대개 일반적인 가솔린 터보 엔진에서 배기시스템 제한 조건은 부품의 내구성과 엔진 성능 사이의 균형점을 결정하는 핵심 지표가 됩니다. 실제로 엔진의 성능 개선을 위해 연소 측면 여러가지 설계안을 변경해도 실제로 배기시스템이 견디지 못한다면 모두 허사가 되기 때문입니다. 과연 가솔린 내연기관에서 구체적으로 어떤 부분이 성능의 발목을 잡게 되고 배기시스템 제한 조건은 무엇이 있는지 정리해 보겠습니다.
(제한조건 1) 배기 온도 제한 (Exhaust Gas Temperature, EGT)
가솔린 터보 엔진에서 가장 정밀하게 관리되는 지점은 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)입니다.
✔ 터빈 입구 온도 상한선
양산 엔진은 부품 내구성을 위해 보통 900°C에서 950°C 사이를 한계치로 설정합니다. 고성능 사양이나 인코넬(Inconel)과 같은 고내열 합금을 사용한 최신 엔진은 최대 1050°C까지 허용하기도 합니다.
✔ 온도 제한의 이유
1000°C를 초과하는 고온에 지속적으로 노출되면 터빈 하우징에 균열이 생기거나 터빈 블레이드가 열 변형으로 인해 파손될 위험이 매우 커집니다.
✔ 제어 방식
엔진 제어 유닛(ECU)은 배기 온도가 임계점에 도달하면 연료를 이론 공연비보다 더 많이 분사하는 퓨얼 엔리치먼트(Fuel Enrichment)를 수행하여 연료의 기화 잠열로 온도를 강제 하강시킵니다.
(제한조건 2) 배기 압력 제한 (Exhaust Back Pressure)
배압은 크게 터빈 이전(Pre-turbine) 압력과 터빈 이후(Post-turbine) 압력으로 구분하여 분석해야 합니다.
✔ 터빈 이전 압력 (Inlet Pressure)
터빈을 구동하기 위해 필요한 압력으로, 과급 압력(Boost)보다 높게 형성되는 것이 일반적입니다. 일반적으로 과급 압력의 1.5배에서 2배 수준까지 형성되며, 이 수치가 너무 높으면 엔진의 소기 효율이 저하됩니다.
✔ 제한 사유
배압이 높으면 실린더 내부의 잔류 가스가 원활하게 배출되지 못합니다. 이는 내부 EGR 효과를 일으켜 연소실 온도를 높이고 노킹 저항성을 악화시켜 결과적으로 점화 시기를 늦추게 만듭니다.
✔ 터빈 이후 배압 (Back Pressure)
보통 우리가 배압이라고 부르는 터빈 이후부터 배기구까지의 저항은 양산차 기준으로 전부하 운전 시 약 30kPa에서 50kPa (0.3 ~ 0.5 bar, 게이지압) 수준을 넘지 않도록 설계합니다. 배압이 이보다 높으면 터빈의 효율이 급격히 떨어집니다.
배기 부품별 내열 한계 사양
✔ 배기 매니폴드 및 터빈 하우징
재질에 따라 다르지만 일반적인 스테인리스강 계열은 900°C 내외, 고성능 주철이나 특수강은 1000°C 수준이 물리적 한계입니다.
✔ 촉매 변환기(TWC)
촉매 내부의 귀금속 활성화를 유지하고 담체의 소결(Sintering)을 막기 위해 입구 온도를 850°C에서 900°C 이하로 관리하는 것이 정석입니다. 가솔린 미립자 필터(GPF): 최신 규제 대응을 위한 GPF는 재생 시 온도가 상승하지만, 상시 노출 온도는 촉매와 유사한 수준으로 제어됩니다.
배기시스템 제한 조건, 성능 관점에서의 배압 (PMEP)의 역할
배기시스템 제한 조건 중 고려해야할 사항은 배압의 상승은 펌핑 손실(Pumping Mean Effective Pressure, PMEP)의 증가와 직결된다는 것입니다.
즉, 배기 행정에서 피스톤이 가스를 밀어내는 데 더 많은 일을 소비하게 되어 제동 출력이 감소합니다. 또한 배압 상승으로 인한 잔류 가스량 증가는 충진 효율(Volumetric Efficiency)을 떨어뜨려 전체적인 토크 밴드를 하향시키게 되므로 내연기관 엔진 성능개선을 위해서는 효율적인 연소계 개발도 중요하지만 반드시 배기 시스템도 같이 살펴봐야 합니다.
지금까지 가솔린엔진의 통상적인 배기시스템 제한 조건에 대해 정리해 보았습니다. 내열성이 큰 금속과 넓은 직경을 가진 배기계를 사용한다면 무척 좋겠지만, 현실적으로 이런 조건을 만족하면서 엔진을 만들기에는 자동차 엔진룸 공간이나 개발비용이 항상 넉넉한 것은 아니니 현실과 성능은 타협해야만 하는 영원한 숙제일것 같습니다.
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