기화기
기화기(氣化器, Carburetor)는 내연기관의 연소를 위해 공기 중의 가솔린을 작은 입자로 만들어 배합하는 장치를 말한다. 카뷰레터, 카뷰레이터라고 부르기도 한다.
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개요[편집]
기화기는 연료를 미세하게 작은 입자로 만들어 공기와 혼합시켜 기화하기 쉽게 한 다음, 기관의 운전 상태에 따라 적절한 혼합 가스양을 공급하는 장치이다. 초크밸브를 통하여 흡입되는 공기 통로에 벤투리라는 가는 관을 두어 공기가 빠른 속도로 통과할 때 적정량의 가솔린을 빨아들이게 되는데, 스로틀밸브가 있어 혼합 가스양을 조절한다.[1] 가솔린 엔진에서 공기에 적정량의 가솔린을 혼합시키는 장치는 기화기와 연료분사기가 있는데 승용차용으로 새롭게 개발된 4기통 이상의 엔진은 대부분이 연료분사기로 되어 있고 기화기는 소형 엔진의 일부에만 남아 있다.[2] 1970년대까지는 거의 모든 자동차가 기화기를 사용하였지만, 1973년 제1차 석유파동 이후 연비향상을 위해 좀 더 정밀한 연료분사기가 보급되었다. 1980년대 후반까지 병행되어 사용되다가 1990년대 환경문제가 대두되며 완전히 사라졌다. 국내에서는 2001년 대우자동차 티코를 마지막으로 기화기 방식의 자동차는 사라졌다.[3]
역사[편집]
내연기관의 개발에는 많은 어려움이 있었으며 작동 가능한 엔진이 출현하는 과정에서 수백 가지의 문제점이 해결되어야 했다. 이러한 문제점 중 하나는 엔진에 연료를 공급하는 것이었다. 연소를 발생시키기 위해서는 연료, 산소, 열이 필요했지만 엔진 내에서 이들을 적절히 혼합하는 것은 어려운 작업이었다. 초기 엔진의 가스 펌프는 가스를 기화시켜 공기와 혼합시켰지만, 가스와 공기의 비율이 제어되지 않았기에 연소가 불규칙적으로 발생하여 엔진이 매우 불안정했다. 헝가리의 엔진 제조업자인 도나트 반키(Bánki Donát)와 야노스 촌카(Chonka János)는 이 문제를 해결할 방법을 알아냈다. 반키는 수많은 자동차의 기능 개선에 이바지했으며 촌카와 함께 가스와 공기를 혼합하는 문제점을 해결했다. 두 사람은 엉뚱한 장소에서 문제 해결에 필요한 영감을 얻었으며, 한 소녀가 유리관을 통해 물을 뿌려 꽃의 신선한 상태를 유지하는 것을 보고 같은 원리를 엔진에 적용해야겠다고 생각했다. 그리하여 1893년 카뷰레터가 탄생했다. 엔진에 필수적인 부품인 카뷰레터는 연료를 조금씩 분사하여 공기에 뿌려지는 연료의 양을 제어했으며 이를 통해 연료는 엔진으로 빨려 들어가 연소하었다. 공기와 연료의 혼합을 일정하게 유지하는 장치인 카뷰레터 덕분에 연소에 필요한 적절한 혼합비를 구성할 수 있게 되었다. 엔진을 탑재한 거의 모든 운송수단(자동차, 비행기, 보트)은 현재 카뷰레터를 사용하고 있다.[4]
원리[편집]
기화기에 의해 공기에 가솔린을 혼입시키기 위해서는 분무 원리가 이용된다. 이것은 원통 안에 공기가 흐르면 내부의 압력이 주변에 비해 낮아지는 현상을 이용하는 것으로 원통 벽에 구멍을 뚫어 가솔린이 유출할 수 있도록 설치한 파이프 앞을 공기가 흐르면 파이프 내의 압력이 낮아지기 때문에 가솔린이 자동으로 빨려 나가 안개와 같이 공기와 혼합된다는 의미이다. 이 현상은 발견자의 이름을 따 벤투리 효과(Venturi Effect)라 불리며, 이 효과를 한층 강화할 목적으로 가솔린을 빨아내는 부분이 좁게 되어 있는데 이 안지름 치수를 메인 보어 사이즈(Main Bore Size)로 호칭하여 기화기의 크기로 표시된다. 메인 보어 사이즈에 대해서 가솔린을 공급하는 파이프의 굵기를 결정하면 많은 공기가 흐를수록 압력이 낮아져 많은 가솔린이 빨려 나가게 되므로 거의 일정한 공연비의 혼합기 공급이 가능하다는 의미이다. 가솔린이 공급되는 파이프를 메인 제트(Main Jet)라고 하는데 엔진의 운전 상태에 적합한 제트를 선정하면 범위가 넓은 회전 속도가 커버된다. 그러나 엔진의 회전 속도가 극히 낮은 공회전 시에는 벤투리 부의 압력이 낮아 적정량의 가솔린이 유출되기 어렵고 급가속의 경우에는 가솔린을 조금 많게 하여 공연비를 줄이고 싶지만 그러한 유연성은 불가능하다. 이러한 불편함을 보강할 목적으로 여러 가지 카뷰레터가 개발되었다. 특히 엔진의 배기량이 결정된 모터스포츠 세계에서는 카뷰레터의 설정에 따라 엔진의 성능이 좌우되고 있다. 카뷰레터의 작동은 우선 연료탱크에서 공급되는 가솔린을 플로트실에 저장하고 가솔린이 사용되어 연료량이 적어지면 플로트가 내려가서 연료파이프로부터 다시 가솔린을 공급하는 방식으로 되어 있다. 운전자가 액셀러레이터를 페달을 밟으면 여기에 연결된 스로틀 밸브가 열려 벤투리 부에 공기가 흐르기 시작하면 그 부압으로 메인 제트에서 가솔린이 빨려 나가는 구조로 되어 있다. 카뷰레터는 이처럼 구조가 단순하여 고장도 적고 가격도 저렴하다는 특징이 있지만 세세하게 연비와 출력의 균형을 잡는 것이 요구되는 현대 엔진용으로서는 아무래도 한계가 있다.[2]
구조[편집]
- 플로트 실(float chamber) : 연료탱크로부터 공급된 가솔린을 노즐로 보내기 전에 일정 압력을 유지하기 위해 일시 저장하는 곳을 말한다.
