크랭크실 환기 시스템

크랭크실 환기 시스템(Crankcase ventilation system, CVS)은 내연기관의 크랭크실에서 불필요한 가스를 제거한다. 이 시스템은 일반적으로 튜브, 일방향 밸브 및 진공원(예: 흡기 매니폴드)으로 구성된다.

블로바이(blow-by)라고 불리는 불필요한 가스는 피스톤 링을 통과하여 연소실에서 새어나온 가스이다. 초기 엔진은 이러한 가스를 크랭크실 밀봉을 통해 단순히 누출시켜 대기 중으로 배출했다. 최초의 특정 크랭크실 환기 시스템은 로드 드래프트 튜브(road draught tube)로, 부분 진공을 사용하여 가스를 튜브를 통해 흡입하고 대기 중으로 배출했다. 제2차 세계 대전 중 처음 사용되었으며 대부분의 현대 엔진에 존재하는 양압 크랭크실 환기(PCV) 시스템은대기 오염을 줄이기 위해 차량 배기가스 제어의 일부로 크랭크실 가스를 연소실로 다시 보낸다.

크랭크실 압축 설계가 적용된 2행정 기관은 크랭크실 환기 시스템이 필요하지 않다. 이는 엔진의 정상 작동 시 크랭크실 가스를 연소실로 보내기 때문이다.

 크랭크실 가스의 원천 
흔히 블로바이라고 불리는 이것은 연소실의 연소 물질이 피스톤 링을 "통과"하여 크랭크실로 새어나오는 결과이다. 이러한 블로바이 가스는 환기되지 않으면 필연적으로 크랭크실에 존재하는 오일 증기와 응축 및 결합하여 오일 슬러지를 형성한다. 과도한 크랭크실 압력은 또한 크랭크축 밀봉 및 기타 엔진 밀봉 및 개스킷을 통한 엔진 오일 누출로 이어질 수 있다. 따라서 크랭크실 환기 시스템을 사용하는 것이 필수적이다.

 대기 배출 
20세기 초까지 블로바이 가스는 밀봉 및 개스킷을 통해 누출되어 크랭크실에서 빠져나갔다. 이는 수십 년 전의 증기기관에서도 그랬듯이 엔진에서 오일이 새어나와 지면에 떨어지는 것이 정상으로 여겨졌다. 개스킷과 샤프트 밀봉은 오일 누출을 제한하기 위해 고안되었지만, 일반적으로 이를 완전히 방지할 것으로 기대되지는 않았다. 블로바이 가스는 오일을 통해 확산된 후 밀봉 및 개스킷을 통해 대기 중으로 누출되어 대기 오염과 악취를 유발했다.

크랭크실 환기의 첫 번째 개선은 로드 드래프트 튜브였다. 이것은 크랭크실(또는 오버헤드 밸브 엔진의 밸브 커버)에서 차량의 슬립스트림에 위치한 아래쪽을 향한 열린 끝까지 이어지는 파이프이다. 차량이 움직일 때 튜브의 열린 끝을 가로지르는 공기 흐름은 흡입(드래프트)을 생성하여 크랭크실에서 가스를 빨아낸다. 과도한 진공이 생성되는 것을 방지하기 위해 블로바이 가스는 브리더(breather)라는 장치를 사용하여 신선한 공기로 대체된다. 브리더는 종종 오일 캡에 위치한다. 많은 브리더는 컵이나 스쿱이 있었고 엔진 라디에이터 팬의 공기 흐름에 위치했다. 이 유형의 시스템은 압력-흡입 유형이다. 공기는 브리더의 스쿱으로 강제로 유입되고 진공에 의해 로드 드래프트 튜브를 통해 빨려 나간다. 압력-흡입 유형의 또 다른 변형은 폭스바겐 포르쉐 공랭식 엔진에 사용되었는데, 전면 크랭크실 풀리에 역나사가 내장되어 공기를 엔진으로 유입시키고 공기는 로드 드래프트 튜브를 통해 크랭크실에서 배출된다. 이 시스템은 엔진에 해로운 크랭크실 증기를 제거하는 데 매우 효과적이다. 이전 엔진과 마찬가지로 로드 드래프트 튜브 시스템 또한 오염과 불쾌한 냄새를 유발했다. 드래프트 튜브는 눈이나 얼음으로 막힐 수 있었는데, 이 경우 크랭크실 압력이 증가하여 오일 누출과 개스킷 고장을 유발할 수 있었다.

