흡기와 배기의 원리: 에어필터·스로틀·터보부터 촉매 변환기·DPF·머플러·산소 센서까지, 그리고 배기 튜닝을 규제하는 이유

자동차 엔진은 한쪽 끝으로 숨을 들이쉬고 다른 쪽 끝으로 내쉽니다. 들숨은 차 앞쪽 에어필터에서 시작하고, 날숨은 차 뒤쪽 꼬리관에서 끝납니다. 그 사이 수 미터의 관에는 숨을 고르게 하고, 거르고, 깨끗하게 하고, 조용하게 만드는 장치들이 줄지어 있습니다. 연재 「자동차 부품 이야기」 여덟 번째 편은 공기의 처음과 끝을 따라갑니다. 지난 편 연료 계통이 「연료를 얼마나 넣을까」의 이야기였다면, 이번 편은 그 기준이 되는 「공기가 얼마나 들어왔나」에서 시작합니다.

엔진은 공기를 얼마나 먹나

휘발유가 남김없이 타려면 질량으로 연료 1에 공기 약 14.7이 필요합니다. 부피로 바꾸면 차이가 훨씬 커집니다. 휘발유 1L(약 0.74kg)를 태우는 데 공기 약 10.9kg, 부피로는 9,000L 남짓이 듭니다. 엔진에게 공기는 연료보다 훨씬 많이 먹어야 하는 주식입니다. 그래서 엔진의 힘은 사실상 「1초에 공기를 얼마나 들이마실 수 있느냐」로 정해집니다. 흡기 계통을 다듬고, 터보로 공기를 눌러 넣는 이유가 여기 있습니다.

숨이 지나가는 길

에어필터: 첫 관문

도로 위 공기에는 흙먼지, 타이어 가루, 꽃가루가 섞여 있습니다. 모래알 하나라도 실린더에 들어가면 피스톤과 실린더 벽을 긁습니다. 에어필터는 주름진 종이나 섬유로 이런 알갱이를 걸러 냅니다. 주름을 촘촘히 접는 이유는 같은 상자 안에 거르는 면적을 넓혀, 공기가 쉽게 지나가면서도 먼지는 많이 붙잡게 하려는 것입니다. 실내 공기를 거르는 에어컨 필터와는 다른 부품이며, 엔진 필터는 엔진룸의 에어클리너 상자 안에 있습니다. 위치는 1편 엔진룸 부품 지도에서 볼 수 있습니다.

공기량 센서와 스로틀

필터를 지난 공기는 공기량 센서를 거칩니다. 뜨겁게 달군 가는 선이나 막에 공기가 스치면 열을 빼앗기는데, 이 식는 정도로 들어오는 공기의 양을 잽니다. ECU는 이 값을 보고 연료량을 계산합니다. 센서를 쓰지 않고 흡기관의 압력과 온도로 계산하는 엔진도 있습니다.

다음은 스로틀입니다. 관 안에 든 둥근 판(나비 밸브)이 기울어진 정도로 공기 양을 조절합니다. 가속 페달은 사실 연료 페달이 아니라 이 공기 문을 여는 페달입니다. 연료는 들어온 공기에 맞춰 따라 들어갈 뿐입니다. 요즘 차는 페달과 스로틀이 줄로 이어져 있지 않고, 페달 센서의 신호를 받은 모터가 스로틀을 엽니다. 디젤 엔진은 원래 공기를 조이지 않고 연료량으로 힘을 조절하는 방식이라, 스로틀이 있더라도 역할이 다릅니다.

흡기 매니폴드

스로틀을 지난 공기는 문어발처럼 갈라진 흡기 매니폴드를 따라 실린더마다 나뉘어 들어갑니다. 갈래 관의 길이와 굵기는 공기가 고르게, 그리고 기세 좋게 들어가도록 계산해 정합니다. 공기도 질량이 있어 관 속에서 출렁이는데, 그 출렁임이 흡기 밸브가 열리는 박자에 맞으면 공기를 더 많이 밀어 넣을 수 있기 때문입니다. 회전수에 따라 관 길이를 바꾸는 가변 흡기 장치도 이 원리를 씁니다.

