1. 개요
氣 化 器(기화기) / Carburetor영어 발음은 /kɑ́:bjurètər/(영)[1], /kɑ́:rbərèitər/(미)[2]인데 일본에서 받아들일 때 キャブレター로 변형되었고 이것이 다시 한국으로 수입되면서 캬브, 캬브레타, 캬프레타, 캬부레타 등으로 다양하게 불린다.
"carburate를 하는 장치”라는 의미이며, 카뷰레이트란 연소를 위해 연료와 공기를 일정 비율로 혼합하는 행위를 말한다. 여기서 Carb(on), 탄소는 탄화수소, 즉 연료를 의미한다.
전기 모터의 회전속도를 제어하려면 모터에 공급되는 전류(전자의 흐름)를 조절하듯이, 내연기관의 회전속도(RPM)를 제어하려면 엔진에 공급되는 연료의 흐름을 조절해야 하는데, 이 때 엔진 안으로 그냥 액체 상태의 연료를 퍼붓는 것이 아니라 연료를 에어로졸처럼 분무하며 공기와 섞은 혼합물을 엔진 안으로 들여보낸다. 이 혼합 과정이 일어나는 것이 카뷰레이팅이다.
반대되는 개념이자 오늘날 카뷰레터를 사라지게 만든 것은 연료 분사이다.
2. 원리
내연기관은 연료를 불태워 발생하는 연소 가스의 압력을 동력으로 이용하는 모터(엔진)이다. 그런데 연료를 연소시키려면 산소, 즉 공기가 필요하므로 내연기관에는 연료 말고도 공기를 들여보내줘야 한다.특히 연료와 공기가 적당한 비율로 섞인 혼합 기체를 엔진에 보내줄 경우 가장 효과적이므로, 액체인 연료(휘발유 등)를 분무해 에어로졸로 만들고 이를 공기와 섞어주는 장치가 필요한데 이것이 바로 카뷰레터다. 즉 카뷰레터는 연료 분무기라고 생각하면 쉽다.
화초에 물을 주는 분무기를 보면 노즐 부분(니들 밸브라 부른다)을 나사식으로 조이는 방식인 경우가 많은데, 이 밸브를 꽉 조여두면 공기와 물이 적당히 섞인 스프레이가 분무되지만 밸브를 돌려서 풀면 공기가 거의 섞이지 않고 물줄기만 뿜어져나온다. 카뷰레터는 이 벨브와 비슷한 기능을 하는 장치로, 공기와 휘발유를 섞은 기체를 엔진의 흡기 매니폴드로 전달시켜 엔진을 구동하게 하는 핵심장치이다.
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.
| VM방식 | CV방식 |
엔진이 돌아갈수록 챔버의 연료가 소모되므로 연료를 계속 공급하지 않는다면 결국 엔진이 멈출 것이다. 챔버에 있는 부유 주머니가 바로 연료공급을 위한 장치이다. 연료가 일정 수준 이상 소모되어 주머니가 내려가면 그와 연결되어 연료공급 라인을 막고 있던 니들밸브가 열려 연료탱크로부터 연료가 챔버로 공급되고 일정 수준 이상으로 연료 수위가 올라가면 부유 주머니가 다시 올라가서 니들밸브를 통해 공급라인을 막게 된다. 이런 식으로 공급과 차단을 반복하면서 챔버에 적정한 수준의 연료가 유지되어 벤투리로 잘 빨려올라갈 수 있도록 하는 것이다.
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)[3] 등등 다양한 방식들이 있다.
피드백 카뷰레터는 산소센서 값을 활용해, 공연비 조정이 이뤄진다.
3. 적용사례
3.1. 자동차
흡기 매니폴드 앞에 한 개 설치되는 경우가 많았고, 고성능 차량은 기통별로 하나씩 장착되기도 했다. 웨버(Weber)사의 트윈배럴 같은 카뷰레터는 고성능 차량의 필수품으로 여겨졌었다.1970년대까지는 거의 모든 자동차가 기화기를 사용했지만, 1973년 제1차 석유파동을 계기로 연비향상을 위해 쿠겔피셔나 Jetronic 같은 연료 분사 시스템이 보급되기 시작하자 서서히 밀려나며 80년대 후반까지 병행되어 사용되다가 90년대에 들어서 환경문제가 대두되자 완전히 사라지게 됐다. 무연휘발유의 보급은 곧 카뷰레터 엔진의 자동차를 사라지게 했다.
