1. 체적효율을 높인다
흡기 행정이 끝났을 때의 실린더내 혼합기 압력은, 에어클리너 및 덕트 등의 통기 저항 때문에, 공기를 들이는 입구의 외기 압력보다 낮다.
또 그 온도도, 흡입될 때에 뜨거운 밸브 및 실린더 벽에 접촉하여 높게 되어 있다. 공기의 밀도는 압력이 낮다든지, 온도가 높게 되면 작게 되기 때문에, 실제로 실린더에 흡입되는 혼합기의 질량은, 배기량으로부터 계산하여 얻어지는 질량보다도 작게 되어 버리는 것이 된다.
엔진 혼합기의 흡입 능력을 표시하기 위해서는 체적 효율이 사용된다. 이것은 엔진 배기량에 대해 실제로 얼마만큼의 공기가 들어가는지를 비율로 표시하는 것으로, 흡입된 혼합기의 질량을, 그때의 온도, 압력에서 배기량분의 용적을 차지하는 혼합기의 질량으로 나눈 것으로 나타낸다. 충진 효율이라고 하는 경우도 있지만, 이것은 온도와 압력이 표준 상태 (25℃, 99kPa) 에 있을 때의 체적 효율인 것이다.
엔진 최대 출력을 크게 하기 위해서는 이 체적 효율을 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하고, 그 수단을 종합해 보면 아래와 같게 된다.
⑴ 외기를 가능한 한 뜨겁지 않게 하여 매니폴드에 도입하고, 과급기가 붙은 엔진은 인터쿨러를 붙여, 흡기 온도를 올리지 않도록 한다.
⑵ 밸브 수를 많게 한다든지, 덕트 및 매니폴드를 가능한 한 크게 하고, 구부러진 반경을 크게 하는 등으로 하여 흡기 저항을 작게 한다.
⑶ 밸브 경과 밸브 리프트를 크게 하고, 밸브 타이밍을 적정하게 한다.
⑷ 흡기 매니폴드 길이를 엔진 저속 회전시는 길게, 고속 회전시는 짧게 하여 관성 효과와 맥동 효과를 잘 이용한다.
⑸ 과급기를 붙여 흡기압을 높인다.
여기에서는 흡기 행정에 관계하는 것만을 높인 것이지만, 물론 배기 행정에서 연소 가스를 가능한 한 완전히 배출하는 것도 체적 효율을 높이기 위해서는 중요하다. 구체적으로는 위에 서술한 흡기계의 고려 방안 내에, ⑴의 온도와 ⑸의 과급기를 제외하고 ⑵∼⑷를 배기계에 적용한다든지, ⑵의 흡기 저항을 배기 저항으로, ⑶의 흡기 관성 효과를 배기 관성 효과로 하고, 배기 간섭을 가능한 한 작게 하는 식으로 하면 좋다는 뜻이다. 즉 과급기를 붙이면 그만큼 배기 저항이 커지게 되는 것은 말할 것까지 없다.
엔진을 튠업하여 출력을 올리는 식으로 할 때, 어려운 항목도 있지만, 몇몇인가를 행하면 그 효과를 기대하는 것이 가능할 것이다.
2. 흡기 관성효과와 맥동효과
공기의 관성과, 음이 공기중을 통과할 때에 밀도가 높은 부분과 낮은 부분이 연속하여 조밀파가 가능한 것을 이용하여, 밀도가 높은 공기를 엔진에 넣는 것을, 각각 흡기 관성효과와 맥동효과라고 부르고 있다. 관성효과는, 압축기를 사용하여 밀도를 높인 공기를 엔진에 공급할 때에 과급이라고 하는 단어를 사용하고, 관성과급이라고 불리는 것도 있다.