느리게 움직이는 배달 차량과 보트에서는 로드 드래프트 튜브에 적합한 공기 슬립스트림이 없는 경우가 많았다. 이러한 상황에서 엔진은 블로바이 가스를 크랭크실에서 밀어내기 위해 브리더 튜브에서 양압을 사용했다. 따라서 브리더 공기 흡입구는 종종 엔진 냉각 팬 뒤의 공기 흐름에 위치했다. 크랭크실 가스는 드래프트 튜브를 통해 대기 중으로 배출되었다.

 양압 크랭크실 환기 (PCV) 
 역사 
양압 크랭크실 환기(PCV) 시스템의 현대적 목적은 대기 오염을 줄이는 것이지만, 원래 목적은 물이 새어 들어가지 않고 엔진이 수중에서 작동할 수 있도록 하는 것이었다. 최초의 PCV 시스템은 제2차 세계 대전 중에 제작되어 전차 엔진이 깊은 여울 도섭 작전 중에 작동할 수 있도록 했다. 일반적인 드래프트 튜브 환기 장치는 물이 크랭크실로 들어가 엔진을 파괴했을 것이기 때문이다.

1950년대 초, 아리 얀 하겐스미트 교수는 자동차 엔진에서 발생하는 오염이 캘리포니아 로스앤젤레스에서 겪고 있던 스모그 위기의 주요 원인임을 밝혔다.See also Haagen-Smit, A.J. and Fox, Margaret M. "Automobile Exhaust and Ozone Formation." SAE Transactions, 1955, Volume 63, 575-580. 캘리포니아 자동차 공해 통제 위원회(캘리포니아 대기 자원 위원회의 전신)는 1960년에 설립되어 블로바이 가스가 대기 중으로 직접 배출되는 것을 방지하는 방법을 연구하기 시작했다. PCV 시스템은 가스를 흡기구로 재순환시켜 신선한 공기/연료와 결합하여 더 완전히 연소되도록 설계되었다. 1961년 캘리포니아 규정은 모든 신차가 PCV 시스템과 함께 판매되어야 한다고 요구했으며, 이는 차량 배기가스 제어 장치의 첫 번째 구현을 나타낸다.

1963년 모델부터 미국에서 판매되는 대부분의 신차에는 자발적인 산업 조치에 따라 PCV 시스템이 장착되어 여러 주별 버전의 차량을 만들 필요가 없었다. PCV는 배기가스 감소뿐만 아니라 엔진 내부 청결 및 오일 수명에도 이점이 있어 전 세계 모든 차량에 빠르게 표준 장비가 되었다.

1967년, 도입된 지 몇 년 후, PCV 시스템은 미국 연방 대배심 조사의 대상이 되었다. 일부 산업 비평가들이 자동차 제조사 협회(AMA)가 추가적인 스모그 제어를 지연시키기 위해 그러한 스모그 감소 장치 몇 가지를 보관하고 있었다고 주장했기 때문이다. 18개월간의 조사 끝에 대배심은 "불기소" 결정을 내렸고 AMA를 무죄로 했지만, 모든 미국 자동차 회사들이 10년 동안 스모그 제어 활동에 공동으로 참여하지 않기로 동의하는 합의 판결을 초래했다.

그 이후 수십 년 동안 차량 배기가스에 대한 법규 및 규제는 상당히 강화되었다. 오늘날 대부분의 가솔린 엔진은 PCV 시스템을 계속 사용한다.

