Q & A
안녕하세요.
예전부터 너무도 당연하게 잘 알고있던 사실에 대해 갑자기 '왜?' 라는 궁금증이 생겼습니다.
공연비가 농후하면, 즉 연료가 많이 들어가면 배기온을 낮출 수 있고, 공연비가 희박하면, 즉 연료가 적게 들어가면 배기 온도가 올라간다고 그냥 당연히 알고 있었는데요..
왜죠?
너무 당연해서 저런 바보~ 라고 속으로 욕하실분들 계실지 모르겠지만.. 그냥 무식한 말씀 계속 드리자면 불이 붙고 있는곳에 기름을 더 부으면 불이 더 확~ 타고 그러면 당연히 더 뜨거워지잖아요?
혹시 기름이 많이 들어가면 미처 타지 않은 기름이 배기관을 적셔 냉각시키는건가요? ...
공연비가 희박한 lean상태라면 공기가 더 들어가는 상태가 아닌가요?
lean상태가 심하면 연소시 챔버 온도를 높이면서 결국 피스톤링까지 말아먹을수가 있다고 들었어요
그러니 챔버 온도가 높으면..배기 온도도 높을수밖에 없겟죠
반대로 공연비가 농후한 rich mixture이면..공기보다는 연료가 더 뿌려지는 경우일텐데
lean처럼 챔버온도를 높힐만큼 심각하진 않죠. 공기주입량은 일정하고 연료만 더 뿌려대니까요
여기서 왜 배기온도가 낮춰지에 대해서는 연결이 안되네요
공기가 1만큼 있고 연료가 1만큼 있을때가 최적의 공연비일경우
공기가 1만큼 있고 연료가 1.5만큼 있으면..산소를 1만큼만 태우기때문에 연료는 0.5가 남겠죠?
밀폐공간인 챔버에서 산소가 더이상 없으면 연소가 안되니까요.
그럼으로써 연료는 더이상 태우지 못하고 2만큼 그냥 타버리는겁니다.
만약 공기가 1.5만큼 있고 연료가 1만큼 있으면, 산소는 1.5 그대로 다 타고 연료도 1만큼 그대로 타겠죠.
부피가 일정한 밀폐공간에서 2만큼 연소가 되어야하는게 2.5만큼 연소가 되므로
산소밀도가 높은상태에서 터져버리는 셈이잖아요?
어디서 보니 공기 내 산소 농도가 1% 높아지면 화염 온도는 약 41도가량 높아진다고 하네요.
그렇게 2.5만큼 터지면서 화염온도가 높아지고, 그러므로써 챔버온도가 상승하게 되겠죠

간단하게 물파스를 팔에 바르면 시원해지는거랑 같은 원리로 생각하면 되지않을런지... 이론상의 최대 공연비보다 rich 하게 세팅하면 발화되지않은 휘발유 자체가 기화되면서 주변의 열을 빼앗아버리니까요..
대부분의 순정맵의 경우 공연비를 조금 진하게 세팅하면서 엔진의 냉각효과를 노리는데 이걸 ecu 맵핑하면서 연료량을 조금 줄이고 공연비를 이론상 최적의 비율에 가깝게 세팅하는거죠...(최적의 출력을 내기위해서요.. )
근데 그 비율이 조금 과하면 이제 냉각기능보다 폭발로 인한 발열이 심해지면서 결국 오버히트 되는거죠.
한마디로 시소게임이라고 생각하시면 편할듯.. 각각의 차량에 따른 밸런스를 잘 찾는게 중요하고 어느한쪽이건 치우치게되면 득보다 실이 많으니까요.. ^^