- 플로트(float) : 플로트실 내의 가솔린의 액면을 항상 일정하게 유지하며, 부력에 의해 작동하는 장치이다.
- 플로트 밸브(float valve) : 니들 밸브이며 플로트의 작용에 따라 플로트 실의 입구를 여닫는 장치이다.
- 메인 노즐(main nozzle) : 기화기의 벤츄리관 내에 있는 연료를 분출하는 관을 말한다.
- 벤츄리관(venturi tube) : 공기를 가속시켜 연료를 분출하게 하는 관으로 공기 유입구의 단면적보다 관의 단면적을 적게 만드는 장치를 말한다.
- 가속 펌프(accelerating pump) : 엔진을 급가속할 때 스로틀 밸브를 급속히 열면 공기의 양은 증가하나 연료의 양이 이에 따르지 못하므로 이를 보상하기 위해 연료를 분사하는 펌프를 말한다.
- 저속 노즐 및 공전 노즐 : 무 부하 운전 시 스로틀 밸브가 닫힌 상태에서 연료가 공급되는 노즐을 말한다.
- 미터링 로드(metering rod) : 스로틀 밸브와 링크로 연결되어 움직이는 가느다란 연료 조정 막대를 말한다
- 미터링 제트(metering jet) : 미터링 로드가 상하운동을 할 때 연료가 통과할 수 있도록 정교하게 가공된 오리피스 형상의 구멍을 말한다.
- 초크 밸브(choke valve) : 기화기의 앞부분에 설치하여 기화기로 유입되는 공기의 양을 조절하는 기구를 말한다.
- 벤츄리(venturi) : 연료 노즐의 선단 부근에서 압력을 저하시키기 위해서 설치한 단면이 좁은 통로를 말한다.
- 에어 브리드(air bleed) : 기화기 내의 작은 공기 통을 말하며, 이 통로를 통해 공기가 기화기 시스템으로 들어가 공기연료의 혼합기를 형성하고, 동시에 연료의 기화를 촉진하는 기능을 한다.[5]
종류[편집]
상승기류 기화기[편집]
상승기류 기화기는 공기와 연료를 함께 혼합하는 엔진의 구성 요소인 기화기의 한 유형으로 공기가 아래쪽으로 들어가고 위쪽으로 빠져나와 엔진으로 이동한다.[6]
하향기류 기화기[편집]
하향기류 기화기는 중력이 공기 연료 혼합물이 실린더로 쉽게 흐르도록 돕기 때문에 더 낮은 풍속과 더 큰 통로로 작동한다. 그리고 고속 및 고출력이 필요할 때 많은 양의 연료를 공급할 수 있는 장점을 가진다. 이 유형의 기화기에서 공기는 혼합 챔버의 상단에서 나오고 연료는 혼합 챔버의 바닥에서 나온다. 두 벤투리에 의해 생성된 낮은 압력으로 인해 연료가 파이프를 통해 나오고 그런 다음 연료와 공기가 혼합된다.[6]
수평형 기화기[편집]
수평형 기화기는 조립 공간의 제약이 있을 때 사용된다. 이런 유형의 기화기의 또 다른 장점은 흡기 영역에 직각 메커니즘이 없기 때문에 흐름의 저항이 감소한다. 수평형 기화기는 기화기의 한쪽 끝을 통해 공기가 들어오는 수평 위치에 있다. 그리고 연료와 혼합하여 공기 연료 혼합물을 만든 다음 공기 연료 혼합물은 연소를 위해 엔진 실린더로 이동한다.[6]
적용 사례[편집]
자동차[편집]
흡기매니폴드 앞에 한 개 설치되는 경우가 많았고, 고성능 차량은 기통별로 하나씩 장착되기도 했다. 기화기는 고성능 차량의 필수품으로 여겨졌었다. 1970년대까지는 거의 모든 자동차가 기화기를 사용했지만, 1973년 제1차 석유파동을 계기로 연비 향상을 위해 연료 분사기가 보급되기 시작하자 서서히 밀려나며 1980년대 후반까지 병행되어 사용되다가 1990년대에 들어서 환경문제가 대두되자 완전히 사라지게 되었다. 무연 휘발유의 보급은 곧 기화기를 장착한 엔진의 자동차를 사라지게 했다. 국내에서는 마지막으로 사용한 차량이 대우자동차 티코로 2001년까지 사용했다. 기아자동차㈜ 프라이드의 경우 FBC(Feed back Carburetor) 방식으로 1994년도까지 사용했다.[7]
모터사이클[편집]
