엔진을 구동하기 위해서는 대기중의 공기와 연료가 혼합되어 연소실로 유입되어야 하며, 폭발 후의 연소가스는 대기중으로 배출하여야 한다. 이와 같이 신선한 공기를 흡입하고 연소가스를 배출시키는 역할을 하는것이 흡/배기 장치이다. 흡/배기 장치는 엔진의 정지부품으로 실린더블럭, 실린더 헤드, 오일팬, 로커커버 등의 엔진 전체 골격의 외곽을 형성하고 있으며 구성은 다음과 같다.

흡기 및 배기장치의 구성

흡기장치는 에어클리너, 써지탱크, 흡기매니폴드 등으로 구성되어 있다. 배기장치는 배기매니폴드, 3원촉매(캐터릭컨버터), 배기파이프, 소음기 등으로 구성되어 있다.

 

가변흡기장치

가변흡기 장치는 엔진회전수와 엔진부하에 따라 흡기다기관의 길이를 변화시켜 전 운전 영역에서 엔진출력을 향상시킨다. 특히 저·중속영역에서는 엔진출력을 약 10%까지 향상시킬 수 있는 시스템이다. 혼잡한 시내 주행을 자주하는 경우 저·중속영역에서 높은 출력을 발휘하는 엔진을 요구하며 고속주행이나 스피드를 즐기는 경우 고속영역에서 높은 출력을 발휘하는 엔진을 요구한다. 자연흡기 방식의 일반엔진(NA: Natural Aspiration engine)은 저·중속 영역에서 회전력이 크도록 설계하면 고속 영역에서 회전력이 작아지고, 고속 영역에서 회전력을 크게 하면 저·중속 영역에서 회전력이 작아지는 양면적인 특성을 가지고 있다. 따라서 전 운전 영역에서 높은 출력 성능을 발휘하는 엔진을 요구하게 된다. 가변흡기 장치는 다양한 운전자의 요구조건에 대응하고 저속에서 고속까지 높은 출력을 발휘하도록 개발된 엔진의 부속장치로 엔진회전 및 부하 상태에 따라 공기흡입 통로를 조절하여 엔진의 전 운전 영역에서 출력을 향상시키는 장치이다.

가변흡기 장치의 구성요소는 서브모터, 밸브위치센서, 흡기제어 밸브, 웜휠 & 웜기어 등으로 구성되어 있다.

엔진 컴퓨터(ECU)는 엔진 회전수 및 엔진부하 상태를 입력받아 목표치에 맞게 흡입 제어 밸브 구동모터를 제어하여 흡기제어 밸브를 개폐하며, 흡기제어 밸브 위치센서의 신호에 의거 목표치에 일치되도록 보정을 한다.

저속, 저부하 시

저속, 저부하 시는 VIS 밸브모터를 구동하여 VIS 밸브를 닫는다. VIS 밸브가 닫히면 일반 엔진 보다 흡입 통로가 길어지게 되고 이에 따라 흡입 관성력이 증가함으로 흡입효율이 증대된다. 따라서 저속 및 중속 영역에서 엔진 출력이 향상된다.

고속, 고부하 시

고속, 고부하 시는 VIS 밸브모터를 개방하여 일반엔진보다 흡기 통로를 짧게 하여 흡입저항을 감소시키므로 상대적으로 흡입효율 증대에 따른 출력이 증대된다.

엔진 컴퓨터(ECU)는 입력신호를 기준으로 출력요소(흡기제어 밸브 구동모터)를 제어한다.

