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Internal Combustion Engine. Chapter 8 Exhaust Flow. Blowdown. 4 Stroke Cycle Engine 에서의 배기과정은 둘로 나뉘어진다 . 팽창과정 말기에 배기밸브가 열리기 시작한다 . 이상적으로는 피스톤이 하사점에 도달했을 때 순간적으로 배기밸브가 열리면 좋겠지만 Cam 으로 배기밸브를 구동하기 때문에 과도한 Stress 때문에 그렇게 할 수 없다 . 결과로 피스톤이 하사점에 도달하기 전 40 내지 60 크랭크각 전에 밸브가
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Internal Combustion Engine Chapter 8 Exhaust Flow
Blowdown 4 Stroke Cycle Engine에서의 배기과정은 둘로 나뉘어진다. 팽창과정 말기에 배기밸브가 열리기 시작한다. 이상적으로는 피스톤이 하사점에 도달했을 때 순간적으로 배기밸브가 열리면 좋겠지만 Cam으로 배기밸브를 구동하기 때문에 과도한 Stress 때문에 그렇게 할 수 없다. 결과로 피스톤이 하사점에 도달하기 전 40 내지 60 크랭크각 전에 밸브가 열리기 시작한다. 밸브가 열리면 실린더 안의 가스는 압력이 높기 때문에 (3-4기압정도) 급속히 배기포트로 빠져 나간다. 이 과정을 Blowdown이라 한다. 배기밸브가 너무 일찍 열리면 압력이 높은 가스가 피스톤에 일을 하지 않고 빠져 나가므로 일의 손실이 있고 너무 늦게 열리면 피스톤이 하사점에 도달한 후에도 실린더내의 압력이 높아 배기과정에서 연소가스를 밀어낼 때 Negative Work이 발생한다. 그러므로 배기밸브가 열리는 시기를 적절히 선택하여야 한다.
Exhaust Stroke ◈ 배기과정 초기에 빠져 나가는 가스는 압력과 온도가 높고 압력차에 의해 높은 속도를 갖게 된다. 압력차가 충분히 큰 경우에 배출되는 가스의 속도는 음속이며 배기포트에서 팽창하여 운동에너지가 엔탈피로 변환된다. 그 이후에 나오는 가스는 점차 낮은 압력과 온도를 갖게 된다. 피스톤의 운동에 의해 밀려나오는 배기과정 중의 가스는 대기압에 가까운 압력을 갖게 되며 질량 유동율은 피스톤의 속도가 최대가 되는 지점 근처에서 최대가 된다.
Backflow ◈ Fig. 8-2에 Blowdown과 Exhaust Stroke에 의한 배기의 질량 유동율이 나와 있다. 배기 밸브는 보통 피스톤이 상사점을 지난 후에 닫힌다. 배기 밸브가 상사점에서 완전히 닫히려면 상사점 전에 닫히기 시작해야 하는데 이 경우 실린더 내의 압력이 증가하고 결과로 Negative Work가 증가한다. 배기밸브가 상사점 이후에 닫히고 흡기밸브는 상사점 이전에 열리므로 상사점 근처에서 두 밸브가 모두 열려 있게 된다. WOT을 제외하고 Turbocharger가 장착되지 않은 경우에는 흡기 포트의 압력이 실린더내 압력보다 낮으므로 실린더내의 가스가 흡기 포트로 역류하게 된다 이를 Backflow라 한다. Backflow에 의해 실린더 안의 연소가스가 흡기 포트로 가고 피스톤이 더 팽창하여 실린더내의 압력이 충분히 낮아진 다음에야 흡기가 시작되기 때문에 실린더 안의 가스에는 연소가스 성분이 많게 되고 화염전파 속도가 늦어지며 Idle 같은 경우에는 연소가 불안하게 된다.
Valve Over Lap ◈ Fig. 8-2에 Valve Over Lap이라고 표시된 부분의 Negative Mass Flow는 Backflow에 의한 것이다. 배기밸브는 가능한 면적이 넓은 것이 좋으며 최근의 엔진들은 2개인 경우가 많다. 배기밸브는 연소실에서 가장 온도가 높은 부분이므로 이의 냉각도 중요하다. 배기의 온도는 가솔린을 쓰는 SI engine이 최대 900C정도까지 오를 수 있고 CI Engine은 대형엔진이 소형에 비해 높은데 500C이상에 이를 수 있다. 배기 밸브가 열린 후에 실린더내의 가스가 갑자기 나가면서 압축파가 만들어지고 이 압력파는 배기파이프를 이동하다가 반사하여 돌아오며 팽창파가 될 수 있다. 이 파가 배기밸브가 닫힐 때쯤 배기 밸브 근처에 도달하면 배기밸브 밖의 압력이 떨어져 Cylinder 안의 압력과의 차가 커져 실린더 안의 가스가 더 많이 빠져 나오고 잔류 연소 가스가 적어지며 흡기가 원활하게 된다. 이와 같이 배기파이프에서의 압력파를 이용하는 것을 Exhaust Tuning이라 한다.
Turbocharger ◈ 배기 에너지를 이용하기 위해 Turbocharger를 이용하기도 한다. 보통 배기의 에너지를 이용하여 Turbine을 수만 rpm의 고속으로 돌리고 Turbine과 한 축에 연결된 Compressor를 이용하여 흡기를 압축시킨다. SI Engine에서는 노킹문제 때문에 압축비를 낮추나 CI engine에서는 그런 문제가 없으므로 CI engine에서 많이 쓰인다.
EGR ◈ 실린더 안에서의 NOx 저감을 위하여 배기 재순환(EGR)을 하기도 한다. 배기에는 산소가 적으므로 재순환을 통해 흡기의 산소 농도를 낮추어 NOx의 생성을 억제시킨다. 그러나 배기재순환에 의해 SI engine에서 화염속도가 느려지므로 보통 흡기의 10-20%정도 재순환한다. SI engine 에는 배기 파이프에 촉매 변환기와 Muffler가 붙으며 CI engine에는 촉매장치는 아직 개발이 완료되지 않아 보통 장착되지 않고 muffler가 하나 또는 두개가 장착된다. 최근에는 승용차에 쓰이는 일부 CI engine에도 산화 촉매 등이 장착되고 있다.