한국의 경우 마지막으로 사용한 차종이 대우 티코로서 2001년이 마지막이다. 기아 프라이드의 경우 FBC로 1994년까지 사용.[4]
좀 쉬운 구분 방법은 에어필터가 납작한 원반으로 된 차량이 대부분 기화기 방식을 사용한 엔진이라고 보면 된다. 다만 K-Jetronic을 채용한 유럽 고급차량 역시 원반형 에어필터를 쓰는 경우가 많다.
요즘 북미 튜닝업체들에서는 카뷰레터 흡기 매니폴드 규격에 맞는 전자식 연료분사장치를 만들고 있어서 기존 카뷰레터 차량들도 연비나 출력향상이 가능하게 됐다.
3.2. 모터사이클
대부분 기통별로 하나씩 장착됐다. 미쿠니(Mikuni)나 게이힌(Keihin) 같은 일본제가 세계시장을 거의 석권했었다.환경규제 때문에 세계적으로 2000년대 중반부터 사용을 중단하게 됐다. 아무래도 비용적인 이유 때문에 자동차보다 늦게 전자연료분사로 바뀌었다. 게다가 오토바이는 (구조가 자동차보다 단순하여) 사용 수명이 길어, 오늘날에도 카뷰레터가 달린 이륜차가 현역으로 굴러다니는 경우도 종종 보인다. 반면 자동차는 (최소한 우리나라에선) 카뷰레터 장착 차량을 보기 매우 힘들다.
한국의 경우 2008년부터 125cc 이상의 대부분의 모터싸이클들이 연료 분사방식으로 변경됐고, 50~110cc 급에선 기화기를 사용하는 모델이 몇가지 남아있다. 2024년 현재 카뷰레터 사양으로는 더 이상 출시되지 않고 있으며, 환경기준 또한 유로 4에서 유로 5로 상향을 앞두고 있어 앞으로 카뷰레터를 장착한 모터사이클은 점점 더 찾아보기 힘들어질 것이다.
4. 장점
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싸다.
아직 많은 오토바이와 2행정 엔진들, 소형 단기통 엔진들이 카뷰레터를 채택하는 이유. 워낙 오래 전부터 있던 거라 엄청 싸다.
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용이한 정비성.
굉장히 복잡한 부품이긴 해도 뜯어보면 사실 별거 없는 물건인데다 캬브가 장착된 물건이나 오토바이가 안 나가는 이유는 십중팔구 스로틀 문제라서 스로틀만 잘 정비하면 다시 쌩쌩하게 잘 나간다. 박살날 만한 물건도 없고, 설령 박살난다 해도 고치기보단 그냥 버리고 새 캬브사서 붙이는 게 더 싸고 쉽다.
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침수에 강함.
차 자체가 침수되어 버리면 좀 문제가 있긴 하겠지만 배터리와 스타터만 살아있다면 엔진을 다시 시동거는데 문제없다. 이는 캬브가 완전 기계식이라서 전자장비의 제어를 받지 않기 때문이다.
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전자기 펄스 공격에 강함.
위의 침수 항목과 마찬가지로 전자장비가 필요없는 기계식이기에 전자장비 회로를 태워버리는 EMP 공격에도 영향을 받지 않는다. 뉴클리어 아포칼립스, EMP 아포칼립스 상황을 다루는 소설이나 영상 매체에서는 대부분의 현대식 차량들은 핵전쟁 후 고철로 변하는데 카뷰레터를 쓰는 두돈반 같은 구형 트럭들은 잘 굴러다니는 상황이 꼭 다뤄지는 편이다.
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연소실 냉각.
직분사에 비해 기화되는 연료의 양이 많기 때문에 저속에서도 연소실의 온도가 더 낮아져 고온에 의한 저속 노킹이 적다.
5. 단점
5.1. 카뷰레터 아이싱
과거에 나온 좀 오래된 경비행기들은 (대표적으로 세스나 172N 모델) 기화기가 달려있는데[7] 일단 원리는 위의 설명과 일치한다. 차와 비교해서 특별한 게 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[8] 조절을 담당하는 버터플라이 밸브에서도 벤츄리 현상이 생기기 때분에 얼음을 생성하게 된다. 연료와 공기가 섞이는 부분에서 생기는 얼음은[9] 공기가 기화기 안으로 들어와 연료와 섞이는 것[10]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 줄인 게 아닌데도 출력이 제대로 나오지 않는 당황스러운 때를 선사한다. [11]
위의 두 가지를 합쳐서 그냥 카뷰레터 아이싱이라고 부르는데 이게 충공깽한 점은 여름에도 생길 수 있다는 것이다. 그 어떤 날씨에도 생길 수 있으며[12] 설령 대기가 건조하다 해도 안심해서는 안 된다.
