카뷰레터

1. 개요
2. 원리
3. 적용사례
3.1. 자동차
3.2. 모터싸이클
4. 장점
5. 단점
5.1. 카뷰레터 아이싱
5.2. 떨어지는 효율성과 운용성
5.2.1. 시동성
5.2.2. 저성능
5.2.3. 정비성
5.2.4. 경제성
5.3. 환경문제

1. 개요

Carburetor. 우리말로 번역을 하면 기화기(氣化器).

발음은 직접 한번 들어보도록 하자

소위 말하는 카센터 아저씨들은 캬브, 캬브레타, 캬프레타, 캬부레타 등등 다양하게 발음한다.

반대되는 개념이자 오늘날 카뷰레터를 사라지게 만든 것은 연료 분사이며, 항목을 꼭 참조하도록 하자. 이해에 도움 되는 것이 많다.

2. 원리

캬브는 쉽게 말해 분무기 라고 생각하면 쉽다. 분무기는 물을 뿌리듯이, 카뷰레터는 공기와 휘발유를 섞은 액체를 엔진의 흡기 매니폴드로 전달시켜 엔진을 구동하게하는 핵심장치

그러다보니 '기화기' 로도 불리며, 이 명칭에서 알 수 있듯, 카뷰레터의 핵심은 휘발유를 얼마나 잘 기화시키느냐 이다. 이를 위해서 여러 방식이 있으나, 주로(모든 기화기가 이러지는 않으나) 핵심은 흡입한 공기의 흐르는 속도를 올려서 기화기의 연료 증발부분에 저기압을 형성해 연료를 더 잘 증발시켜서 혼합기를 만들어낸다 이다. 영상을 확인하도록 하자.

VM방식

CV방식

좌측 영상을 잘 보면 기화가 일어나는 부분이 절구 가운데마냥 좁아진 형상을 하는 것을 볼 수 있다. 이 부분을 '벤츄리'라고 부르며, 굉장히 좁기 때문에 더 빠르게 공기가 흐르게 되고, 더 빠른 공기 흐름은 저압을 형성해 메인제트에서 연료가 빨려나오게 된다. 빨려나온 연료는 빠르게 흐르는 공기에 의해 기화가 일어난다. 베르누이의 정리 항목 참조.

연료 기화량의 조절은 메인제트를 막고 있는 니들밸브의 움직임으로 조절된다. 니들밸브는 이름에서 알 수 있듯 바늘 형상이며, 끝에는 부력으로 뜨는 주머니로 연결되어있다. 연료가 없다면 주머니가 내려와 니들밸브가 올라가서 메인제트가 개방돼 연료가 증량된다. 연료가 어느정도 증량되었다 싶으면 주머니가 뜸으로써 니들밸브가 내려와 메인제트가 닫히고 연료 증량이 멈춘다. 이후 부족하면 다시 개방->개폐->개방... 이게 반복되면서 메인 챔버에 연료가 일정하게 유지된다.

VM방식은 운전자가 스로틀 전개시 케이블이 니들밸브를 직접 잡아당기는 방식이며, CV방식은 스로틀 밸브가 열려 공기흐름이 빨라지면 진공챔버에서 부압이 발생하여 슬라이드가 올라가며 니들밸브가 열리는 방식이다. VM이 오토바이나 단기통 엔진에 자주 쓰이는 방식이며, CV가 자동차에 쓰였던 방식이다.

이 두가지 방식 외에도 BS방식, 멀티제트노즐(MJN)[1] 등등 다양한 방식들이 있다.

3. 적용사례

3.1. 자동차

흡기매니폴드앞에 한개 설치되는 경우가 많았고, 고성능 차량은 기통별로 하나씩 장착되기도 했다. 웨버(Weber)사의 트윈배럴 같은 카뷰레터는 고성능 차량의 필수품으로 여겨졌었다.

1970년대 까지는 거의 모든 자동차가 기화기를 사용하였지만, 1973년 제1차 석유파동을 계기로 연비향상을 위해 쿠겔피셔나 제트로닉같은 연료 분사 시스템이 보급되기 시작하자 서서히 밀려나며 80년대 후반까지 병행되어 사용되다가 90년대에 들어서 환경문제가 대두되자 완전히 사라지게 되었다.

한국의 경우 마지막으로 사용한 차량이 대우 티코 로써 2001년이 마지막이다. 기아 프라이드의 경우 FBC(Feed back Carburetor)방식으로 94년도 까지 사용.[2]

좀 쉬운 구분 방법은 에어필터가 납작한 원반으로된 차량이 대부분 기화기 방식을 사용한 엔진이라고 보면 된다. 다만 보쉬 K제트로닉을 채용한 유럽 고급차량의 경우 역시 원반형 에어필터를 쓰는 경우가 많다.

