"머플러(Muffler)"라는 장치에 대해서는 차에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면
그 모양과 생김새에 대해 어느 정도 알고 있을 것이다.
머플러는 통상적으로 자동차 맨뒤에 위치하여 배기가스를 붕~붕~붕~ 내뿜는 장치를 말한다.
(참고로 Muffler의 일본식 발음이 "마후라"인데 이 용어도 많이 사용되고 있다.)
Muffler는 Muffle하는 장치를 말하는데 사전적으로"Muffle"이란 동사의 의미는
더 조용하도록 소음(消音)하는 행위를 말한다.
Muffler의 주요 역할이 "배기가스의 정화"라고 잘못 알고 있는 사람들이 간혹 있는데
이는 실제로 그렇지 않으며 Muffler의 주요 역할은 소음(消音: 잡음이나 폭음을 없앰)이며
그래서 Muffler를 다른 말로 소음기 혹은 Silencer라고도 부른다.
엄밀하게 말하면 Muffler란 엔진에서 나오는 배기가스를 배출하는 것과 관련된 부품 중에서
가장 마지막 부분에 위치해서 소음(消音) 처리을 하는 장치를 가리킨다.
하지만 일부에서는 배기와 관련된 모든 장치를 통틀어서 Muffler라고 부르기도 한다.
이런 경우, Muffler는 "배기가스 정화"도 수행한다고 할 수 있다.
여기서는 Muffler란 단어를 전자의 정의(가장 뒷부분의 소음기)로 사용하겠다.
(요즘 나오는 Muffler중에는 소음 기능 뿐만이 아니라 부수적인 기능으로서
유해성분의 배출을 억제하는 역할도 수행하는 Muffler도 있다.)
폭탄이 터지거나 가스통에 불이 붙거나 해서 폭발이 일어나게 되면
큰 소음이 발생하는 것은 누구나 아는 상식인데 엔진 내부에서도 규모는 작지만
피스톤을 움직이는 동력을 얻기위해 지속적으로 연료를 폭발시키고 있으며
이 폭발 역시 큰 폭발음을 동반하게 된다.
(그래서 엔진음이 곧 배기음이며 엔진음에 따라 배기음도 달라진다고 설명한다.)
엔진에서 발생한 이 폭발음은 여러 가지의 배기장치를 거쳐 Muffler에 전달되게 되는데
Muffler를 거치면서 이 폭발음의 소리는 작아지게 됩니다.
그렇다면 Muffler가 없다고 해도 자동차의 배기음이 시끄러워질 뿐
차가 움직이는 것과는 관련없지 않을까?라고 질문하시는 분들이 있는데
이 부분은 나중에 다루도록 하고
Muffler의 소음(消音) 원리에 대해 간단한 예를 들어 설명하자면
미닫이 문으로 구분된 방이 5개가 한 줄로(일자 모양) 길게 연결되어 있는 집이 있고
가장 끝 방과 다른 쪽 끝 방에 각각 한 사람씩 있어 서로 큰 소리를 내서 대화한다고 가정을할 때
두 사람 사이의 방문을 모두 활짝 열어 놓은 상태에서는 서로가 내는 소리가 잘 들리지만
방 사이의 문 몇 개를 반 정도만이라도 닫아 놓게 되면 훨씬 소리가 작게 들리게 된다.
Muffler의 소음 원리도 이것과 마찬가지인데 내부에 칸막이(방문)를 여러 개 설치하고
폭발음이 칸막이를 지나면서 소리가 점점 작아지게 되는 원리이다.
물론, Muffler 내부의 여러 구조물에는 흡음재(吸音材)라고 하는
소리를 흡수하는 성질이 뛰어난 소재를 사용하여 효율적으로 소리가 제거되도록 하고 있다.
(이 흡음재의 소재와 재질에 따라 배기음이 달라지기도 한다.)
Muffler는 소리를 제거할 뿐만 아니라 Muffler를 통과해서 배기가스가 배출되어야 하기 때문에
칸막이에는 배기가스가 통과할 수 있는 구멍이 있다.
그림으로 설명하면 Muffler 내부는 다음과 같은 구조로 되어 있다.
이런 구조는 주로 순정 차량의 소음기에 많이 쓰이며 흡음재에 의존하기 보다는
칸막이 원리를 활용한 구조역학적인 방법으로 소음하기 때문에
Muffler의 소음(消音) 능력은 시간이 흘러도 쉽게 떨어지지 않는 장점을 가진다.
즉, 수명이 길고 내구성이 뛰어나기 때문에 Muffler가 터지거나 구멍나거나 하지 않는 이상
별도의 정비없이 오랫동안 사용할 수 있다. (참고로, 이러한 구조를 "다단팽창식(多段膨張式)" 구조라고 부른다)
이렇게 내구성이 뛰어나고 정비나 교체가 거의 필요없다는 큰 장점이 있는 관계로
거의 대다수의 차종의 순정muffler에서 이 방식이 사용되고 있으며
BMW E60 M5와 같이 고속주행능력이 뛰어난 차종의 순정 Muffler의 경우에도
일부분을 변경한 약간 다른 방식이긴 하지만 거의 예외없이
이 "다단팽창식(多段膨張式)" 방식을 기본으로한 Muffler가 사용되고 있다.