 브리더 
PCV 시스템이 크랭크실에서 연기를 빼내려면 시스템에 신선한 공기 공급원이 있어야 한다. 이 신선한 공기의 공급원은 "크랭크실 브리더"이며, 일반적으로 엔진의 공기여과기 또는 흡기 매니폴드에서 덕트로 연결된다. 브리더는 일반적으로 오일 미스트와 증기가 공기 필터를 오염시키는 것을 방지하기 위해 배플과 필터가 제공된다. 이 현상은 애프터마켓 공기-오일 분리 장치 또는 속칭 "오일 캐치 탱크"를 설치하여 더욱 줄일 수 있다. 이 장치는 오일 미스트를 부유물에서 끌어내어 흡기구에 도달하기 전에 저장통에 모은다. 적절하게 설계된 크랭크실 브리더는 또한 블로바이 가스 제거를 더욱 돕기 위해 크랭크실 브리더 내에서 흡입(스캐빈징 효과)을 촉진하는 방식으로 설계된다. 제대로 작동하는 PCV 시스템이 제자리에 있을 때 크랭크실을 약간 음압으로 유지하는 것은 바로 이 효과 때문이다.

 PCV 밸브 

흡기 매니폴드 진공은 PCV 밸브를 통해 크랭크실에 적용된다. 크랭크실과 엔진 내부를 통과하는 공기 흐름은 연소 부산물 가스를 쓸어낸다. 이 공기와 크랭크실 가스 혼합물은 종종 다른 간단한 배플, 스크린 또는 메시를 통해 유증기를 배제하고 PCV 밸브를 통해 흡기 매니폴드로 빠져나간다. 일부 PCV 시스템에서는 이 오일 배플링이 '오일 분리기'라고 불리는 개별 교체 가능한 부품에서 발생한다. 원래 장착되지 않은 차량에 외부 오일 배플링 시스템을 추가하기 위해 판매되는 애프터마켓 제품은 일반적으로 "오일 캐치 탱크"로 알려져 있다.

PCV 밸브는 흡기 시스템으로 들어가는 크랭크실 가스의 흐름을 제어한다. 공회전 시 스로틀이 거의 닫혀 있으면 매니폴드 진공이 높아 많은 양의 크랭크실 가스가 유입되어 엔진이 너무 희박하게 작동하게 된다. 매니폴드 진공이 높을 때 PCV 밸브는 닫혀 흡기 시스템으로 들어가는 크랭크실 가스의 양을 제한한다.

엔진이 부하 상태이거나 고RPM으로 작동할 때 더 많은 양의 블로바이 가스가 생성된다. 이러한 조건에서 스로틀이 완전히 열려 있을 때 흡기 매니폴드 진공은 더 낮아져 PCV 밸브가 열리고 크랭크실 가스가 흡기 시스템으로 흐르게 된다. 이러한 조건에서 더 큰 흡기 공기 유량은 엔진 작동을 손상시키지 않고 더 많은 양의 블로바이 가스를 흡기 시스템에 추가할 수 있음을 의미한다. 이러한 조건에서 PCV 밸브가 열리는 것은 크랭크실 가스를 흡기 시스템으로 끌어들이는 데 흡기 시스템이 덜 효과적인 것을 보상하기도 한다.

PCV 밸브의 두 번째 기능은 화염 방지기 및 체크 밸브 역할을 하여 흡기 시스템의 양압이 크랭크실로 들어가는 것을 방지하는 것이다. 이는 터보차저 엔진이나 백파이어가 발생할 때 발생할 수 있으며, 양압은 크랭크실 밀봉 및 개스킷을 손상시키거나 심지어 크랭크실 폭발을 일으킬 수도 있다. 따라서 PCV 밸브는 양압이 존재할 때 닫혀 크랭크실에 도달하는 것을 방지한다.

PCV 밸브가 위치한 크랭크실 공기 배출구는 일반적으로 크랭크실 브리더에서 가능한 한 멀리 배치된다. 예를 들어, 브리더와 배출구는 V 엔진의 반대쪽 밸브 커버에 있거나 직렬 기관의 밸브 커버 반대쪽 끝에 자주 있다. PCV 밸브는 종종(항상 그런 것은 아니지만) 밸브 커버에 배치되지만, 크랭크실 공기 배출구와 흡기 매니폴드 사이의 어느 곳에나 위치할 수 있다.