3.2. 모터싸이클

대부분 기통별로 하나씩 장착되었다. 미쿠니(Mikuni)나 게이힌(Keihin) 같은 일본제가 세계시장을 거의 석권했었다.

환경규제 때문에 세계적으로 2000년대 중반 부터 사용을 중단하게 되었다. 아무래도 비용적인 이유 때문에 자동차보다 늦게 전자연료분사로 바뀌었다.

한국의 경우 2008년 부터 125cc 이상의 대부분의 모터싸이클들이 연료 분사방식으로 변경되었고, 50~110cc 급에선 기화기를 사용하는 모델이 몇가지 남아있다. 2018년 현재 카뷰레터 사양으로는 더이상 출시되지 않고 있으며, 환경기준 또한 유로4에서 유로5로 상향을 앞두고 있어 앞으로 카뷰레터를 장착한 모터사이클은 점점 더 찾아보기 힘들어질 것이다.

4. 장점

  • 싸다.
아직 많은 오토바이와 2행정 엔진들, 소형 단기통 엔진들이 카뷰레터를 채택하는 이유. 워낙 오래전부터 있던거라 엄청 싸다.
  • 용이한 정비성.
굉장히 복잡한 부품이긴 해도 뜯어보면 사실 별거 없는 물건인데다 캬브가 장착된 물건이나 오토바이가 안나가는 이유는 십중팔구 스로틀 문제라 스로틀만 잘 정비하면 다시 쌩쌩하게 잘 나간다. 박살날 만한 물건도 없고, 설령 박살난다 해도 고치기보단 그냥 버리고 새 캬브사서 붙히는게 더 싸고 쉽다.
  • 침수에 강함.
차 자체가 침수되어버리면 좀 문제가 있긴하겠지만 배터리와 스타터만 살아있다면 엔진을 다시 시동거는데 문제없다. 이는 캬브가 완전 기계식이라서 전자장비의 제어를 받지 않기 때문.
  • 카뷰레터 엔진 특유의 거친 엔진음[3]이 일부 매니아들에게는 감성적인 만족을 준다.[4]

5. 단점

5.1. 카뷰레터 아이싱

과거에 나온 좀 오래된 경비행기들은 (대표적으로 세스나 172N 모델) 기화기가 달려있는데[5] 일단 원리는 위의 설명과 일치한다. 차와 비교해서 특별한게 별로 없다는 뜻. 다만 연료 기화와 내부 벤츄리 튜브 구조로 인해 기화기 내부 온도는 급락하게 되는데 이때 빨려들어온 공기에 포함되어 있던 수분이 얼어붙어 기화기 내부에 생성되고 2차로 기화기 위에 달려있는 스로틀[6] 조절을 담당하는 버터플라이 밸브에서도 벤츄리 현상이 생기기 때분에 얼음을 생성하게 된다. 연료와 공기가 섞이는 부분에서 생기는 얼음은[7] 공기가 기화기 안으로 들어와 연료와 섞이는 것[8]을 막기 때문에 비행 도중 엔진이 말도 없이 꺼져버리는 말 그대로 충격과 공포를 파일럿들에게 선사한다.

스로틀 버터플라이 밸브에서 생기는 얼음은 공기 흐름을 막거나 밸브 조절부를 얼려버려 아예 스로틀 레버 (차로 치면 엑셀러레이터)를 작동 불능으로 만든다던가 밸브의 벽에 생겨 얼음이 밸브가 작동할 수 있는 공간을 차지해버리는 바람에 분명 엔진 출력을 다 줄인게 아닌데도 출력이 제대로 나오지 않는 당황스러운 때를 선사한다. [9]

위의 두가지를 합쳐서 그냥 카뷰레터 아이싱이라고 부르는데 이게 충공깽한 점은 여름에도 생길 수 있다는 것이다. 그 어떤 날씨에도 생길 수 있으며[10] 설령 대기가 건조하다해도 안심해서는 안된다.

안전에 대해서는 죽었다가도 벌떡(...) 일어나는게 항공업계라서 당연히 이를 막는 방법도 고안되었다. 이를 막는 방법은 각 파트마다 하나씩 있는데 카뷰레이터 내부에 생기는 얼음은 칵핏에 있는 기화기 힛[11]을 써서 녹여버리고 밸브 같은 경우는 딱히 뭘 할수가 없어서 간간히 스로틀 레버를 아예 닫거나 거의 닫았다가 최대 혹은 거의 최대로 열어준다. 그럼 기화기 힛을 계속 쓰면 해결 되지 않냐고 할 수 있는데 단편적으로는 그럴 수 있지만 기화기 힛을 쓰면 뜨거운 공기가 들어오는데 필연적으로 뜨거운 공기는 밀도가 낮으므로 연료와 공기 배합이 엉망이 되어 엔진 출력이 낮아진다. 게다가 항공기에서는 기화기 힛을 쓰면 공기가 필터를 통해서 들어오는게 아니라서 계속 켜져 있는 경우 엔진 내부로 이물질이 들어갈수도 있다. 따라서 기화기 힛을 계속 쓸 수가 없다.

