자동차공학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 25. 흡기장치
25. 흡기장치
가. 공기 청정기(air cleaner)
실린더 내로 흡입되는 공기와 함께 들어오는 먼지 등은 실린더 벽, 피스톤 링, 피스
톤 및 흡·배기밸브 등에 마멸을 촉진시키며 또 윤활유에 유입되어 각 윤활 부분의 마
멸을 촉진시킨다. 공기 청정기는 흡입 공기의 먼지 등을 여과하는 작용 이외에 흡기 소
음을 감소시키며, 역화가 발생할 때 불길을 저지하는 기능도 있다.
종류에는 건식·습식 및 유조식이 있으며 건식 공기 청정기는 케이스와 여과 엘리먼
트로 구성되며, 습식 공기 청정기는 엘리먼트가 스틸 울(steel wool)이나 천(gauze)이
며 윤활유(기관오일)가 케이스 속에 들어 있다.
(1) 건식 공기 청정기
건식은 여과지나 여과포로 된 엘리먼트(filter element)을 사용하여 여과하는 형식이
며, 엘리먼트는 여과 면적을 최대한으로 수용하고 통기저항의 증가를 방지하여야 한다.
여과지를 사용하는 엘리먼트는 다른 것에 비하여 다음과 같은 장점이 있어 자동차에서
많이 사용하고 있다.
① 작은 입자의 먼지 등을 여과할 수 있다.
② 기관의 회전속도 변화에도 안정된 공기 청정 효과를 얻을 수 있다.
③ 가볍고, 구조가 간단하며 가격이 싸다
④ 설치 또는 분해·조립 작업이 간단하다.
⑤ 장시간 사용할 수 있으며, 청소가 간단하다.
건식 공기 청정기의 구조는 [그림 2-66]과 같이 청정기 케이스 속에 엘리먼트가 들
어 있고, 엘리먼트 상하에 공기가 누출되는 것을 방지하기 위한 패킹을 두고 케이스 커
버가 부착되어 있다. 공기는 공기 청정기의 흡입구로 들어와 엘리먼트의 바깥 둘레를
따라 돌면서 엘리먼트를 통과하여 먼지가 여과되고 공기는 중심부에 모여 흡기다기관
으로 들어간다.
최근의 전자제어 연료 분사방식의 기관용은 사각형으로 되어 있으며, 공기가 위에
서 아래로 흐르도록 된 형식도 있다. 즉 공기 중의 먼지 등은 공기가 엘리먼트를 통과
할 때 여과된다
(2) 습식 공기 청정기
습식은 흡입 공기가 윤활유에 적셔진 엘리먼트를 통과하여 여과하는 형식이다. 구조
는 [그림 2-68]과 같으며, 케이스 밑에는 일정량의 윤활유가 들어있다. 공기는 청정기
케이스와 케이스 커버 사이로 흡입되며, 공기 청정기 케이스와 엘리먼트 케이스 사이를
통과한 공기는 케이스 내의 윤활유에 부딪치면서 엘리먼트를 통과하여 청정기 중앙부
로 들어가 흡기다기관으로 들어간다.
공기의 청정방법은 공기가 윤활유에 부딪칠 때 먼지나 이물질의 대부분은 윤활유에
부착되어 제거되며, 나머지 이물질은 엘리먼트를 통과하는 사이에 제거된다. 엘리먼트
는 공기가 윤활유에 부딪칠 때 비말에 따라 항상 윤활유가 묻어 있다.
습식 공기 청정기의 효율은 흡입 공기량이 증가할수록 높아지며, 이것은 기관 회전속
도가 높아질수록 청정 효율이 좋고 회전속도가 낮아짐에 따라 효율이 저하한다. 이 때
문에 공기 통로의 단면적이나 윤활유량에 대해 여러 가지 방법이 강구되고 있다.
엘리먼트는 예전에는 윤활유에 적신 스틸 울(steel wool) 등을 사용하였으나 여과 효
율이 낮아 현재는 사용하지 않는다. 최근에는 폴리에스텔 폼(polyester foam)에 윤활유
나 특수 접착제를 흡착시킨 것을 일부 사용한다.
(3) 유조식 공기 청정기(oil bath type)
이 방식은 [그림 2-70]과 같이 공기 청정기 케이스에 들어있는 윤활유의 유면에 흡입
공기가 관성 충돌하여 먼지를 분리함과 동시에 공기의 흐름에 의하여 출렁거리며 이때
생긴 윤활유 방울이 엘리먼트를 적시며 공기가 엘리먼트를 통과할 때 다시 먼지를 여과
한다. 그리고 튀어나온 윤활유 방울이 엘리먼트에 부착된 먼지를 세척하는 작용을 하므
로 공기저항의 증가와 여과 효율의 저하를 방지하는 역할을 한다.