엔진에 들어가는 공기는 기체로서의 관성을 갖고 있고, 동시에 음파를 전달하는 매체이기도 하다. 인테이크 매니폴드 중의 공기 흐름은 밸브에 의해 주기적으로 차단되는 것이기 때문에, 매니폴드 중에 밀도가 짙은 부분과 옅은 부분, 요컨대 압력진동이 발생하고, 이에 의해 흡기 관성효과와 맥동효과가 얻어진다. 압력진동이 발생 사이클의 흡기 행정에 직접 영향을 미치는 경우를 관성효과, 감쇠하지 않고 다음 사이클에 영향을 미치는 경우를 맥동효과로서 구별하고 있지만, 분리하기 어렵기 때문에 여기에서는 공기 관성을 주로 고려하는 경우를 관성효과, 음파로서 고려하는 경우를 맥동효과로서 이야기를 진행하겠다.
우선 흡기 관성효과는, 혼합기가 실린더에 유입되고 있는 상태에서 흡기 밸브가 닫혔다고 해보자. 혼합기에는 관성이 있기 때문에, 밸브가 닫히는 순간에 인테이크 매니폴드 중의 혼합기가 일제히 멈춰버리는 것은 아니어서, 그대로 계속 흐르려고 한다. 그러면, 뒤에 연속되는 공기에 의해 앞에 있는 공기가 밸브 앞에서 눌려 버리게 된다. 요컨대 포트 부분의 공기 밀도가 높아지게 된다는 뜻이다. 그때 타이밍 좋게 밸브가 열리면 밀도가 높은 공기를 실린더에 잘 넣는 것이 가능하다. 이것이 관성효과이다.
포트 부분의 공기 밀도가 높아지게 된다고 하는 것은, 그 뒤에 연속되는 공기 밀도가 상대적으로 낮게 된다는 뜻이므로, 이 부분에 압력진동, 요컨대 음이 발생하게 되어, 이 진동은 음속으로 매니폴드를 통과한다. 그래서 매니폴드 끝에서 반사하여, 다시 포트 쪽으로 되돌아 오지만, 이 음파 밀도가 높은 부분이 포트 쪽으로 갈 때에, 밸브가 잘 열려 있으면, 같은 식으로 밀도가 높은 공기를 실린더에 넣는 것이 가능하다. 이것이 맥동효과이다.
두가지 효과는 뒤엉켜있어 분리하는 것은 불가능하지만, 그 효과를 최대로 하기 위해서는, 밸브가 열렸을 때에 포트 부분의 공기 밀도가 크게 되도록 압력진동을 매니폴드 중에 만든다면 좋다. 그것을 결정하는 것은 흡기 매니폴드의 굵기와 길이 및 흡기 포트의 형상이다.
3. 가변 흡기 시스템
인테이크 매니폴드 중의 공기 흐름은 똑같지 않아서, 흡기 밸브가 열리든지 닫히든지 함에 따라 세차게 흐르고 있다. 요컨대 흐름중에 공기 밀도가 높은 부분과 낮은 부분이 있어, 밀도가 높은 부분이 포트에 왔을 때, 이상적으로는 밸브가 닫히기 직전의 흡기 속도가 최대로 되어 있을 때 이 부분의 밀도가 높으면, 흡기 관성 효과는 최대로 된다.
이 맥동류의 주기는 매니폴드의 굵기와 길이에 따라 결정되고, 굵기가 같다면 긴만큼 낮게 된다. 이것은 피리를 불때에 부는 입과 손가락으로 누르는 구멍 사이의 거리가 길면 음은 낮은 것을 생각하면 이해할 수 있다. 보통의 엔진은 매니폴드의 길이는 결정되어 있으므로, 엔진이 어떤 회전수일 때는 흡기 관성 효과가 있지만, 회전수에 따라서는 포트 부분에 밀도가 낮은 부분이 와서, 역으로 공기의 충진 효과가 나쁘게 될지도 모른다.