대부분 기동별로 하나씩 장착되지만, 환경규제 때문에 세계적으로 2000년대 중반부터 기화기 장착 제품의 사용을 중단하게 되었다. 비용적인 이유로 자동차보다 늦게 연료 분사기로 바뀌었다. 게다가 모터사이클은 사용 수명이 기므로, 오늘날에도 기화기가 달린 이륜차가 이용하는 때도 종종 보인다. 한국의 경우 2008년부터 125cc 이상의 대부분 모터사이클이 연료 분사 방식으로 변경되었고, 50~110cc급에선 기화기를 사용하는 모델이 몇 개 남아있다. 2018년 현재 기화기 사양으로는 더 출시되지 않고 있으며, 환경 기준 또한 유로 4에서 유로 5로 상향을 앞두고 있어 앞으로 기화기를 장착한 모터사이클은 점점 더 찾아보기 힘들어질 것이다.[7]
장단점[편집]
장점[편집]
- 기화기 부품은 연료분사기보다 저렴하다
- 기화기를 사용하면 더 많은 공기와 혼합물을 얻을 수 있다.
- 도로 테스트 측면에서 기화기는 더 강력하고 정밀하다.
- 기화기는 연료 탱크에서 나오는 가스의 양에 의해 제한되지 않는다. 즉 실린더가 기화기를 통해 더 많은 연료를 끌어당겨 챔버에서 밀도가 높은 혼합물과 더 큰 출력으로 이어질 수 있다.[6]
단점[편집]
- 낮은 속도에서는 기화기에 의해 공급되는 혼합물이 너무 약해 제대로 점화되지 않으며 농축을 위해 기화기의 일부 배열이 필요하다.
- 기화기의 작동은 대기압의 변화에 영향을 받는다.
- 기화기는 연료분사기보다 무겁기 때문에 더 많은 연료가 소비된다.
- 연료분사기보다 더 많은 공기를 배출해 대기오염을 일으킨다.
- 기화기의 유지 보수 비용은 연료분사기 보다 높다.[6]
관리 방법[편집]
- 깨끗한 연료를 사용한다. 빗물에 섞이거나 지저분한 연료통에 있는 연료를 사용하면 안 된다. 연료를 넣을 때, 여과 망을 꼭 끼운 상태에서 넣거나 수동펌프를 이용해서 넣어야 한다.
- 엔진을 한 달 이상 사용하지 않을 경우, 기화기의 연료를 빼야 한다.
- 기화기로 들어오는 공기가 깨끗하게 걸러지는 에어클리너를 깨끗이 관리해야 한다. 공기 여과 망이 깨끗해야 공기가 제대로 흡입되고 연료가 잘 분사된다.[8]
각주[편집]
- ↑ 〈기화기〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 2.0 2.1 〈카뷰레터〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ roddance, 〈(엔진) 카뷰레터(Carburetor)〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-21
- ↑ 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 카뷰레터〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 리뷰 Z국대Z, 〈기화기의 구조〉, 《티스토리》, 2020-12-15
- ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 메카럽, 〈기화기란?-정의,유형 및 작동 원리〉, 《티스토리》, 2021-11-10
- ↑ 7.0 7.1 〈카뷰레터〉, 《나무위키》
- ↑ 파워나라, 〈기화기(카뷰레터) 고장 안나게 하는 관리방법〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-09
참고자료[편집]
- 〈기화기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈카뷰레터〉, 《네이버 지식백과》
- 〈죽기 전에 꼭 알아야 할 세상을 바꾼 발명품 1001 카뷰레터〉, 《네이버 지식백과》
- 〈카뷰레터〉, 《나무위키》
- roddance, 〈(엔진) 카뷰레터(Carburetor)〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-21
- 리뷰 Z국대Z, 〈기화기의 구조〉, 《티스토리》, 2020-12-15
- 메카럽, 〈기화기란?-정의,유형 및 작동 원리〉, 《티스토리》, 2021-11-10
- 파워나라, 〈기화기(카뷰레터) 고장 안나게 하는 관리방법〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-09
같이 보기[편집]