안전에 대해서는 죽었다가도 벌떡 일어나는 게 항공업계[13]라서 당연히 이를 막는 방법도 고안됐다. 이를 막는 방법은 각 파트마다 하나씩 있는데 카뷰레터 내부에 생기는 얼음은 칵핏에 있는 기화기 힛[14]을 써서 녹여버리고 밸브 같은 경우는 딱히 뭘 할 수가 없어서 간간히 스로틀 레버를 아예 닫거나 거의 닫았다가 최대 혹은 거의 최대로 열어준다. 그럼 기화기 힛을 계속 쓰면 해결되지 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 들어오는 게 아니라서 계속 켜져 있는 경우 엔진 내부로 이물질이 들어갈 수도 있다. 따라서 기화기 힛을 계속 쓸 수가 없다.
문제라면 파일럿들이 아무리 훈련받아도 비행 도중 기화기 힛을 쓰지 않아서 사고가 나는 경우가 아직도 있다는 것. 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 현상이다. 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[15]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.
카뷰레터 때문에, 20세기에는 한겨울에 자동차 시동을 거는 것이 정말 어려웠으며, 겨울엔 아침마다 주차장에서 자동차의 시동이 걸리지 않아 스타트 모터를 혹사시키는 소리가 끊이지 않았다. 오토바이도 예외는 아니라서 킥스타터와 씨름하고 있는 운전수들도 많았다.
오늘날에도 소형 엔진에는 카뷰레터가 들어가는 경우가 의외로 많으며, 이런 엔진들을 킥스타트하는 것은 종종 인내력 시험이다. 전기톱, 소형 발전기, 잔디깎기, 모터보트의 아웃보드 모터 등 줄을 잡아당겨 시동을 거는 엔진들이 대표적.
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 카뷰레터의 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 기화는커녕 역류해버린다. 한때는 과급압보다 높은 압력으로 연료를 메인제트에서 밀어낼 수 있게 부스트압과 연동하는 연료압 레귤레이터와 연료펌프가 갖춰진 터보용 카뷰레터가 나오긴 했었다. 그러나 동시대에서조차 그쯤 되면 차라리 기계식 연료분사(Kugelfisher)를 쓰는 게 제작원가로나 성능으로나 더 나았다.
5.2.3. 정비성
발전기나 예초기용으로 쓰이는 범용 엔진[16]같은 정속운전 엔진의 기화기는 idle 조절 니들과 스로틀 벨브 유격조절이 끝이지만 운송용으로 쓰이는 엔진은 공연비도 맞춰줘야 하며, 더나가 고성능 엔진용 기화기는 가속용 펌프[17]까지 있는등 구조가 아주 복잡해진다.단순한 기화기는 가격대가 몇 만 원 수준(단기통 엔진 기준)에 머무르지만, 운송용 기화기는 구조가 복잡하고 매우 정밀한 가공을 요하기 때문에 제대로 된 기화기는 125cc용이 십만 원대에서 시작하는 생각보다 비싼 부속이다.[18]
공장에서 엔진 성능의 제조편차를 일정하게 맞추기 위해서 메인제트와 니들밸브 같은 부품은 한 종류의 카뷰레터에도 여러 가지 치수의 부품을 두고 이들 부품을 조합해서 썼기 때문에 카뷰레터를 수리하거나 조정할 때 알맞는 부품을 골라넣기가 매우 어렵다. 카뷰레터의 세팅과 수리에는 작업자의 경험이 가장 중요하기 때문에 어중떠중이 정비사를 만나면 고생 쫌 했으며 기화기를 전문으로 하는 곳을 찾아다녀야 하는 수고도 있었다.
게다가 기화기를 수리할 수 있는 정비사들도 이미 오래 전에 일선에서 은퇴해버려 지금은 손에 꼽을 만큼만 남았고, 모두들 상당한 고령이기에, 이 문제는 가면 갈수록 심각해질 전망이다.
그나마 인젝션 펌프 디젤 엔진(특히 4D56계 엔진)은 정비성이 좋아서[19] 커먼레일에 VGT가 등장한 시기에도 생산되어, 2020년대 이후 배출가스 등급제에 의한 단속이 강화되는 와중에도 현역으로 굴러다니는 차가 상당수 존재하는 것과는 대조되는 점이다.
5.2.4. 저연비
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[20]이 불가능하다. 엔진 브레이크 사용 시에도 연료를 소모하는 것은 덤.연비가 얼마나 나빴느냐 하면 캬브 4기통 1.5L로 10km/L 만 나와도 매우 좋은 축에 속했으며, 그보다 훨씬 배기량이 높은 차량들은 두 자릿수로 찍히는 게 기적이었다.
