요즘 많은 분들이 자동차에 대해서 관심이 많으신데요. 내연기관 자동차 엔진 실린더에서 공기와 연료가 혼합되고 연소되면서 발생하는 가스를 자동차 외부로 배출하는 배기시스템은 내연기관 자동차에서 없어서는 안 될 중요한 시스템 중에 하나입니다. 오늘은 자동차 배기 시스템의 정의, 기능, 구조 및 고장 유형 및 원인에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.
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- 자동차 배기 시스템(Exhaust System)이란 무엇인가?
- 배기 시스템의 기능
- 배기 시스템의 구조 및 주요 파트
- 자동차 배기 시스템의 고장 유형과 원인 그리고 증상
- 마무리
자동차 배기 시스템(Exhaust System)이란 무엇인가?
자동차의 배기 시스템(Exhaust System)은 엔진에서 연소하고 발생한 배기가스를 차량 바깥으로 배출하면서 환경을 위한 대기 오염을 줄이고, 공기와 혼합된 연료가 연소 폭발하면서 발생하는 시끄러운 소음을 줄여주는 중요한 시스템 중에 하나입니다. 또한 배기 시스템은 자동차의 성능 및 연비에 영향을 미치며 환경에 영향을 미치는 핵심적인 요소 중 하나입니다.
배기 시스템의 기능
- 배기가스의 배출
엔진에서 연료가 연소되면서 발생하는 높은 온도(600 ~950 ºC)의 배기가스를 외부로 안전하게 배출 - 소음 감소
머플러라고 불리는 소음기를 통해 엔진에서 발생하는 소음을 줄이는 역할
- Oriffice Noise
- Shell Noise
- 배기 사운드 질 향상 - 배압(Back Pressure)에 의한 성능 저하의 최소화
- 대기 오염 감소
촉매 정화기 (Catalyitc Convertor), SCR 또는 DPF 시스템을 통해 유해 배기가스(HC, CO, Nox)를 정화 - 열관리
배기가스의 높은 열을 분산시켜 엔진 및 자동차 시스템의 과열을 방지하는 역할 - 연비 및 성능 향상
배기가스의 흐름을 최적화하여 엔진의 효율성을 극대화
배기 시스템의 구조 및 주요 파트
배기 매니폴드 (Exhaust Manifold)
자동차 엔진의 각 실린더에 연결되어 연소된 이후의 높은 온도의 배기가스를 수집하고 배출
촉매 정화기 (Catalytic Converter)
자동차 엔진에서 연료가 연소되면서 발생하는 환경과 인체에 영향을 미치는 오염 물질, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등을 화학반응을 통해 이산화탄소, 수증기 등으로 정화, 감소시켜 주는 역할을 하는 시스템입니다.
- 산화 반응 (Oxidation Reaction)
CO +1/2 O2 → CO2
2HC + 5O2 → 2CO2 + H2O
H2 = 1/2 O2 → H2O - 저감 반응 (Reduction Reaction)
CO + NO → 1/2N2 + CO2
H2 + NO → 1/2N2 + H2O
HC + NO → N2 + H2 + CO2
DPF(Desel Particulate Filter) 시스템
디젤 자동차의 배출가스 중 미세 매연 입자, PM(Particulate Matters)을 포집하고 연소시켜 제거하는 시스템입니다.
PM (Particulate Matters, 미세입자)
- Liquid HC
엔진 오일과 연료의 불완전 연소에 의해 발생 - Carbon Soot
엔진의 불완전 연소에 의해 생성 (검은 매연) - Water (H2O)
엔진의 연소에 의해 생성 - Sulfate(SO2)
연료 속의 황 성분이 산화되어 생성 - SOF(Soluble Organic Fraction)
윤활유나 연료에서 추출되는 유기성 물질의 입자 - Ash
윤활유 첨가제가 연소되면서 형성되는 메탈 성분 Ash (S, P, Ca, Zn, Mg)
엔진 마모의 원인으로 형성되는 메탈 옥시드(Metal Oxides) 성분의 Ash (Fe, Cu, Cr)
배기 매니폴드 등의 부식으로 형성되는 아이언 옥시드 (Iron Oxides) 성분의 Ash (Cr, Ni, Al)
소음기 / 머플러 (Muffler)
보통 엔진 배기량의 7.5배 또는 12.5배까지의 용량으로 설계되며, 엔진에서 연료가 빠르게 연소되는 과정에서 발생하는 고주파 소음과 폭발음을 흡음재를 통하여 감소시켜 주는 역할 및 배기가스의 흐름을 제어하여 강한 배기가스로 인한 백압(Back Pressure)을 최적화시켜 주는 중요 부품 중에 하나입니다.
