자동차 배기장치에 대해서 살펴보기

도로 위에 지나는 자동차들 중에 유독 존재감을 크게 나타내는 차들이 있습니다. 주로 고성능 차의 경우에는 순정으로 배기소리가 탑재되어 있기도 하고 튜닝을 통해서도 소위 팝콘소리라고도 하는 배기의 소리를 내면서 도로 위를 달리는데요. 
 
배기를 튜닝하는 데 있어서 잘 알고 하지 않을 경우 차의 기능에 영향을 줄 수 있기 때문에 어느 정도 이해도가 필요하다고 개인적으로 생각합니다. 그래서 오늘은 배기장치가 어떻게 구성되어 있는지 부터 꼼꼼하게 살펴보려고 합니다.  그럼 함께 살펴보도록 할까요? 
 

배기장치란 무엇일까요? 

단순히 소리를 위한 장치가 아니라는 사실은 모두 알 것입니다. 그렇다면 배기장치는 어떤 역할을 하는 장치일까요?
배기장치는 흡기장치로 엔진으로 들어온 공기를 연소 후에 공기 중으로 배출해 주는 역할을 합니다. 
연소하면서 배기가스가 생성되는데 이 배기가스를 원활하게 배출해 주는 것이 배기장치의 역할입니다. 
조금 더 자세하게 들어가 보면 연소과정에서 배기가스는 높은 압력과 고온열이 발생하게 되는데 이것을 그대로 배출할 경우에는 대기오염물질과 고온의 열과 소음이 발생하기에 배출하는 과정에서 여러 번의 조치를 하게 됩니다. 
 
그리고 더 자세하게 구조들을 살펴보겠지만 배출뿐만 아니라 이외에도 다양한 역할들을 수행하고 있기 때문에 현재도 이 배기장치의 효율을 위한 다양한 연구들이 이뤄지고 있다고 합니다. 
배기장치는 고온열에 지속적으로 노출되고 차량 하단부에 위치하기 때문에 구조적으로 차체의 충격으로 인한 부화와 연소과정에서 배출되는 화학물질과 수분으로 인해 부화되는 극한의 환경에 노출된 장치입니다. 그렇다 보니 소모품에 속하고 보통은 알루미늄 도금의 스틸계열로 만들지만 내구성을 강화하기 위해서 합금스틸소재로 만들기도 합니다. 
 

배기장치의 구조와 역활 그리고 기능 살펴보기

배기장치는 크게 총 6가지의 구성으로 되어있습니다. 
배기 매니폴드, 촉매변환기, 머플러 이렇게 총 3가지로 되어있는데 각자의 역할과 기능들도 함께 살펴보도록 하겠습니다. 
 

배기 매니폴드

배기 매니폴드 사진

배기 매니폴드는 엔진으로 들어간 공기가 연소하여 배기장치중 가장 먼저 만나는 부분이다. 
배기 매니폴드는 각 기통의 연소실과 각각 관으로 연결되어 있는 다기관의 구조를 가지고 있는데 말 그대로 배기가스를 배기관을 통해 배기장치로 원활하게 전달해 주는 역할을 수행합니다. 
 

배기 매니폴드에서 발생할 수 있는 문제들

배기 매니폴드에서 발생할 수 있는 문제로는 배기가스의 흐름이 각 기관에 있는 다른 배기가스의 흐름에 영향을 주는 것입니다. 처음에 여러 기통에서 연소를 통해서 만들어진 배기가스가 결국 마지막의 매니폴드의 하나의 관으로 합쳐지는 과정에서 서로 부딪히게 되는 경우에 흐름이 원활하지 못해 지는 현상이 발생할 수 있습니다. 이 현상을 배기 간섭이라고 말하는데 이 경우에 한 실린더에 있는 배기가스가 다른 실린더로 역행하는 상황이 생길 수 있어서 실린더의 배기를 방해해서 배기가 잘 이루어지지 못하게 합니다. 
 

배기 매니폴드에서 발생하는 배기간섭 해결방법

기본적인 해결책은 매니폴드를 길게 하고 배기관의 각도를 조절하는 것입니다. 
실린더의 배기순서를 고려해서 배기관의 길이를 조절하고 연소실을 위해 배기관을 모으기도 합니다. 
 
 

촉매변환기

촉매 변환기 사진

배기가스가 배기 매니폴드를 지나 두 번째로 만나는 것이 바로 이 촉매 변환기입니다. 
엔진으로 들어간 공기가 연소하면서 만들어진 대기가스는 오염물질이 섞여있는데 일산화탄소와 탄화수소 그리고 질소산화물이 있습니다. 

배기가스 안의 오염물질은 어떤 것이 있을까?

일산화 탄소 (CO)		연료의 불완전 연소로 인해 발생한다.
탄화수소 (HC)		연소하고 남은 연료이다.
질소산화물 (NOx)		고온으로 인해 공기중의 질소와 산소가 결합한 물질이다.