머플러(마후라)

소음기는 머플러(muffler)라 하며, 배기매니폴드를 통해 배출되는 배기가스의 온도는 500℃~800℃의 고온과 3~6kg/㎤의 고압가스로 대기중으로 방출 시 굉음이 발생된다. 그러므로 소음기를 통해 배기압력 및 소음을 줄이는 역할을 한다. 배기압력을 낮게 하면 출력은 좋아지나 소음이 커지고, 소음을 낮게 하면 배기압력이 커지므로 출력이 저하된다. 그러므로 용도에 맞게 제작되어야 한다. 소음기 내부는 미로식으로 칸막이가 되어 있어, 그 사이로 배기가스가 통과하는 방식과 튜브에 많은 구멍을 내어 그 주변으로 그래스 월 등의 소음재를 채운 스트레이트 방식이 있다. 미러 방식의 소음기 쪽이 소음효과는 크지만 통기저항이 크고, 스트레이트 소음기방식은 엔진 출력 상으로는 유리하지만 소음이 큰 경향이 있다. 또한 소음기를 통과하는 파이프를 2개로 하여 저속 주행 시에는 1개의 파이프만을 사용하여 배기를 미로 부분을 통과시켜 소음을 작게 하며. 고속, 고부하 주행 시는 2개의 파이프를 사용하여 배기가스가 쉽게 통과하는 방식도 있다.

소음기의 구조는 원통형 철판을 얇은 두께로 제작하고 내부는 1~2개의 가스통로와 약간의 벽을 설치하여 배기가스의 온도, 소음, 압력을 감소시키는 구조로 되어 있다.

배기파이프

배기파이프(exhaust pipe)는 배기메니폴드를 통해 나오는 배기가스를 외부로 배출하는 역할을 하며 재질은 강관을 사용한다. 자동차에 따라 소음기 및 캐터릭컨버터의 배열에 의해 몇 개로 분리한 구조로 되어 있다.

에어클리너

공기중의 미세한 먼지가 실린더 내로 유입되면, 실린더 벽, 피스톤 링, 피스톤, 밸브 등의 마멸 및 엔진오일에 유입되어 윤활부의 마멸을 촉진시킨다. 그러므로 에어클리너(air cleaner)는 흡입행정 시 연소실로 유입되는 공기를 여과시켜 주는 기능 및 흡입 시 발생되는 소음을 줄이는 역할을 한다. 또한 비포장 도로의 주행 빈도가 많은 차량은 수시 점검을 통한 교환 주기를 앞당겨야 한다.

공기청정기는 건식과 습식이 있으며 건식청청기는 케이스와 여과엘리멘트로 구성되고 습식청정기는 엘리먼트가 스틸 울(steel wool)이나 천으로 엔진오일 케이스내에 들어있다.

에어크리너의 구성은 에어덕트, 에어크리너 보디, 에어크리너 엘리먼트, 에어크리너 커버 등으로 구성되어 있다.

에어크리너 엘리먼트(에어필터:air filter)

에어클리너 엘리먼트는 공기중에 포함된 먼지를 직접적으로 여과시키는 부분으로 여과지를 방사형으로 제작하여 공기와의 접촉면을 증대시켜 공기 여과율을 증대하였다.

인터쿨러

터보챠저(TC)는 컴프레셔 휠(임펠러)의 회전에 의한 흡입공기를 실린더로 강제적으로 압송하여 충진효율을 증가시켜 출력을 향상 시킨다. 그러나 흡입공기가 터보챠저에 의해 압축될 때 공기의 분자구조는 서로 밀착되어 분자와 분자 사이의 마찰을 일으킨다. 그러므로 공기의 온도가 상승되고 부피가 팽창하여 실제적인 공기 밀도가 작아져 충진효율이 감소한다. 즉 흡입공기가 2배 정도로 압축되었다 하더라도 실제로 흡입되는 공기량은 약 1.6 배 정도 밖에 되지 않는다. 그러므로 흡입공기를 냉각시켜 충진효율을 증대시켜야만 더욱 큰 출력을 얻을 수 있기 때문에 인터쿨러(Intercooler)를 설치한다.

터보챠저 인터쿨러(TCI)를 설치하므로 과급압을 높일 수 있어 분당 흡입할 수 있는 공기량이 증가되므로 연소효율이 증가되고 엔진 출력의 향상을 얻을 수 있다.