터보차저와 인터쿨러

터보차저는 버려지는 배기가스의 기세로 바람개비(터빈)를 돌리고, 같은 축 반대편의 압축기로 흡기를 눌러 담는 장치입니다. 같은 배기량에 더 많은 공기를 넣으니 더 많은 연료를 태워 힘을 낼 수 있습니다. 공기를 누르면 뜨거워지고, 뜨거운 공기는 밀도가 낮아 효과가 줄고 노킹 위험도 커집니다. 그래서 압축된 공기를 작은 라디에이터 같은 인터쿨러에 통과시켜 식힌 뒤 엔진에 넣습니다. 터보는 그 자체로 한 편이 될 만한 이야기라 여기서는 위치와 역할만 짚어 둡니다.

흡기에도 소리가 있다

배기만 시끄러운 것이 아닙니다. 흡기 밸브가 여닫힐 때마다 관 속 공기가 출렁여 「후웅」 하는 흡기음이 생깁니다. 그래서 에어클리너 상자와 흡기 관 중간에는 특정 음높이를 잡는 작은 공명 상자가 붙어 있기도 합니다. 반대로 일부 차는 운전자가 엔진의 기운을 느끼도록 흡기음 일부를 실내 쪽으로 일부러 전달하는 관을 달기도 합니다. 조용함과 감성 사이의 줄다리기는 흡기 쪽에서도 벌어집니다.

날숨이 지나가는 길

배기 매니폴드

연소를 마친 가스는 배기 밸브를 지나 배기 매니폴드로 모입니다. 수백 ℃를 넘는 가스가 지나가므로 주철이나 스테인리스강으로 만들고, 주변 부품을 지키려고 열 차단판을 덮습니다. 최근 엔진은 매니폴드를 실린더 헤드 안에 통째로 넣어, 배기 열로 냉각수를 빨리 데우는 설계도 씁니다.

촉매 변환기: 화학 공장

배기가스에는 덜 탄 연료(탄화수소), 일산화탄소, 질소산화물이 섞여 있습니다. 촉매 변환기 안에는 벌집처럼 가는 통로가 수없이 뚫린 세라믹 덩어리가 있고, 그 벽에 백금·팔라듐·로듐 같은 귀금속이 아주 얇게 발려 있습니다. 가스가 이 벽을 스치는 동안 일산화탄소와 탄화수소는 산소와 결합해 이산화탄소와 물이 되고, 질소산화물은 산소를 내놓고 질소로 돌아갑니다. 세 가지를 한꺼번에 처리한다고 해서 「삼원 촉매」라고 부릅니다.

촉매는 데워져야 일합니다. 시동 직후 차가운 몇십 초 동안 배출가스가 가장 많기 때문에, 촉매를 엔진에 바짝 붙이고 시동 직후 일부러 점화 시점을 늦춰 배기를 뜨겁게 만드는 차도 있습니다. 미국에서는 1975년형 차부터 촉매 변환기가 널리 달리기 시작했고, 납이 촉매를 망가뜨리기 때문에 무연 휘발유 보급이 함께 진행되었습니다.

산소 센서: 감시자 두 명

촉매 앞뒤에는 산소 센서가 하나씩 달린 경우가 많습니다. 앞쪽 센서는 배기 속 산소가 남는지 모자라는지를 보고 ECU에 알려, 연료량을 이론 비율 근처로 끊임없이 바로잡게 합니다. 삼원 촉매는 이 비율 근처에서만 세 가지를 모두 잘 처리하기 때문입니다. 뒤쪽 센서는 촉매를 지나고 난 가스를 보고 촉매가 제대로 일하는지 감시합니다. 촉매가 낡아 산소를 저장하는 능력이 떨어지면 뒤쪽 신호가 앞쪽을 닮아 가고, ECU는 엔진 경고등을 켭니다.