저도 자동차 전공은 아니고 일반인이라서 정확히는 잘 모릅니다만. 제가 이리저리 찾아본 결과, 두가지 정도 이유가 나오는데,
농후한 혼합기는 화염이 전파되다가 실린더와 피스톤의 접촉면에서 quenching layer라고 하는 소염층(?)을 형성시키는데 반해, 희박 혼합기는 이러한 층이 형성이 안되기 때문이고,
두 번째 이유는 희박 혼합기의 경우 느리게 타는 성질때문에 연소열이 챔버 내부에 오래 존재한다고 합니다.
배기가스의 온도(EGT)는 14.7에서 벗어난 희박, 농후 양쪽 모두에서 떨어지지만, 실린더헤드의 온도(CHT)는 희박혼합기의 경우 이러한 냉각효과 등이 없어서 올라가게 되고, 너무 많이 올라가면, 자기착화등의 이상연소에 의해 데토네이션(노킹)이 발생, 고온과 높은 압력의 가스에 의해 온도는 더욱 올라가고 결국 엔진이 망가지게 된다고.. 하네요... 저도 대~충 구글링 한거라 출처를 밝히지 못함을 죄송하게 생각하며..
네이버에서 "quenching 소염층" 이라 쳐 보니 뭔가 좀 나오네요;;;
ps. 불타고 있는 곳에 기름을 뿌리면 기름 뿐만이 아니라 산소는 항상 공급되고 있으니 불의 양이 커진다고 생각해야 하지 않을까요. 그리고 화염의 양과 온도는 다르게 접근해야 하는 것 같습니다. 이론 공연비에서 불의 온도가 가장 높습니다. 분젠 버너에서 가스의 겉불꽃의 온도가 가장 높은 것 처럼요..
유령회원이라 댓글로 잘 달지 않았는데, 오늘은 자꾸 추가하네요.
ps.2 보통 맵핑을 할 때 14.7 이 아닌 12 10등의 농후한 부분으로 하게 되는데, 이때 연료를 ""뺀"" 다는 것이 이론 공연비 14.7 근처로 ""희박하게"" 만드는 게 아닐까요? 그 밑은 연료가 부족하여 출력이 제대로 나오지 않으니 의미가 없는 부분일 수도 있겠네요.
주절주절 댓글 달았는데, 그냥 참고만 하시고 넘어가시길 바랍니다. 더욱이 저도 고수님의 의견을 보고 싶습니다.
http://www.originlab.com/index.aspx?go=Solutions/CaseStudies&pid=227
구글에서 주워온 거라 얼만큼 신뢰할 수 있는지는 모르겠지만...
일단 공연비가 희박할수록 배기온이 올라간다는 가설 자체에 문제가 있는 것 같습니다.. 이론 공연비보다 농후할 경우 무작정 배기온이 떨어지지 않는 것처럼...희박할 경우에도 어느 정도까지 배기온이 올라가고 그 후로는 점차 떨어지는 것으로 보입니다..
희박할 때 무조건 온도가 올라간다기보단 이론공연비 범위내에서 읽혀지는 데이터의 추세라고 이해가 됩니다만...
온도가 그냥 올라간다~ 가 아니라,, 농후(?) rich 할때 보다 높다는거죠. 그리고 연소실 온도가 뜨거우니가 그게 안 식어서 나오니까 12, 10:1"보다" 높은거지... "올라가는"게 아닙니다

스파크 점화 가솔린 엔진처럼 연료, 공기가 완전히 섞인 상태에서 연소가 일어나는 경우 "연소 온도"는 이론 공연비 때 제일 높지 않고 의외로(?) 아주 살짝 농후할 때 (그 정도는 연료마다 다릅니다) 제일 높습니다. 그러므로 엔진에서 공연비가 희박해지면 배기온이 왜 높아지는지 알기 위해서는 "연소 온도" 외의 것들을 살펴봐야 합니다.
* 연료 증발에 의한 냉각 효과 사라짐 : 일반적으로 배기온이 문제가 될 정도로 엔진을 빡시게 돌릴 때는 공연비를 농후하게 셋팅하여 연소실의 공기를 냉각합니다. 별 것 아닌 것 같지만 액상 연료가 증발하면서 주위에서 빼앗는 열이 엄청납니다. GDI 엔진만 봐도 알 수 있습니다. GDI 엔진에서는 "닫힌" 연소실에 직접 분사된 연료가 증발하며 연소실 공기의 온도가 수십도 씩이나 떨어지게 되는데, 그만큼 압축비를 올리거나 점화시기를 조절하여 토크를 높일 수 있습니다. 이런 액상 연료 증발에 의한 냉각 효과가 없어진다면?
* 기타 : 대부분의 연료들은 살짝 농후한 상태에서 탈 때 화염 전파 속도가 가장 높습니다. 반규대님께서 적어주신 것처럼 공연비가 이론 공연비 아래로 희박해진다면 화염 전파 속도가 떨어져 연소 시간이 길어지고 연소실 부피 팽창에 의한 공기 냉각효과가 줄어들 수 있습니다. 화염 소염층은 공연비와 상관없이 공기가 벽 근처로 이동하면 무조건 생깁니다만 그 정도는 매우 복잡하게 결정되기 때문에 공연비 만으로 얘기하기는 어렵습니다.
정리하자면 김성모님께서 적어주신 내용이 답이겠네요. "공연비가 '살짝' 희박해지면 '살짝' 농후할 때에 비해 연소실의 공기를 냉각시켜주는 이런저런 메커니즘들이 작동하지 않게 되어서 최종적으로 배기온이 높아진다. 희박하든 농후하든 "살짝"의 범위를 넘어서면 얘기는 완전히 달라진다".
이론 공연비를 넘는 기름은 다 타려면 시간과 공기가 더 필요하다는 얘기인데 차량은 rpm에 따라 엔진이 움직이니
농후하게 넣는다는 건 이론 공연비 14.6 : 1 보다 기름이 더 들어간다는 예기인즉
타자 못하고 증발만 되니 기화열로 엔진과 배기쪽의 온도저하 역활을 하는 것으로 알고 있습니다.