인터쿨러의 분류는 냉각 방식에 따라 수냉식과 공냉식으로 분류한다.

공랭식 인터쿨러

공냉식은 인터쿨러에 외기를 직접 닿게 하여 흡기온도를 내리는 방법으로 라디에이터 앞 또는 바람이 잘 접하는 부분에 설치한다.

수냉식 인터쿨러

수냉식은 압축되어 뜨거워진 공기를 엔진 냉각수와는 별개로 설치된 냉각 계통으로 냉각수에 의해 냉각시키는 방법

인터쿨러는 열교환기로 아래와 같은 구조로 되어 있다.

인터쿨러는 컴프레셔 휠을 통해 가압된 공기가 실린더 쪽으로 압송되면, 압송된 공기는 실린더로 유입되기 전 인터쿨러를 거치게 된다. 인터쿨러로 유입된 고온·고압의 공기는 냉각 매체인 외부공기 또는 냉각수에 의해 인터쿨러에서 고온의 가압 공기와 열 교환을 통해 냉각되어 실린더로 강제 압송된다.

터보챠저

터보챠저(Turbo Charger)는 엔진에서 배출되는 배기가스의 에너지를 이용하여 흡입행정 시 흡입되는 공기를 강제적으로 압축하여 실린더로 공급하는 역할로 흡입효율 증가에 따라 출력을 향상 시키는 장치이며, 터보(터빈)와 슈퍼챠저(과급기)의 합성어입니다. 터빈은 최고 900℃의 고온의 배기가스에 분당 100,000~ 150,000 회전을 하므로 가볍고 내열성이 좋은 재질이어야 한다. 또 한 컴프레셔휠은 보통 알루미늄으로 되어 있다. 로터 샤프트는 고온으로 된 터빈휠을 지지하며 초고속으로 회전하므로 충분한 엔진오일을 공급하여 냉각과 윤활을 동시에 하여야 한다.

터보챠저 인터쿨러(TCI)를 설치하므로 과급압을 높일 수 있어 분당 흡입할 수 있는 공기량이 증가되므로 연소효율이 증가되고 엔진 출력의 향상을 얻을 수 있다.

[ 과급압(Boost 압) ] 터보챠저에 의해 엔진에 공급되는 공기의 압력을 과급압(Boost 압)이라고 하며, 이 압력이 높아지면 실린더에 흡입되는 공기량이 많아져 연소 가능한 연료량이 증가하여 높은 출력을 얻을 수 있다. 그러나 과급압을 높이면 실압축비가 상승하여 노킹이 일어날 수 있다. 실압축비는 실제로 실린더에 흡입된 공기가 어디까지 압축 되었는지를 표시하는 수치이며 흡입 공기량에 비례하여 커진다. 이 때문에 터보 엔진은 압축비가 자연 흡입방식(NA)보다 작게 만들어져 있다.

[ 노킹 ] 노킹은 점화플러그의 불꽃에 의해 압축된 혼합기가 연소하기 시작하여 화염이 전파될 때 일부의 미연소가스가 압력과 온도에 견디지 못하여 충격파를 동반하는 폭발적인 연소를 하는 현상이다. 그러므로 압축비가 높아져 혼합기의 온도가 상승된 만큼 연소실 벽의 온도가 상승되고 가스의 유동이 늦어진 만큼 노킹이 일어나기 쉽다.

터보챠저의 변천

NA(Naturally Aspirated) 터보챠저가 장착되지 않은 일반적인 자연 흡입 방식의 흡입장치이다. TC(Turbo Charger) 흡입장치에 터보챠저가 적용되면서 배기가스를 이용하여 흡입공기량을 추가적으로 공급하게 되어 일반적으로 NA 대비 약 10% 정도 향상됩니다. TCI(Turbo Charger Intercooler) 터보챠저 인터쿨러는 터보챠저에서 강제적으로 공급되는 공기의 온도를 낮추어서 공급하는 장치로 터보챠저 대비 10% 이상의 엔진 출력의 향상 효과가 있습니다. VGT(Variable Geometry Turbo charger) 터보챠저 인터쿨러 대비 약 10% 이상의 출력 향상 효과가 있습니다.