문제라면 파일럿들이 아무리 훈련 받아도 비행 도중 기화기 힛을 쓰지 않아서 사고가 나는 경우가 아직도 있다. 그래서 요즘은 더 효율적이고 상대적으로 안전한 연료 분사식이 자주 탑재된다. 카뷰레터 힛을 써서 얼음 제거에 성공하고 있는 경우 엔진 내부에 얼음 녹은 물이 들어가 엔진이 거칠게 돌아가게 되는데 당연한 현상임으로 당황해서 기화기 힛을 끄지 말자. 조금 녹던 얼음이 다시 생성될 수 있다.

5.2. 떨어지는 효율성과 운용성

5.2.1. 시동성

냉간시, 특히 외부 온도가 낮을 경우 휘발유의 기화가 제대로 되지 않기 때문에 혼합기 생성에 실패하는 경우가 있다. 연료 분사식 엔진의 경우 연료 펌프를 통하여 강제적으로 연료를 분사해 이를 무화시켜 혼합기를 생성하기에 시동이 어렵지 않다. 다시 본론으로 돌아와서, 기화기는 벤츄리 효과로 발생한 부압으로 연료가 딸려가는 방식이므로, 부압이 형성되지 않는다면 시동이 힘들게 된다. 이를 해결하고 대부분의 기화기는 흡입구 앞에 초크 밸브 또는 초크 니들제트[12]로 연료를 분사한다.

초크는 냉간시 시동에 도움을 주는 것은 사실이나, 이를 과도하게(또는 잘못되게) 사용하면 점화플러그가 연료에 젖어 오히려 시동이 더 어려워 질 수 있어 여러모로 기화기 엔진의 시동은 까다롭다.

5.2.2. 저성능

흡입 유로 중간에 스로틀밸브, 초크밸브, 각종 제트류, 니들밸브와 슬라이드 등등 공기흐름에 저항이 되는 요소들이 많다.

또한 차량이 코너링을 하거나 경사로를 주행하면 카뷰레이터의 플로트실 내부의 연료 유면 레벨이 변하게 되고 연료공급이 일정하지 못하게 되어 출력이 들쭉날쭉 하게 된다.

최신의 전자식 연료분사는 분사노즐의 초정밀화 및 다공화와 분사압력 증대로 인해 무화성능이 좋다. 이는 곧 연소잔여물이 남지 않는 완전연소를 유도할 수 있어 높은 출력을 낸다. 반면 카뷰레터는 무화성능 면에서 매우 열악하다. 그래서 완전연소를 하기가 어렵고 배기관이 까맣게 검댕이 슬어있으며 쓰는 연료에 비해 출력이 부족하다.

고출력을 내려고 터보차져 같은 과급기를 조합하기가 매우 어렵다. 벤츄리에서 발생하는 저압으로 연료를 기화시키는 원리 탓에 과급으로 흡기라인에 고압을 걸어버리면 연료가 기화는 커녕 역류해버린다. 한때는 과급압보다 높은 압력으로 연료를 메인제트에서 밀어낼 수 있게 부스트압과 연동하는 연료압 레귤레이터와 연료펌프가 갖춰진 터보용 카뷰레터가 나오긴 했었다. 그러나 동시대에서 조차 그쯤되면 차라리 기계식 연료분사(Kugelfisher)를 쓰는게 제작원가로나 성능으로나 더 나았다.

5.2.3. 정비성

발전기나 예초기용으로 쓰이는 범용 엔진[13]같은 정속운전 엔진의 기화기는 idle 조절 니들과 스로틀 벨브 유격조절이 끝이지만 운송용으로 쓰이는 엔진은 공연비도 맞춰줘야 되며, 더나가 고성능 엔진용 기화기는 가속용 펌프[14]까지 있는등 구조가 아주 복잡해진다.

단순한 기화기는 가격대가 몇만원 수준(단기통 엔진 기준)에 머무르지만, 운송용 기화기는 구조가 복잡하고 매우 정밀한 가공을 요하기 때문에 제대로된 기화기는 125cc 용이 십만원대에서 시작하는 생각보다 비싼 부속이다.[15]

공장에서 엔진 성능의 제조편차를 일정하게 맞추기 위해서 메인제트와 니들밸브 같은 부품은 한 종류의 카뷰레이터에도 여러가지 치수의 부품을 두고 이들 부품을 조합해서 썼기 때문에 카뷰레이터를 수리하거나 조정할 때 알맞는 부품을 골라넣기가 매우 어렵다. 카뷰레이터의 세팅과 수리에는 작업자의 경험이 가장 중요하기 때문에 어중떠중이 정비사를 만나면 고생쫌 했으며 기화기를 전문으로 하는 곳을 찾아다녀야 하는 수고도 있었다.