그래서 엔진 회전수에 따라 매니폴드의 길이를 변화시키는 것이 고안되었다. 요컨대 같은 시간 사이에, 밸브 개폐 회수가 많은 고회전일 때에는 매니폴드 길이를 짧게 하여 주기를 짧게 하고, 역으로 낮을 때에는 길게 하여 주기를 길게 한다면, 회전수가 넓은 범위에 걸쳐 흡기 관성 효과를 얻는 것이 가능하다고 하는 뜻이다. 이것이 가변 흡기 시스템으로, 가변 관성 과급 시스템이라든지 가변 흡기 제어 등으로 불리는 것도 있다.
인테이크 매니폴드 길이의 컨트롤에는 여러 가지 타입이 있지만, 매니폴드를 두 개의 그룹으로 나누어 연결 가능하도록 하여 두고, 고속시에는 나누고, 저속시에는 전체 매니폴드를 연결하여 실질적인 매니폴드 길이를 길게 하는 방식과, 매니폴드에 바이패스를 설치하고, 저속시에는 공기를 이 바이패스로 흐르게 하고, 고속시에는 바아패스를 닫아 그 길이를 조정하는 방식이 잘 채용되고 있다.
그런데, 몇몇인가의 매니폴드를 연결한 경우, 각 매니폴드 사이에서 공명이 일어나는 것이 있다. 이것은 연결된 별개의 매니폴드 사이에 같은 주파수의 압력 진동이 발생하는 현상으로, 이것이 일어나면 고속시의 관성 과급 효과가 얻어지지 않는다. 이것은 매니폴드가 연결되어 있는 부분에 설치된 空氣溜인 인테이크 컬렉터의 용적을 크게 하여 방지하는 것이 가능하지만, 공명이 일어나면 중저속에서는 역으로 관성 과급 효과가 높아져서 충진 효율이 올라가는 것이 많아져, 이것을 공명 과급 효과로 부르고 있다.
4. 배기 시스템
연소 가스는 실린더 헤드의 이그조스트 포트를 열어 이그조스트 매니폴드에 넣어, 이그조스트 파이프에 하나로 모아져, 가스를 정화할 목적의 촉매 컨버터, 음을 작게 하는 사일런서(머플러)를 통하여, 배출된다.
배기 시스템에서 최고로 중시되는 것은 두말할 나위 없이 SMOOTH한 배기를 하는 것이다. 특히 매니폴드의 집합부에서 각 기통의 배기가 부딪치고 있어, 서로의 흐름을 방해하지 않도록 한다든지, 흡기계와 같은 원리의 배기 관성 효과를 이용하여 보다 배기 효율이 올라가도록 노력하고 있지만, 엔진으로부터 바디 아래를 통하여 후방의 머플러까지의 취부에 제약이 많기 때문에, 성능을 좋게 하는 것과의 균형이 어렵다.
이그조스트 매니폴드는 내열성이 좋은 주철로 만들어지는 것이 보통이지만, 스테인레스製도 있다. 일반적으로 저연비가 추구되면, 적은 연료를 효율좋게 연소시킬 목적으로 공연비는 크게 되는 방향으로 되어, 연소 온도는 높게 되기 때문에, 배기계를 보다 내열성이 좋은 것으로 한다든지, 배기계를 走行風으로 냉각하는 등의 대책이 행해지고 있다.
촉매 컨버터는 두말할 나위 없이 배기를 정화할 목적의 것이기 때문에, 매니폴드의 근처에 배치되는 매니폴드 촉매와 플로아 아래에 배치되고 있는 床下촉매가 있다. 매니폴드 촉매 쪽이 배기 온도가 높은 범위에서 배기를 처리하기 때문에 효율이 좋지만, 열화가 빠르기 때문에 2개 사용하고 있는 것도 있다. 床下촉매는 열화는 늦지만 정화 능력이 높고 큰 것이 붙여져 있다.
