기관 13 > 엔진 흡배기 장치
1. 개요
내연기관은 동작유체로서 공기를 외부로부터 흡입한 다음 연료를 분사하거나 분출시켜 연료와 공기의 혼합기를 연소시킨다. 연소실의 연소가스는 피스톤에 일을 한 후 대기 중으로 방출된다. 이와 같이 실린더 내로 공기를 흡입하는 통로를 흡기 다기관(吸氣 多枝管, intake manifold)이라 하고, 연소가스를 배출하는 통로를 배기 다기관(排氣 多枝管, exhaust manifold)이라 한다.
2. 흡기 다기관(intake manifold)
흡기 다기관은 공기를 흡입할 때 벽면의 저항과 충돌저항, 각 실린더와의 간섭 등으로 흡기 압력이 낮아져 실린더의 충전효율이 떨어진다. 이와 같은 저항을 최소화하기 위하여 여러 가지 모양의 흡기 다기관을 사용한다. 위의그림은 기관의 흡배기 다기관의 모양이다.
3. 배기 다기관(排氣 多枝管, exhaust manifold)
배기 다기관은 연소 가스를 배출할 때 벽면의 저항과 충돌저항, 각 실린더와의 간섭 등으로 배기 압력이 높아져 배출 능력이 떨어지고 신기의 흡입을 방해하여 실린더의 충전효율(充塡效率)을 떨어뜨린다. 이와 같은 저항을 최소화하기 위하여 여러 가지 모양의 배기 다기관을 사용한다. 그림 4-27은 직렬 4기통 기관의 배기 다기관의 모양이다. 그림 기관의 배기관의 형태이다.
4. 흡 배기관의 효과
1) 맥동효과(pulsation effect) : 흡기밸브가 열렸다가 닫히면 흡기관 내에 남아있는 맥동파가 다음의 흡기행정에 영향을 미치는 현상을 말한다. 흡기밸브가 열리면 밸브 쪽에 있던 공기가 흡입되어 그 곳은 부압(負壓)이 되며, 이 부압은 흡기관 내를 전파하여 간다. 흡기밸브가 닫히면 이 부압은 밸브 쪽으로 되돌아온다. 이때 다시 흡기밸브가 열려 밸브가 열리는 주기와 부압이 돌아오는 주기가 일치하면 실린더의 안과 밸브 쪽의 압력 차가 작아 흡기량이 작아진다. 그러나 부압의 맥동이 밸브가 닫힐 때와 일치하면 반대로 흡기량이 증가하게 된다. 이렇게 되도록 흡기관의 길이를 설계하면 기관의 체적효율을 높일 수 있다.
기관을 모터링(motoring)하고 흡기관의 길이를 변경하면서 체적효율을 조사해보면 일반적으로 흡기관의 길이에 따라서 체적효율이 곡선 상으로 몇 개의 산과 골로 나타난다. 이 현상은 관내의 기주(氣柱)의 진동과 밸브개폐의 주기와의 일치현상으로서 설명할 수 있다. 관내에 있는 기주(氣柱)의 진동은 종 진동임으로 그 파동은 종파(소밀파)이다.
2) 관성효과(inertia effect) : 흡기의 관성효과는 흡기행정의 초기에 흡기관계에 생긴 압력펄스가 흡기행정의 후반에 미치는 영향을 말한다. 흡기행정에서 흡기밸브가 급히 열리면 기주(氣柱)의 관성 때문에 부압이 생긴다. 이 부압 펄스는 흡기관 내를 지나서 흡기관의 개방단(開放端)에서 반사되어 일정시간 후에 정압펄스로서 되돌아온다. 흡기관의 길이가 충분히 길고 되돌아 오는 시간이 흡기기간 보다 크면 최초의 반사펄스는 흡기 과정에 직접적으로 영향을 미치지 못한다. 그러나 흡기관이 짧은 경우는 흡기 과정이 끝나지 않은 가운데 반사펄스가 되돌아 와서 흡기압과 합성 파를 형성하여 흡기 압력을 높인다. 이와 같이 흡기관의 길이를 적당히 선택하면 기관의 체적효율은 상당히(100% 이상) 증가한다. 흡기 밸브가 닫힌 후에도 흡기관 내에는 압력진동이 남아있다. 이 압력은 점차로 감쇠 되어가지만, 다음의 흡입사이클과 잘 겹치게 되면 흡기 밸브가 닫히는 직전의 압력을 더욱 높여 체적효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 흡기 밸브와 배기 밸브의 겹침(over lap)이 일어날 때는 배기 압력에 의하여 흡기의 관성효과는 더욱 커진다. 관성효과는 흡기 관계 내의 유동저항의 영향을 받는데 관의 직경을 크게 하면 관성이 약해지고 작게 하면 저항이 증가한다. 그러므로 기관의 행정체적에 따르는 최적의 관의 직경을 선정하여야 한다. 또한 한 실린더가 흡입을 완료하지 않은 가운데 다른 실린더가 흡입을 시작하면 흡기 간섭(interference in intake manifold)에 의하여 충분한 관성효과를 얻을 수 없음도 고려하여야 한다.
3) 배기관계의 효과 : 이상과 같은 효과는 배기관 계통(exhaust manifold)에서도 거의 같이 성립한다. 배기 밸브의 열림과 동시에 다량의 배기 에너지가 배기관으로 방출되어 배기관 내의 압력은 급상승하여 정압 펄스가 생긴다. 이 압력펄스는 배기관 내에 압력진동을 만들고 배기 밸브가 열리고 있는 기간동안에 흡기의 부압 기간이 일치하면 흡기 능력은 더욱 효과가 커진다. 실제의 기관에서는 부하의 증감에 따라서 배기 온도가 변하기 때문에 배출 속도도 변화하며 소음기의 영향도 크므로 흡기관의 경우보다도 문제는 복잡하다. 배기 측에 원추형의 확산기(diffuser)를 부착하면 배기 후의 부압 펄스가 크게 됨과 동시에 반사 파가 원추 관으로부터 연속하여 되돌아오기 때문에 배기 밸브 직후의 부압 펄스의 기간이 길게 되면 체적효율을 크게 하는 동조 회전속도의 폭을 넓힐 수 있다. 이 방법은 오토바이기관 등에서는 실용화하고 있다.