하지만, 여러 개의 칸막이를 통해 많은 저항을 받으면서 결국에는 작은 구멍을 통해서 배기가스가 분출되기 때문에
배출해야 하는 배기가스의 양이 많아지는 경우(고회전 고속주행)에는 원활하게 바로바로 배기가스를
배출해 내지 못한다는 단점을 가지고 있다.
미처 빠져나가지 못한 배기가스는 실린더 내부로 역류하여 혼합(공기+연료)을 만드는 과정에 참여하게 되고
이것은 혼합기에 포함되는 산소양을 부족하게 만들며 그 결과 혼합기가 점화되면서
폭발할 때 발생하는 힘도 약해지게 된다.
즉, 배기 효율의 저하로 인해 차의 주행성능이 떨어지게 되는 것이다.
위의 단점 이외에도 "다단팽창식(多段膨張式)" Muffler의 경우 복잡한 구조로 인해 제조비용이 상대적으로 많이 들며
복잡한 구조만큼 무게 또한 다른 방식의 Muffler보다 더 나간다는 단점도 가지고 있다.
(참고로, 이렇게 배기가스의 양이 많아지면서 Muffler 내부의 배기가스의 압력이 높아지는 것을 "배기압력이 높다" 라고 말한다.)
여기서 잠시 다들 아는 상식적인 이야기를 하고자 하는데 자동차가 더 빠르게 달리기 위해서는
엔진이 더 자주 움직여야(고회전) 한다.
즉, (흡입)→(압축)→(폭발)→(배기)의 4행정을 보다 자주 수행해야 하며
당연히 더 많은 산소와 연료를 필요로 하고 그 결과로 더 많은 배기가스가 발생하게 된다.
앞에서도 언급했지만 배기가스가 많이 발생할수록 배기압력은 높아지고
이 경우, 원하는 만큼의 속도를 낼 수 없게 된다.
비슷한 예를 하나 들면 회사에서 내가 승진하기 위해서는(고속주행하기 위해서는)
내 자신의 능력도 중요하지만(엔진의 성능도 중요하지만)
위에 있는 직급의 사람들이 승진하던지 퇴직하던지 해서 자신이 승진할 자리가 비어 있어야
(배기가스도 잘 배출해내야) 하는 것과 같은 이치이다.
그래서, 고속주행을 목적으로 하는 레이싱용 차량 등에는 이 칸막이 구조의 Muffler 대신에
칸막이 없이 흡음재만으로 소음기능을 수행하는 "스트레이트 배기방식"이 이용되고 있다.
이 "스트레이트 배기방식"의 구조에 대해 간단히 설명하면 Muffler 내부에는 배기가스가 통과하는 관이 있으며
그 관 주변에 다수의 구멍이 뚫려 있고, 그 주위를 보통 유리솜(glass wool)의 흡음재가 감싸고 있다.
(타고는 글래스 울이 아닌 세라믹 울의 흡음재를 사용한다.)
전달되는 소리를 다수의 작은 구멍들을 통해 분산시킨 후 흡음재로 흡수하는 방식을 말하는데
일반적으로 말하는 비순정 Muffler는 대다수가 이 방식을 채용하고 있으며
아래와 같은 구조로 되어 있습니다. (일본에서는 '비순정 Muffler'를 '사외(社外) Muffler'라고 부른다.)
이 방식의 경우, 배기가스가 배출되는 과정에서 저항이 적기 때문에 고속주행시 배기가스의 저항이
순정형에 비해 상대적으로 적고 이것은 높은 출력으로 연결되며 그 외에 단순한 구조로 인해
상대적으로 더 가볍다는 장점도 있다.
하지만, 고온의 배기가스에 접촉하게 되면 흡음재의 성능은 떨어지기 때문에
흡음재를 주기적으로 교환해 주어야 하고 순정 Muffler에 비해
상대적으로 수명이 짧고 배압이 걸리지 않는 구조이기 때문에 저속 주행시
배압이 부족한 단점이 있다.
정리하면 "스트레이트 배기방식"의 Muffler는 고회전 고속주행의 적합하며
Muffler자체가 가볍다는 장점이 있지만 "다단팽창식" Muffler에 비해 수명이 짧다라는 단점이 있다.
그렇다면 저/중회전 저/중속주행의 경우에는 어느 쪽이 유리할까?
정답부터 이야기하면 순정 Muffler나 순정 Muffler의 구조를 갖춘 튜닝머플러 쪽이 유리하다.
왜냐하면 배기 압력이 너무 높아서 배기 가스가 실린더에 들어가는 것도 문제지만
배기압력이 너무 낮아서 배기가스가 너무 쉽게 빠지게 되면
차의 구동력(토크)가 떨어지게 되기 때문이다.
이것에 대해서는 다음 글에서 이야기 하도록 하겠다.
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