에어 인젝션 시스템: 배기가스 저감 원리·구성·장단점

에어 인젝션(Air Injection) 시스템은 엔진 각 배기포트에 공기 주입 → 고온 배기와 혼합 → HC·CO 산화 → H₂O·CO₂ 생성으로 배기가스 저감 기술. 초기 배출규제 대응에 효과적이었던 최초의 애드온 장치 중 하나로, 에어 펌프 시스템(Air Pump System)이라고도 불림.

에어 인젝션 시스템이란?

HC·CO 저감 위해 엔진 배기포트에 신선 공기 강제 공급. 엔진 배기가스엔 미연소·부분 연소 연료 잔존. 에어 인젝션 시스템 산소로 이 연료 지속 연소. 주요 구성: 에어 펌프, 디버터 밸브, 에어 분배 매니폴드, 에어 체크 밸브.

루돌프 디젤(Rudolf Diesel) 고안. 도면 1 참조. 연료 공급 시 공기·연료 동시 실린더 내 분사. 연료 분사 필요 공기압 ≈ 70 bar 이상.

내연기관 연료 분사 = 연료-공기 혼합 기구. 분사 시스템 다양한 기능 목표 공유하나 공통점: 연소 과정에 연료 공급. 경쟁 목표: 출력, 연비, 배출성능, 신뢰성, 부드러운 운전, 시동성, 운용비, 유지비 등.

주요 구성품

• 필터 내장 에어 공급 펌프
• 에어 매니폴드 및 노즐
• 안티 백파이어 밸브 (Anti-backfire Valve)
• 체크 밸브 (Check Valve)
• 연결 호스

에어 공급 펌프 (Air Supply Pump)

크랭크샤프트 벨트 구동, 엔진 전방 장착. 외부 필터로 신선 공기 흡입 → 저압으로 연결 호스 통해 각 배기포트 송출. 추가 공기 + 고온 배기 매니폴드 내 HC·CO → 산화 → H₂O·CO₂ 전환.

에어 매니폴드 및 노즐 (Air Manifolds and Nozzles)

초기 시스템 두 방식:

• 소형 엔진: 외부 에어 매니폴드 → 인젝션 튜브 → 각 배기밸브 근처 배기포트 공급
• 대형 엔진: 실린더 헤드/배기 매니폴드 내부 통로 → 내부 에어 매니폴드 → 각 배기밸브 근처 배기포트 공급

안티 백파이어 밸브 (Anti-backfire Valve)

감속 시 높은 흡기 매니폴드 진공 → 공기-연료 혼합기 농후화. 감속 중 신선 공기 배기 매니폴드 유입 → 미연소 연료와 혼합 → 엔진 백파이어(후연소). 급격한 미연소 가스 연소로 머플러 손상 우려. 걸프 밸브(Gulp Valve) 또는 디버터 밸브(Diverter Valve)로 감속 시 공기 흐름 차단 방지.

체크 밸브 (Check Valve)

단방향 체크 밸브로 배기 가스 역류 방지(에어 펌프 보호). 에어 매니폴드-디버터/걸프 밸브 사이 장착. 배기압 > 에어 인젝션 압력 또는 펌프 고장 시 스프링으로 밸브 닫힘 → 역류 차단. 직렬 엔진: 단일 체크밸브 일반적. V형 엔진: 실린더 뱅크당 2개(또는 1개) 장착.

2차 에어 인젝션 시스템 추가 부품

• 에어 필터
• 2차 에어 펌프
• 엔진 제어 유닛 (ECU)
• 제어 릴레이
• 체인지오버 밸브 (Change-over Valve)
• 컴비네이션 밸브 (Combination Valve)

2차 에어 인젝션 시스템 구조도

[구조도 삽입 권장: 2차 에어 펌프, 체인지오버 밸브, 컴비네이션 밸브, 배기 매니폴드, 촉매, ECU 제어 라인 표시]

작동 원리

엔진 가동 시 에어 펌프 베인 회전 → 공기 디버터 밸브 유입. 감속 중 아니면 디버터 밸브→체크 밸브→에어 인젝션 매니폴드→엔진 배기밸브로 신선 공기 분사. 감속 시 디버터 밸브가 배기 매니폴드 공기 유입 차단 → 백파이어 방지. 시스템 과압 시 디버터 밸브로 압력 해제.

2차 에어 인젝션 시스템 (Secondary Air Injection System)

촉매 미작동 냉간 시동 단계 HC·CO 추가 저감. 화학량론 운전 가솔린 엔진서 3원 촉매 >90% 전환율. 냉간 시동 시 전체 배출가스 80% 발생. 촉매 활성 온도 300~350°C 필요 → 냉간 시 다양한 방법으로 배출가스 저감. 2차 에어 시스템이 그 역할.

배기계 잔류 산소 충분·고온 시 HC·CO 2차 반응 → CO₂·H₂O 생성. 냉간 시 혼합기 과농후 → 공기 배기류 주입 → 반응용 산소 확보. 3원 촉매+람다 제어 차량서 약 100초 후 2차 에어 시스템 해제. 2차 반응열로 촉매 작동 온도 신속 도달.

공기 공급 방식: 수동(패시브) vs 능동(액티브). 패시브: 배기계 압력 맥동 이용. 배기관 유속 진공으로 타임드 밸브 통해 추가 공기 유입. 액티브: 펌프로 2차 에어 강제 분사 → 제어성 우수.

영상: 에어 인젝션 시스템 작동 원리

[영상 링크 삽입 권장]

장단점

장점

• 연료 미립화·분포 개선
• 연소 완전도 향상 → BMEP(제동 평균 유효 압력) 타 분사 시스템 대비 높음
• 저가 연료 사용 가능

단점

• 컴프레서 구동용 복잡 기구 필요
• 엔진 중량 증가
• 엔진 출력이 컴프레서 구동에 소모 → BHP(브레이크 마력) 감소

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이상으로 2차 에어 인젝션 시스템 정의, 구성품, 구조도, 작동 원리, 장단점 종합 다루었습니다. 유익하셨다면 공유 부탁드립니다. 감사합니다!