촉매변환기는 유해물질을 무해한 물질로 바꾸어 주어 세가지 대기 오염 물질의 화학 반응을 일으킬 수 있습니다
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촉매변환기
배기가스에는 대기오염 물질들이 들어 있습니다. 대기 오염 물질에는 연료의 불완전 연소로 발생하는 일산화탄소, 타다 남은 연료인 탄화수소, 고온의 연소실 안에서 산소와 질소가 결합해 발생하는 질소 산화물이 있습니다. 자동차에는 여러가지 배기가스 정화 장치가 탑재되어 있는데, 그 중심에는 촉매 변환기가 있습니다. 배기 장치의 중간에 설치됩니다.
촉매
촉매란 자신은 변화하지 않지만 주위의 화학 반응을 촉진시키는 물질입니다. 촉매 변환기는 백금과 로듐, 혹은 여기에 필라듐을 추가한 물질을 촉매로 사용합니다. 배기가스의 통로에 금속판 등이 격자 모양으로 다수 배치되며, 그 표면에 촉매가 부착되어 있습니다.
촉매 변환기 안에서 세 종류의 대기 오염 물질은 화학 반응을 일으켜서 이산화탄소와 물과 질소가 됩니다. 이것은 전부 무해한 물질입니다. 이 촉매는 세가지 물질의 화학반응을 일으킨다고 해서 삼원 촉매라고도 부릅니다. 다만 화학 반응을 일으키기 위한 각 물질의 비율이 정해져 있기 때문에 이 비율은 맞추지 못하면 정화가 되지 않습니다.
대기 오염 물질의 비율은 배기가스 속에 들어 있는 산소의 양으로 추정이 가능합니다. 그래서 현재는 배기 장치의 중간에 산소 센서를 장착해 그 정보를 바탕으로 컴퓨터가 연소상태를 최적으로 제어합니다.
촉배 변환기를 배기 매니폴드 바로 뒤에 장착하는 경우가 많습니다. 이렇게 하면 전온에서는 제대로 기능하지 않는 촉매에 적절한 열을 공급하기가 용이해집니다. 다만 과열 상태에서도 촉매는 정상적으로 기능하지 못하기 때문에 촉매 변환기에는 온도를 감시하는 배기 온도 센서가 달려 있습니다.
- 삼원 촉매 : 촉매는 자신이 전혀 변하지 않지만 세 가지 대기 오염 물질의 화학 반응을 일으킬 수 있습니다.
- 촉매 변환기 : 촉매 변환기는 배기가스가 접촉하는 표면적을 늘리기 위해 격자 구조로 되어 있습니다.
머플러
배기가스는 온도와 압력이 높기 때문에 공기중에 방출되면 단숨에 팽창합니다. 이때 팽창이 소음을 발생시킵니다. 이 소음을 줄이는 장치가 머플러입니다. 머플러의 소음 경감 효과는 널리 알려져 있는데, 이와 동시에 배기의 온도를 낮추는 효과도 있습니다.
머플러에 쓰이는 소음 제거 방식에는 팽창식과 공명식, 흡음식의 세종류가 있습니다. 그리고 대부분의 머플러는 이 세 종류를 병용합니다.
팽창식
머플러 내부는 몇개의 팽창실이라는 방으로 나뉘어 있으며, 각 방이 파이프로 연결되어 있습니다. 배기관에서 팽창실로 들어간 배기는 팽창하지만, 공간에 한계가 있기 떄문에 발생하는 소음이 적습니다. 그리고 몇개의 팽창실을 순서대로 통과하면서 단계적으로 압력이 낮아져 소음의 발생이 억제됩니다. 이것이 팽창시기입니다. 배기가 점차 팽창하면서 배기의 온도도 낮아집니다.
흡음식
팽창실 안에는 유리 섬유등으로 만들어진 흡음재가 들어 있습니다. 팽창실 안에서 발생한 소음은 흡음재에 닿으면 작아지는데, 음파의 운동 에너지를 흡음재에 뺴앗기기 때문입니다. 운동 에너지는 열 에너지로 변환됩니다. 이것이 흡음식입니다.
공명식
음파에는 높낮이가 있는데, 가장 높은 지점을 마루, 가장 낮은 지점을 골이라고 부릅니다. 음파는 마루와 골의 위치가 정반대인 음파와 만나면 상쇄되어 소리가 작아집니다. 팽창실 안에서 발생한 소음은 내부의 벽에 반사되어 돌아오는데, 이떄 위상이 반대가 되어 소음을 줄일 수 있습니다. 이것이 공명식입니다
다만 팽창실의 벽까지의 거리 등에 따라서 소음 경감이 가능한 음의 높이가 정해져 있기 때문에 머플러 안의 팽창실은 다양한 높이의 소음을 줄일 수 있도록 여러가지 크기로 만듭니다,
연료 공급 장치
연료 공급 장치는 연료를 저장해두고 필요에 따라 엔진에 공급하는 장치입니다. 현재는 인젝터라는 부품을 통해 연료를 엔진안으로 분사하기 떄문에 연료 분사 장치 또는 인젝션 시스템이라도고 합니다. 연료인 휘발유는 연료 탱크에 저장됩니다. 승용차의 경우, 안전이나 중량 밸런스를 고려해 뒷자석 아래 부근에 탱크를 설치하는 편입니다.
방청 처리가 된 금속제 탱크 외에 합성수지 탱크도 많이 사용합니다. 연료 탱크안에는 전동식 연료 펌프가 설치되어 있어서 엔진까지 연료를 보냅니다. 이때 연료 파이프나 연료 호스가 사용됩니다.
연료의 분사에는 인젝터가 사용됩니다. 인젝터는 전기 신호로 열고 닫을 수 있는 밸브로, ECU가 전기 신호로 밸브를 열면 끝에 있는 분사 구멍에서 연료가 분사됩니다.
공연비
연료가 연소되려면 공기가 필요합니다. 공기와 연료의 중량 비율을 공연비라고 합니다. 휘발유의 성분을 바탕으로 완전 연소에 필요한 공기량과 연료 질량비를 산출하면 14.8:1 정도가 됩니다. 이것을 이론 공연비라고 하는데, 반드시 공연비가 아니더라도 5:1~20:1 의 범위라면 엔진은 작동합니다.
공연비에 따라 연소 연도나 연소 속도가 달라져 출력이나 연비에 영향을 주기 때문에 출력이 가장 높아지는 공연비나 연비가 좋아지는 공연비는 이론 공연비와 다릅니다. 그래서 엔진 컨트롤 유닛은 주행 상태에 따라 연료 분사량을 조절하면서 최적의 공연비를 맞춥니다.
연료 공급 장치는
- 연료 파이프 : 연료 호스와 인젝터를 접속하는 연료 경로
- 연료 급유구 : 연료를 탱크에 급유할 떄 사용하는 입구
- 연료 탱크 : 연료를 저장해두는 탱크, 내부에 연료 펌프가 장착됩니다.
- 연료 파이프와 호수 : 연료를 탱크에서 엔진까지 보내는 경로
- 인젝터 : 엔진 컨트롤 유닛의 지시로 여닫히며 연료를 엔진 안으로 분사합니다.