 강제 유도 응용 분야 
PCV 밸브는 점점 더 인기를 끄는 강제 유도 응용 분야에서 훨씬 더 중요한 기능을 얻는다. 과도한 크랭크실 압력은 피스톤 링을 통과하는 블로바이 가스로 인해 발생할 뿐만 아니라 흡기 매니폴드의 양압이 크랭크실로 유입될 때도 발생할 수 있다. 앞에서 언급했듯이 터보차저 또는 슈퍼차저와 같은 강제 유도 시스템이 장착된 차량에서는 엔진의 흡기 매니폴드가 부하 시 양압을 경험한다. 이는 부하 시 흡기 매니폴드가 진공 상태를 유지하는 자연 흡기 응용 분야와는 다르다. 따라서 강제 유도 엔진이 부하 상태일 때 흡기 매니폴드는 더 이상 크랭크실에서 블로바이 가스를 끌어내는 데 사용될 수 없으며, 대신 크랭크실 압력을 증가시켜 문제를 악화시키기 시작한다. 이때 PCV 밸브의 역할은 흡기 매니폴드가 가압될 때 흡기 매니폴드와 크랭크실을 격리하고 흡기 매니폴드가 진공 상태일 때 크랭크실에서 블로바이 가스의 흐름을 허용하는 것이다. 이 추가 역할 외에도 부스트 적용 분야에서는 실린더 압력이 훨씬 높고 결과적으로 더 많은 블로바이 가스가 크랭크실로 밀려 들어가 완전히 기능하는 PCV 시스템을 더욱 중요하게 만든다.

 흡기 시스템의 탄소 축적 
PCV 시스템이 고장나 블로바이 가스가 흡기 공기를 영구적으로 오염시키도록 허용되면 흡기 매니폴드에 탄소 축적이 발생한다.

흡기 밸브에 블로바이 가스로 인한 탄소 축적 또는 오일 슬러지는 포트 분사 엔진에서는 일반적으로 문제가 되지 않는다. 이는 연료가 연소실로 가는 길에 흡기 밸브에 닿아 연료의 세정제가 밸브를 깨끗하게 유지하기 때문이다. 그러나 흡기 밸브의 탄소 축적은 직접 분사 방식 엔진에서만 문제인데, 연료가 연소실로 직접 분사되기 때문이다. 이 때문에 연료 시스템 클리너나 연료 첨가제를 탱크에 추가해도 이러한 침전물을 청소하는 데 도움이 되지 않는다. 이러한 침전물을 청소하는 방법에는 흡기구를 통해 클리너를 분사하거나 흡기 밸브에 직접 매체 블라스팅을 하는 것이 있다.

 대안 
크랭크실 압축을 사용하는 2행정 기관은 크랭크실 내의 모든 가스가 연소실로 공급되므로 크랭크실 환기 시스템이 필요하지 않다.

잔디 깎는 기계 엔진 및 발전기와 같은 많은 소형 4행정 기관은 단순히 흡기 시스템에 연결된 드래프트 튜브를 사용한다. 드래프트 튜브는 모든 블로바이 가스를 흡기 혼합물로 다시 유도하며 일반적으로 공기여과기와 기화기 사이에 위치한다.

일부 드래그 레이싱 자동차의 드라이 섬프 엔진은 오일과 가스를 크랭크실에서 추출하기 위해 스캐빈징 펌프를 사용한다. 분리기는 오일을 제거한 다음 가스는 벤투리관을 통해 배기 시스템으로 공급된다. 이 시스템은 크랭크실에 소량의 진공을 유지하고 경주 트랙에 잠재적으로 흘러내릴 수 있는 엔진 내 오일의 양을 최소화한다.

 각주 

분류:엔진 기술
분류:엔진 밸브