퓨얼컷이 불가능하기에 차라리 내리막길 등에선 당연히 기어를 중립으로 두는 게 오히려 연비가 높아진다. 기화기 엔진이 자주 사용됐던 시절 운전을 했던 사람들이 내리막길에서 기어를 중립으로 두는 습관은 이에서 비롯됐다 할 수 있다.
여담으로, 퓨얼컷이 되지 않으므로 과도한 가속 등으로 인한 레드 존 진입을 막을 길이 없다. 즉, 운행 중 실수로 인한 막대한 비용 손실이 발생할 수 있다는 것.
5.3. 환경문제
정밀한 공연비 제어가 안 돼서 미연소 탄화수소(HC)와 같은 유해물질이 촉매로도 해결하기가 힘들 만큼 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 힘들며, 대한민국에서도 배출가스 5등급으로 분류되어 운행에 제약이 따른다.[22] 그나마 똑같이 5등급으로 분류되는 기계식 내지 초기 CRDi 디젤 엔진들은 21세기 초의 규제에도 대응한 사례가 있고 사제 DPF 장착이라도 가능한데[23], 카뷰레터 가솔린 엔진은 이미 완성차 업체들이 포기해버려 끽해야 90년대 초의 기준 밖에 만족시키지 못하며 위에서 언급했듯 배기가스 후처리를 위한 장치의 개발과 장착이 원천적으로 불가능한 거나 다름없기에 문제가 더 심각하다.
[1]
카뷰레터
[2]
카버레이터 또는 카뷰(bju)레이터
[3]
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
[4]
Feed back Carburetor, 전자제어를 가미시킨 기화기. 출시 초기에는 '컴퓨터 엔진'으로 광고했다.
[5]
60~70년대
V8
머슬카가 대표적.
[6]
특히나 과거의 카뷰레터 방식을 사용한
할리데이비슨의 상징적인
말발굽
소리가 대표적인 경우. 인젝션 방식으로 바뀌고 부턴 이런 인상적인 배기음은 듣기 힘들다.
[7]
요즘 경비행기용 왕복 엔진은 차와 같이 연료 분사식으로 나온다. 이 경우 엔진 이름에 injection을 뜻하는 i가 붙게 되는 경우가 있다.
[8]
엔진 출력이나 추력 조절, 혹은 이를 행하는 장치를 뜻한다. 여기선 조절하는 것을 뜻한다.
[9]
Carburetor ice/icing 이라 하는데 줄여서 carb ice라고 하는 경우가 많다.
[10]
Mixture라고 한다. 경비행기 조종간 옆에 달려있는 빨간색 레버가 믹스쳐 비율을 담당한다.
[11]
항공기의 엔진 컨트롤 레버들은 특성상 차처럼 밟았다 때면 원위치 되는 게 아니라 한 번 레버를 밀어넣으면 손을 때도 밀려진 상태 그대로 있게 되므로 스로틀 밸브가 얼어버리면 출력이 최고 혹은 최저인 상황에서 비행해야 하는 경우가 생길 수도 있다!
[12]
대기중이 수분이 많은 경우 더 자주, 높은 확률로 생긴다.
[13]
자동차는 고장나면 길에서 멈추지만 항공기는
고장나면...
[14]
Carburetor heat. 줄여서 다들 carb heat이라고 한다. 작동 원리는 배기가스의 열기를 이용해서 공기를 데워 얼음을 녹인다.
[15]
밸브의 흡입저항을 따지는 일부 고성능 기화기 해당
[16]
혼다 GX엔진 등
[17]
스로틀 전개시 여분의 연료를 더 밀어넣는 플런져 형태의 펌프
[18]
과거 효성
엑시브같은 오토바이는 미쿠니제 CV방식 카뷰레터를 일본에서 수입해 장착했기 때문에 매우 비쌌다.
[19]
대다수의 정비사들은 저 4D56계 엔진(주로 D4B*형식)을 정비해 본 경험이 있어, 어디 정비소/사업소를 가도 잘 고쳐주는 것으로 알려져 있다.
[20]
연료를 분사하지 않고 압축된 공기를 그대로 배출하는 것
[21]
그래도 당시엔 수동미션 차량이 많았다는 것이 그나마...
[22]
1987년 이전의 배출가스기준으로 생산된 차량은 휘발유 차량이라도 배출가스 5등급으로 산정된다.
[23]
저감장치 개발사들 입장에서 수익성이 중요시되어 개체수와 수명이 많이 남은 차종들을 위주로 개발해서 그렇지, 이론적으로는 ECU가 있는 엔진이라면 DPF의 제작이 가능하며, 장착 후에 엔진과 흡배기계통의 유지보수를 철저히 하면 매연 발생도 어느 정도 커버가 된다.