머플러는 배출 가스의 온도와 압력을 내리고, 배기음을 작게 할 목적으로 붙여져 있지만, 동시에 음질에도 영향을 미친다. 머플러에는 내부를 미로 식으로 간막이가 되어 그 사이로 배기를 통과시키는 타입과, 곧 바로 튜브에 많은 구멍을 열어, 그 주변으로 그래스 월 등의 소음재를 채운 스트레이트 머플러가 있다. 미로 타입 머플러 쪽이 소음 효과는 크지만 통기 저항도 크다. 역으로 스트레이트 머플러는 엔진 출력 상으로는 유리하지만, 음이 큰 경향이 있다.
또 머플러를 통과하는 파이프를 2개로 하여, 엔진 회전을 억제하여 느긋하게 주행하고 있을 때에는 1개의 파이프만을 사용하고, 배기를 미로 부분에 통과시켜 음을 작게 하고, 회전을 올려 엔진에 높은 부하를 걸어 주행하고 있을 때에는 1개 더 스트레이트 타입의 머플러도 사용하여 배기 가스가 통과하기 쉽도록 한 것도 있다.
5. 배기 관성효과와 맥동효과
이그조스트 매니폴드의 성능으로서 큰 것은 SMOOTH 한 배기이지만, 이것을 방해하는 현상에 배기 간섭이 있다. 각 실린더로부터는, 점화 순서에 따라 연소 가스가 배출되지만, 매니폴드에서 하나로 합쳐지기 때문에, 잘 조성되어 있지 않으면, 한 실린더의 배기가 통과하고 있을 때 다른 실린더로부터의 배기가 와서 연결된다든지, 매니폴드내의 압력이 높아지게 되어, 연소 가스가 잘 배출되지 않는다.
배기 간섭은 배기 밸브로부터 각 실린더의 집합 부분까지의 거리를 길게 한다든지, 각 실린더의 집합 부분 각도를 예각으로 하여 배기 흐름을 잘 한다든지 하는 등에 의해 방지하는 것이 가능하지만, 다기통 엔진일수록 모여지는 매니폴드 수가 많아지므로, 그 대책은 어렵다.
도요타의 직렬 6기통 터보 엔진은, 6개의 이그조스트 매니폴드를 1개에 모으게 되면, 그 점화 순서로부터 1번 기통과 5번 기통, 5번 기통과 3번 기통이라는 식으로 앞 배기 밸브가 닫히지 않은 사이에 다음 밸브가 열린다. 그래서 1번으로부터 3번까지와 4번으로부터 6번까지, 매니폴드를 2개 그룹으로 나누어 2개의 터보 챠저를 설치하고, 배기 간섭을 없앰과 동시에 엔진 출력 향상을 도모하고 있다.
또 연소실내에 남은 연소 가스를 배출하는 방법에 배기 관성효과와 맥동효과의 이용이 있다. 이것은 흡기 관성효과 및 맥동효과와 같은 고려 방안으로, 배기 밸브가 닫히도록 할 때에 그 부분의 가스 밀도가 낮게 되는 식으로 하여, 연소실에 남은 연소 가스를 빨아당겨 내는 것이다.
배기 밸브가 열리게 되면, 압력이 높은 연소 가스는 세력 좋게 배기 포트로부터 분출하여, 남은 가스는 피스톤에 압출되고, 그 후에 배기 밸브는 닫히게 되는 것이 계속되므로, 매니폴드 가운데를 진행하는 배기에는 밀도가 짙은 것과 옅은 것이 가능하다.
기체중에 이런 식으로 밀도의 농염 부분이 있는 것은, 그곳에 음파가 발생하고 있는 것과 같은 것이어서, 이 현상은 음속으로 전달되어, 매니폴드의 집합 부분과 배기 밸브 사이에 밀도가 짙은 것과 옅은 부분이 가능하다. 이것을 배기 맥동이라고 한다.
밸브가 닫히기 직전에 밸브 부분의 밀도가 옅어지게 되는 식의 맥동이 가능하면, 연소실에 남은 연소 가스를 빨아당겨 내는 것이 가능함과 동시에, 밸브 오버랩에 의해 열리고 있는 흡기 포트로부터 혼합기를 들이는데 도움을 주게 된다는 의미이다.