DPF와 GPF: 매연 거름망

디젤 엔진은 검은 매연 입자를 많이 냅니다. DPF(디젤 미립자 필터)는 벌집 통로의 한쪽 끝을 번갈아 막아, 가스가 다공질 벽을 뚫고 지나가게 만들어 입자를 걸러 냅니다. 쌓인 입자는 배기 온도를 높여 태워 없애는데, 이를 「재생」이라고 합니다. 짧은 거리만 오가면 재생할 만큼 뜨거워지지 않아 필터가 막히고 경고등이 켜질 수 있습니다. 미세입자가 늘어나는 휘발유 직분사 차에도 비슷한 원리의 GPF를 다는 경우가 늘었습니다.

머플러: 소리를 줄이는 세 가지 방법

배기 밸브가 열릴 때마다 높은 압력의 가스가 관으로 터져 나옵니다. 머플러가 없다면 그 소리는 연속된 폭발음에 가깝습니다. 머플러는 이 압력 파동을 여러 방법으로 다스립니다.

1. 반사: 관이 갑자기 넓은 방으로 바뀌었다가 다시 좁아지면, 소리 파동 일부가 그 경계에서 되돌아갑니다. 칸막이 방을 여러 개 이으면 나가는 소리가 거듭 줄어듭니다.
2. 상쇄(간섭): 소리는 압력이 높고 낮은 것이 번갈아 오는 파동입니다. 길이가 다른 두 길을 지난 파동이 만나 한쪽의 높은 압력과 다른 쪽의 낮은 압력이 겹치면 서로 지워집니다. 특정 음높이를 겨냥한 작은 공명 방(공명기)이 이 원리로 「웅」 하는 소리를 잡습니다.
3. 흡수: 구멍 뚫린 관 둘레에 유리섬유 같은 흡음재를 채우면, 공기 진동이 섬유 사이를 비집고 다니며 마찰로 열이 되어 사라집니다. 주로 높은 소리에 잘 듣습니다.

머플러는 소리를 줄이는 대신 가스가 빠져나가는 길을 조금 막습니다. 그래서 제조사는 조용함과 배기 흐름, 무게, 값 사이에서 균형을 찾습니다. 일부 차는 회전수에 따라 열리고 닫히는 밸브를 넣어 평소에는 조용하게, 세게 달릴 때는 흐름을 넓게 쓰기도 합니다.

흡기·배기 튜닝은 왜 규제할까

배기 장치는 개인 취향의 문제처럼 보이지만, 그 결과물인 소리와 가스는 차 밖의 모든 사람에게 닿습니다. 그래서 우리나라는 이 부분을 두 갈래 법으로 다룹니다.

• 소음의 문제 (소음·진동관리법): 자동차 소유자는 차에서 나는 소음이 운행차 소음허용기준에 맞게 운행해야 하고, 소음기(머플러)나 소음덮개를 떼어 버리거나 경음기를 추가로 붙여서는 안 된다고 정하고 있습니다. 지자체 등은 도로나 주차장에서 이를 수시로 점검할 수 있고, 위반이 확인되면 개선명령과 일정 기간의 사용정지 명령을 내릴 수 있습니다. 소음허용기준의 구체적인 데시벨 값은 차종과 제작 시기에 따라 다르므로 법령 별표에서 확인해야 합니다.
• 구조·장치 변경의 문제 (자동차관리법): 국토교통부령으로 정한 항목을 튜닝하려면 먼저 승인을 받아야 하고, 승인된 대로 작업했는지 튜닝검사를 받아야 합니다. 승인과 검사 실무는 한국교통안전공단이 맡고 있으며, 소음방지장치와 배출가스 관련 장치도 이 절차의 대상이 될 수 있습니다. 승인 없이 튜닝하면 형사처벌 대상이 될 수 있습니다.
• 배출가스의 문제: 촉매 변환기나 DPF를 떼어 내거나 비워 내는 것은 소리보다 더 무거운 문제입니다. 대기 오염 물질이 그대로 나가게 되고, 정기검사의 배출가스 검사를 통과할 수 없습니다.