엘리먼트의 재료는 스틸 울이나 발포 우레탄이다. 유조식 공기 청정기는 성능 면에서
다른 공기 청정기와 비교하여 여과 효율이 낮으나 유지 관리비가 저렴하며 여과지처럼
파손이 잘되지 않아 영구적으로 사용할 수 있으며 특히 먼지가 많은 지역에 적합하다.
나. 흡기다기관(intake manifold)
흡기다기관은 혼합기를 실린더 내로 안내하는 통로이며, 실린더헤드 측면에 설치되
어 있다. 흡기다기관은 각 실린더에 혼합기가 균일하게 분배되도록 하여야 하며, 공기
충돌을 방지하여 흡입효율이 떨어지지 않도록 굴곡이 있어서는 안되며 연소가 촉진되
도록 혼합기에 와류를 일으키도록 해야 한다.
기관 작동 중 흡기다기관은 실린더에서 흡입 작용으로 항상 부압상태에 있으며 공전
상태에서 45~50cmHg의 부압을 유지하여 브레이크 배력장치 및 크랭크실 환기와 점화
진각장치 등을 작동시킨다. 흡기다기관의 지름은 클수록 흡입효율이 좋으나 혼합기의
흐름 속도가 느려 연료의 입자가 다기관 벽에 부착되어 혼합기가 희박해지므로 실린더
지름의 25~35%가 적당하고 다기관 두께는 3~4mm 정도이며 가솔린 기관의 경우 알루
미늄 합금재 또는 플라스틱 일체로 되어 있는 형식이 많이 사용되고 있다.
(1) 흡입계통에 요구되는 조건
흡입계통은 공기 청정기, 스로틀보디, 서지탱크, 흡기다기관, 실린더헤드의 흡입구멍
및 흡입밸브 등으로 구성되어 있으며, 여기에는 다음과 같은 기능이 요구된다.
① 전회전 영역에 걸쳐 흡입 효율이 양호할 것
② 연료와의 혼합이 원활할 것
③ 균일한 분배성능이 있을 것
④ 응답성이 우수할 것
⑤ 안정된 운전성능을 얻을 수 있을 것
(가) 고속 성능용 기관의 흡입계통
고속용 기관은 흡입저항이 적은 것이 바람직하다. 더 나아가 흡입구멍을 포함하여 단면적이 크고 라운드(round)부분은 부드럽게 함과 동시에 전체의 길이를 짧게하여
고속회전에서 많은 혼합기가 흡입되도록 한다.
이를 위해서는 흡입통로를 각 실린더마다 독립시키고 라운드 부분은 작게 하며 안
지름은 가능한 한 크고, 흡입밸브 헤드의 지름과 양정도 크게 하며 고속회전에서의 흡
입 효율 향상도 도모하여야 한다. 이렇게 설계를 하면 저속에서는 흡입 공기의 흐름속
도가 느리므로 연료의 안개화가 약화됨과 동시에 강한 와류를 얻을 수 없다.
(나) 저·중속 회전력 중시형의 흡입계통
저·중속에서 양호한 흡입효율을 얻기 위해서는 각 실린더마다의 흡기다기관 길이
를 길게 하고 흡입밸브의 개폐에 따른 흡기다기관 내의 압력 변화가 다른 실린더에 영
향을 주지 않도록 함과 동시에 혼합기가 균일하게 분배되도록 하여야 한다.
(다) 흡입구멍에 요구되는 조건
① 흡입효율을 향상시키기 위하여 저항이 적을 것
② 혼합기에 와류를 주어 연소 속도를 빠르게 할 것
먼저 저항을 감소시키기 위해서는 급격한 구멍 형상을 피하고 안쪽면의 상태도 흡
기다기관과 함께 면의 거칠기가 작아야 한다. 면의 거칠기가 불량하면 혼합기가 흐
를 때 작은 와류가 발생하여 실제의 안지름보다 작아지는(유효 단면적이 좁아짐)현상을 일으킨다.
또한 혼합기에 강한 와류를 주기 위해서는 연소실 입구의 흐름속도가 저하되지
않도록 서서히 안지름을 감소시키고 다소 곡선으로 하는 것이 바람직하다. 흡입계통
의 필요조건을 정리하면 기관의 배기량과 특성에 맞추어 형상 및 안지름 등이 결정되
지만 어떤 운전상태에서도 흡입 효율이 우수하고 연료의 안개화와 적당한 와류가 얻
어지는 것이어야 한다.