아이들링과 같이 엔진의 출력이 작을 경우에도 최적의 점화시기보다 늦어지면 열효율이 저하되기 때문에 유입되는 혼합기의 양을 많게 하지 않으면 좋은 토크를 유지하기가 곤란하다. |
 [그림 52] 점화 장치 |
극단적으로 보면 상사점 후 10도 이상 늦은 점화를 하면 공기량이라든가 연료가 2배 이상으로 필요하게 되고 이와 같은 일은 배기 온도를 상승하게 하여 배기 계통의 산화 및 촉매를 손상시킬 수 있다.
또한 공기 유량이 많기 때문에 당연 흡기관의 부압도 작아진다. 엔진이 공회전시에 점화시기를 상사점 후까지 늦추는 기술은 많은 연구를 통하여 보완하여야 하며 앞으로 배기 가스 정화 기술로서 폭 넓게 사용될 기술의 하나일 것이다. |
 [그림 53] 최적의 점화 시기 |
| 공회전수 이상의 연소 조건이 나쁠 경우로써 엔진 브레이크가 걸리는 감속 조건에서도 점화시기를 늦추는 것에 의해 연소는 되지만 엔진의 출력 부가는 큰 영향을 주진 않는 것 같다. |
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