터보챠저를 장착한 엔진의 특성

구 분 특 징 엔진출력 성능향상 터보엔진은 일반엔진에 비해 출력이 30~45% 정도 향상되어 쾌적한 운전을 할 수 있으며 저속영역을 상대적으로 많이 사용하므로 엔진 수명이 연장된다. 소음감소로 인한 정숙성 터보엔진은 저속 주행 시 완전연소로 인해 소음감소 효과가 있는데 일반엔진에 비해 소음 감소율은 6~10% 정도 입니다. 배기 배출물 감소 터보 엔진의 경우 충분한 공기가 흡입되므로 거의 완전연소가 되어 매연 발생이 적고 배출물도 감소합니다. 특히 HC, CO 등의 불완전 연소 생성물이 현저히 줄어 듭니다. 고지성능 향상 일반 엔진과의 성능 차이는 언덕을 올라갈 때 급격한 차이가 있으며 산간지대나 고지대에서 일반 엔진은 10% 이상의 출력 저하가 발생되지만 터보 엔진은 흡입 공기가 충분하므로 출력에 변화가 없다. 엔진크기 및 무게감소 동일 배기량으로 엔진 터보화 시 출력은 30~45% 정도 증대되는 반면 상대적으로 엔진크기 및 무게를 감소 시킬 수 있습니다.

터보챠저와 일반흡기식 성능비교

운행 중 주의사항

터빈의 회전속도가 분당 100,000~150,000 회전을 하므로 엔진오일의 교환주기를 지켜야 한다. 만일 엔진오일이 부족하거나 오염이 심하면 터보챠저를 손상시키는 가장 큰 원인이다. 또한 고속·고부하 운행 후 즉시 시동을 OFF 하지 말아야 한다. 그 이유는 고온에 의해 터보차저 베어링이 소착되기 쉽다.

컴프레셔 휠(임펠러) 임펠러는 흡입다기관에 설치되어 외부의 공기를 강제적으로 연소실로 공급한다. 터빈 휠 터빈은 배기매니폴드에 설치되어 배기가스의 압력을 이용하여 회전하며 동일 축에 연결된 임펠라를 구동한다. 액츄에이터 액츄에이터는 내부에 다이어프램과 스프링으로 구성되며 과급압이 직접 작용하는 부분으로 로드와 연결된 웨스트게이트 밸브를 개폐하는 역할을 한다. 웨스트게이트 밸브 웨스트게이트 밸브는 액츄에이터에 의해 배기가스를 엔진 부하에 따라 바이패스시키는 역할을 한다.

연소실내 폭발행정 후 발생되는 고온, 고압의 배출가스는 터보챠저 내부의 터빈을 구동하고 대기로 배출된다. 이때 터빈과 동일 축에 연결된 임펠라가 회전하여 흡입 공기를 강제적으로 연소실로 밀어넣어 흡입효율이 증가로 인한 출력의 향상을 얻는다.

웨스트케이트

연소실로 유입되는 흡입공기가 설정된 과급압(0.57~0.77kg/㎤)에 이르면, 액츄에이터 호스로 과급압이 유입되어, 엑츄에이터 내의 다이어프램을 밀면 로드가 웨스트게이트 밸브를 개방하면 배기가스가 바이패스 통로를 통해 배출되므로 터빈의 속도는 감소한다. 저부하시는 다이어프램 스프링 장력에 의해 웨스트게이트 밸브가 닫혀 터빈의 속도는 증가하며 출력이 향상 된다.