이처럼 연소과정을 통해서 배기가스 안에 여러 가지의 오염물질이 있는데 이 오염물질들을 무해한 성분으로 전환하기 위해서 도와주는 장치가 바로 촉매 변환기입니다. 
 
일단 촉매변환기의 촉매는 자신은 변하지 않고 주위의 화학반응을 촉진시키는 물질을 사전적으로 말합니다. 
촉매변환기의 가장 기본은 알루미늄으로 하는데 여기에 백금과 로듐 그리고 팔라듐 같은 희토류 금속을 추가한 물질을 촉매로 사용한다고 합니다.
이러한 촉매를 통해서 배기가스가 촉매변환기에 들어올 경우 화학반응을 일으켜 무해한 이산화탄소, 물, 질소로 변환시켜 주는 역할을 수행합니다. 
위에 설명한 세 가지 물질에 대한 화학반응을 일으키기 때문에 삼원촉매라는 명칭이 있습니다. 
 
그런데 디젤 엔진의 경우에는 추가적인 장치들이 필요합니다. 그 이유는 디젤 엔진이 가솔린 엔진보다 최대 100배 이상의 질소 산화물과 미세먼지를 발생시킨다고 합니다. 그래서 이런 유해물질을 정화하기 위해 EGR, DPF, LNT SCR 등 추가적인 정화장치들이 필요하다고 합니다. 
 

머플러

머플러 사진

마지막으로 살펴볼 것은 머플러입니다. 일명 팝콘소리를 만들어주는 역할을 하는 곳인데요 배기가스는 연소로 인해 압력이 높기 때문에 좁은 배기장치를 통과해 바로 공기 중으로 배출되면 급격한 팽창이 일어나게 됩니다. 
이때 팽창과 함께 엄청난 소음이 발생하는데 이것을 방지하기 위해 배기장치 마지막에 장착되어 있는 것이 바로 이 머플러입니다. 
 
머플러에는 여러 가지 필터가 설치되어 있는데 이 필터들을 거치면서 소음과 온도를 낮춰준다고 합니다. 
머플러는 보통 엔진의 출력의 15% 정도 영향을 준다고 하는데 경주용차들의 경우 소음이 더 큰 이유는 엔진의 출력효율을 위해서 머플러의 성능을 떨어뜨리기 때문입니다. 
 

머플러의 설계방식

머플러는 보통 소리를 감소시키기 위해서 배기가스의 진행방향을 바꾸거나 반사시키도록 설계하는데 이런 설계를 통해 배기가스의 소리가 여러 방향으로 분산되고 소멸됩니다. 이러한 효과 극대화를 위해 흡음재나 공명제를 넣기도 합니다. 
 

머플러의 종류

머플러의 종류는 총 세 가지인데 방식에 따라 팽창식, 공명식, 흡음식으로 나누어져 있습니다. 
 
팽창식
일단 팽창식은 머플러 내부의 공간을 몇 개의 팽창실로 나누어 놓고 배기가스가 이곳을 지날 때 단계적으로 압력을 낮춰줍니다. 음파 간섭을 통해서 소리를 극단적으로 줄이는 방식입니다. 
 
공명식
공명이란 여러 소리가 합쳐질 때 소리가 커지거나 작아지는 것을 말하는데 이 공명현상을 이용한 공명식 머플러는 팽창실 벽에 배기가스 소리를 반사시켜서 돌아오는 소리와 이후에 발생된 소리의 거리를 조절해서 두 소리가 만났을 때 공명현상을 일으키는 방식입니다. 
 
흡음식
배기가스가 흡음재를 통과하여 소음에너지를 마찰에너지를 통한 열에너지로 바꾸는 방식입니다. 
머플러 내에 유리 섬유등으로 만든 흡음재가 들어있는데 배기가스가 이 흡음재와 만나면 소리에너지를 빼앗기게 됩니다. 
 
일반적으로는 여러 가지 방식을 소음기 하나에 사용함으로 배기가스로 인한 소음을 억제합니다. 
그리고 각 나라의 기준치에 따라 머플러는 다르게 만들어지고 있으니 참고하시길 바랍니다. 
 

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마치는 글

오늘 배기장치에 대해서 알아보았습니다. 배기의 역할과 각각 구성 장치들의 역할들을 살펴보니 인간의 기술력의 위대함과 섬세함에 감탄하게 되고 자동차에 들어간 이 기술들이 얼마나 중요한 역할을 감당하고 있는지 알게 된 것 같습니다. 
배기장치에 대해서 공부할 수 있는 시간이 된 거 같아 행복합니다. 그럼 앞으로 더 좋은 정보들을 가지고 찾아뵙겠습니다. 글을 읽어주셔서 감사드리고 이상으로 자동차 배기장치에 대해서 알아보기에 대한 글을 마치도록 하겠습니다.