5.2.4. 경제성

기계식으로 RPM을 검출해 이를 기계식으로 기화기에 입력시키는 것은 매우 복잡하며, 안 그래도 정밀한 운송용 기화기인데 기계식 RPM 검출장치를 삽입한다는 것은 경제성에 맞지 않고, 양산도 힘들다. 또한 캬뷰레터 특성상, 퓨얼컷[16]이 불가능하다. 엔진 브레이크 사용시에도 연료를 소모하는 것은 덤.

퓨얼컷이 불가능하기에 차라리 내리막길 등에선 당연히 기어를 중립으로 두는게 오히려 연비가 높아진다. 기화기 엔진이 자주 사용되었던 시절 운전을 했던 사람들이 내리막길에서 기어를 중립으로 두는 습관은 이에서 비롯되었다 할 수 있다. 대신 기어가 저하늘의 별이 되겠지[그래도]

여담으로, 퓨얼컷이 되지 않으므로 과도한 가속 등으로 인한 레드 존 진입을 막을 길이 없다. 즉, 운행중 실수로 인한 막대한 비용 손실이 발생할 수 있다는 것.

5.3. 환경문제

정밀한 공연비 제어가 안되기 때문에 미연소 탄화수소(HC)와 같은 유해물질이 촉매로도 해결하기가 힘들만큼 대량 발생한다. 최근의 웬만한 정상적인 국가들의 자동차 대기환경보전법을 따르면 카뷰레터 방식으로는 죽었다 깨어나도 법규를 통과할 수 없다. 기존의 카뷰레터 차량도 강화된 환경규제에 따라 정기검사 통과가 매우 힘들다.


  1. [1] CV방식에서 파생된 것으로, 니들밸브가 움직이는게 아니라 유로 한가운데 속이 빈 튜브가 있으며 튜브에는 여러개의 작은 연료분출구(제트)가 있다. 스로틀이 열리면서 부압이 생기면 슬라이드가 올라가며 연료분출구가 개방되며 연료량이 증대된다. 연료가 유로 가운데에서 무화되므로 무화성능이 좋다
  2. [2] FBC는 기화기를 전자화 시킨 물건
  3. [3] 60~70년대 V8 머슬카가 대표적.
  4. [4] 특히나 과거의 카뷰레터 방식을 사용한 할리 데이비슨의 상징적인 말발굽 소리가 대표적인 경우. 인젝션 방식으로 바뀌고 부턴 이런 인상적인 배기음은 듣기 힘들다.
  5. [5] 요즘 경비행기용 왕복 엔진은 차와 같이 연료 분사식으로 나온다. 이 경우 엔진 이름에 injection을 뜻하는 i가 붙게되는 경우가 있다.
  6. [6] 엔진 출력이나 추력 조절, 혹은 이를 행하는 장치를 뜻한다. 여기선 조절하는 것을 뜻한다.
  7. [7] Carburetor ice/icing 이라 하는데 줄여서 carb ice라고 하는 경우가 많다.
  8. [8] Mixture라고 한다. 경비행기 조종간 옆에 달려있는 빨간색 레버가 믹스쳐 비율을 담당한다.
  9. [9] 항공기의 엔진 컨트롤 레버들은 특성상 차처럼 밟았다 때면 원위치 되는게 아니라 한번 레버를 밀어넣으면 손을 때도 밀려진 상태 그대로 있게 되므로 스로틀 밸브가 얼어버리면 출력이 최고 혹은 최저인 상황에서 비행을 해야하는 경우가 생길수도 있다!
  10. [10] 대기중이 수분이 많은 경우 더 자주, 높은 확률로 생긴다.
  11. [11] Carburetor heat. 줄여서 다들 carb heat이라고 한다. 작동 원리는 배기가스의 열기를 이용해서 공기를 데워 얼음을 녹인다.
  12. [12] 밸브의 흡입저항을 따지는 일부 고성능 기화기 해당
  13. [13] 혼다 GX엔진 등
  14. [14] 스로틀 전개시 여분의 연료를 더 밀어넣는 플런져 형태의 펌프
  15. [15] 과거 효성 엑시브같은 오토바이는 미쿠니제 CV방식 카뷰레이터를 일본에서 수입해 장착했기 때문에 매우 비쌌다
  16. [16] 연료를 분사하지 않고 압축된 공기를 그대로 배출하는 것
  17. [그래도] 17.1 당시엔 수동미션차량이 대부분이었다는것이 그나마...

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