흡기매니폴드

흡기매니폴드(intake manifold)는 흡입행정 시 공기와 연료의 혼합기를 실린더 안으로 유입될 수 있게 유도하는 통로이며, 균일한 혼합기의 양을 각 실린더로 분배하여야 한다. 각 실린더로 유입되는 혼합기의 양이 불균일하게 공급되면 엔진부조 및 출력에 영향을 준다. 그러므로 흡기매니폴드는 통기저항이 작고, 내면이 매끄럽게 되어 있는 것이 바람직하다. 또한 흡기매니폴드 내에 발생되는 진공은 브레이크의 배력장치에 이용된다. 일부에는 흡기매니폴드는 내부에 가변흡기장치를 설치하여 엔진 부하에 따른 흡입효율을 극대화하여 엔진출력을 향상 하였다. 흡기매니폴드의 재질은 일반적으로 주철 또는 알루미늄 합금으로 제작한다.

흡기메니폴드는 흡입효율의 향상을 위해 공기저항을 적게하고, 흡입관성을 이용하여 출력을 향상하는 구조로 되어야 한다.

ETS

전자제어 스로틀 시스템이란 Electric Throttle System의 약자로 ETS라고도 한다. 기존 액세레이터 페딜과 스로틀 밸브와의 기계적 연결구조(액세레이터 케이블)와 달리, 운전자의 가속의지 및 운전조건 등에 따라 엔진컴퓨터(ECU)가 스로틀 밸브를 구동시켜 흡입 공기량을 정밀 제어하여 최적의 EMISSION을 실현 하였으며 엔진 공회전 속도 제어, TCS 제어 등을 수행함으로서, 각종 액츄에이터 및 배선, 연결 컨넥터 등을 삭제시켜 시스템 간소화로 인한 고장율 저감 및 신뢰성을 확보 하였다.
적용목적
제 어 항 목 기존 제어방식 ETS 제어방식 스로틀 밸브 제어 - 기계적 연결구조에 의한 제어 - ETS에 의한 통합제어 공회전 속도 제어 - ISC모터에 의한 엔진 공회전 제어 - ETS에 의한 통합제어 TCS 제어 - 보조 스로틀밸브를 장착하여 TCS 제어 - ABS를 이용한 TCS 제어 - ETS에 의한 통합제어 ※4.5 GDI 엔진 : VDC에 의한 TCS 포함
주요 구성부품의 장착위치 및 기능
엑셀레이터 위치센서(APS: Acclerator Position Senser)
적 용 목 적 운전자의 가속의지를 판단하기 위해 엑세레이터 페달의 밟은 량을 감지 구 성 요 소 ETS ECU용 APS(서브) 및 엔진ECU용 APS(메인)로 구성되어 있으며 APS ASS'Y 내부에 아이들 스위치가 내장되어 있다. 장 착 위 치 엔진룸 우측 대쉬패널에 장착됨 주 요 기 능 - ETS용 APS 엔진 ECU용 APS의 고장 검출 및 엔진 ECU와의 통신라인 이상 시 ETS ECU가 목표 스로틀 개도를 연산할 수 있도록 보정신호로 사용 - 엔진 ECU용 APS ETS 목표 개도 산출 및 ETS ECU용 APS의 고장 검출
스로틀 위치 센서(TPS: Throttle Position Senser)
적 용 목 적 스로틀 밸브의 움직이는 양을 감지 구 성 요 소 ETS ECU용 TPS(메인) 및 엔진 ECU용 TPS(서브)로 구성됨 장 착 위 치 스로틀 바디에 장착 주 요 기 능 - ETS ECU용 TPS(메인) 목표 스로틀 개도 피드백 제어 및 엔진 ECU용 TPS의 고장 검출 - 엔진 ECU용 TPS(서브) ETS ECU용 TPS의 고장 검출 및 ETS ECU용 TPS의 고장시 보정 신호로 사용한다.
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