소음 형식에 의한 분류
- 반사형 머플러 (Reactive Type, Reflective Type, 팽창형, 공명형, 간섭형 등)
단면적의 불연속에 의한 Impedance Mismatch
일부 에너지를 음원 측에 반사 - 소실형 머플러 (Resistive Type, Dissipative Type)
- 반사 소실 조합형
기하학적 형상에 따른 분류
- 관통류 형 (Throw Flow Type)
- 편위형 (Offset Inlet/Outlet Type)
- 역류형 (Reverse Flow type)
- 측류형 (Side Flow Type)
플렉시블 조인트 (밸로우즈)
배기 시스템의 파이프와 파이프 연결 중간에 연결하여 엔진의 롤(Roll) 운동 등이 배기 시스템 및 차체에 전달되지 않도록 감쇄시키는 역할을 하는 플렉시블 한 파이프로서, 저주파 밴딩 모드(Bending Mode)에 의한 응력을 감소시키고 배기 파이프의 열팽창에 의한 길이 변화를 흡수하는 역할을 하게 된다.
행거 (Hanger)
엔진 배기 매니폴드로부터 시작된 전체 배기 시스템을 자동차 하부 차체 또는 프레임에 연결 마운팅하는 고무 부품으로 배기 시스템의 진동 전달을 최소화하고 무브먼트 (Movement) 최소화하는 기능을 하며, 행거의 위치에 따라 기능에 대한 성능이 차이가 발생하기 때문에 설계 단계에서 최적의 위치를 선정하는 것이 중요합니다.
히트 실드 (Heat Shield)
배기 시스템 라우팅 주변에 배기 시스템의 높은 열이 전달되지 않도록 차단하는 기능하는 부품입니다.
자동차 배기 시스템의 고장 유형과 원인 그리고 증상
촉매 정화기 (Catalytic Converter) 손상
원인
- 연료 혼합비가 잘못되어 불완전 연소가 상당히 큰 상태로 촉매에 전달
- 연소된 연료의 분산물이 촉매를 막는 경우
- 엔진 오일 누유
- 장시간 고속 주행 또는 엔진 과열로 촉매가 과열되는 경우
증상
- 자동차의 출력 감소 및 연비 저하
- 배기가스에서 썩은 달걀 냄새가 나는 경우
- 엔진 경고등 점등
소음기/머플러 및 배기 파이프 손상
원인
- 도로 바닥에서의 충격으로 인한 외부 손상
- 겨울철 염화나트륨에 의한 부식
- 배기 파이프 연결 부위 헐거움 또는 파손
증상
- 주행 중 비정상적인 배기 소음
- 자동차 하부로의 배기가스 누출
- 차량 진동(특히 정차 시)
EGR (Exhaust Gas Recirculation) 밸브 고장
원인
- EGR 밸브에 탄소 찌꺼기가 쌓여 막히는 경우
- EGR 밸브 작동 불량
증상
- 자동차 가속 불량 또는 출력 저하
- 엔진 점화 불량 또는 진동
- 엔진 경고등 점등
산소 센서(Oxygen Sensor 불량)
원인
- 센서 노화
- 배기 시스템 내부 오염물질로 센서 오염
증상
- 연료 혼합비 조절 불량으로 연비 저하
- 엔진 경고등 점등
배기 파이프 막힘
원인
- 촉매 정화기 내부의 찌꺼기가 배기 파이프를 막는 경우
- 배기 시스템에 이물질 유입(나뭇잎 또는 플라스틱)
증상
- 엔진 출력 저하 및 배기음 둔탁해짐
- 주행 중 자동차의 속도가 느려지고 엔진 과열 발생
- 연비 불량
마무리
자동차의 배기 시스템은 자동차 소음의 감소 및 환경 보호를 위한 기능을 하는 자동차의 중요한 시스템 중에 하나입니다. 따라서 지금까지 자동차의 배기 시스템의 정의, 기능, 구조, 주요 부품들, 고장 유형및 원인 그리고 증상 등등에 대하여 알아보았습니다. 또한 자동차의 배기 시스템은 위에서 설명 드렸듯이 엔진에서의 연료 연소 후 높은 온도의 배기가스를 자동차 하부를 통해 배출하는 기능을 하는 시스템으로서 도로 아래로 부터의 충격으로 인한 고장이나 겨울철 도로의 염화나트륨 등으로 인한 부식에 취약한 시스템입니다. 따라서 자동차의 성능 유지나 쾌적한 주행 환경을 위해서는 반드시 정기적인 유지 보수가 필요한 시스템이니 유의하시길 바랍니다.
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