이륜차에 대해서는 최근 기준이 더 촘촘해졌습니다. 2023년 7월 이후 제작·판매된 이륜차 등은 인증받은 배기소음 값보다 5dB 넘게 시끄럽게 운행하지 못하도록 하는 규정이 생겼습니다. 「규제가 지나치다」는 의견도 있지만, 밤늦은 주택가에서 개조한 배기음에 잠을 깬 경험이 있는 사람이라면 이 규정이 왜 생겼는지 짐작할 수 있습니다. 튜닝 승인 신청에 필요한 서류와 검사 절차 같은 실제 진행 방법은 자매 사이트 피스테라의 자동차 관리 글에서 다룹니다.

이상 신호 읽기

증상	의심할 곳
가속이 둔하고 연비가 서서히 나빠짐	에어필터 심한 막힘, 공기량 센서 오염, 흡기 호스 균열로 계량 안 된 공기 유입
배기음이 갑자기 커지고 「부르릉」 거칠어짐	배기관·머플러 부식 구멍, 연결부 개스킷 손상
차 밑에서 「달그락」 금속 떨리는 소리	열 차단판 고정 풀림, 촉매 내부 세라믹 깨짐
썩은 달걀 냄새	촉매가 연료 속 황 성분을 처리하는 과정의 냄새. 계속되면 연료 혼합비 이상 점검
엔진 경고등 + 촉매 효율 저하 고장 코드	촉매 노화, 뒤쪽 산소 센서 이상
디젤차 DPF 경고등	필터에 입자가 많이 쌓임. 정비 안내서의 재생 방법을 따르고, 계속 켜지면 점검
실내로 배기 냄새가 들어옴	배기 누설. 일산화탄소 위험이 있으므로 창을 열고 빨리 점검

다음 편에서는 전기 이야기로 돌아가, 자동차 배터리의 −극을 왜 차체에 연결하는지, 그리고 배터리를 뗄 때 왜 −부터 푸는지를 다룹니다.

내 차 점검·관리 방법은 피스테라 자동차 관리 글에서, 부품의 원리와 고장 증상은 이 연재에서 다룹니다.

자주 묻는 질문

Q. 에어필터는 얼마나 자주 갈아야 하나요?

차종마다 정비 안내서에 주기가 적혀 있고, 먼지 많은 길을 자주 달리면 더 짧게 잡도록 안내하는 경우가 많습니다. 꺼내 보아 주름 사이가 회색 먼지로 꽉 차 있으면 교체할 때입니다.

Q. 머플러에서 물이 떨어지는 건 고장인가요?

대개 정상입니다. 연료가 타면 물이 생기는데, 배기관이 차가울 때 이 수증기가 맺혀 꼬리관으로 떨어집니다. 짧은 거리를 달린 겨울철에 특히 많이 보입니다.

Q. 촉매 변환기는 왜 도난 대상이 되나요?

안에 백금·팔라듐·로듐 같은 귀금속이 들어 있기 때문입니다. 해외에서는 차 밑에서 잘라 가는 사건이 사회 문제가 되기도 했습니다.

Q. 머플러를 바꾸는 것 자체가 불법인가요?

같은 규격의 순정 부품으로 바꾸는 수리는 문제가 없습니다. 소음기를 떼거나 소음 성능이 달라지는 구조 변경은 소음·진동관리법과 자동차관리법의 적용을 받으므로, 튜닝 승인과 검사를 거쳐야 합니다.

Q. DPF 경고등이 켜졌는데 어떻게 하나요?

정비 안내서에 적힌 재생 조건(일정 속도 이상으로 일정 시간 주행 등)을 따르는 것이 먼저입니다. 그래도 계속 켜지거나 출력이 제한되면 정비소에서 점검을 받으세요.

Q. 터보차는 시동을 끄기 전에 기다려야 하나요?

세게 달린 직후에는 터보가 매우 뜨거우므로 잠시 공회전하거나 마지막 구간을 천천히 달려 식혀 주라는 안내가 있습니다. 요즘 차는 냉각 설계가 좋아져 일상 주행 뒤에는 따로 기다릴 필요가 적다는 설명도 많습니다. 정비 안내서를 따르세요.