환경공학 3번

가솔린 자동차의 공연비(AFR) 문제 및 해설

문제

공연비는 내연기관의 혼합기에서 공기와 연료의 비를 말한다. 가솔린 자동차의 AFR에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?

1. AFR이 이론공연비보다 과다하게 증가하면 공기과잉에 따른 연소실 내부의 온도 저하로 내연기관의 효율적인 운전이 어렵다.
2. AFR이 15~16인 경우 공기부족 및 연료과잉으로 인한 불완전 연소로 CO발생량이 증가한다.
3. 탄화수소는 주로 저온일 경우 발생하며 AFR이 약 17일 때 최소 발생한다.
4. 가솔린 자동차에서의 완전연소를 위한 공연비는 약 14.7:1이다.

정답

2번

해설

• 1번 (정확): AFR이 이론공연비(14.7)보다 크면 희박 연소로, 공기 과잉에 의한 연소 온도 저하로 열효율 및 점화 안정성이 저하된다.
• 2번 (부정확): AFR 15~16은 희박 연소(공기 과다) 영역으로, “공기부족 및 연료과잉”이 틀리다. CO는 농후 연소(AFR < 14.7)에서 증가.
• 3번 (정확): 탄화수소(HC)는 저온에서 불완전 연소로 증가하며, AFR ≈ 17(희박 연소)에서 완전 연소로 최소화된다.
• 4번 (정확): 가솔린의 이론공연비는 14.7:1로, 완전 연소를 위한 표준 비율이다.

공연비(AFR) 상세 설명

1. 공연비란?

공연비(AFR)는 내연기관에서 공기와 연료의 질량 비율(공기 질량 / 연료 질량)이다. 가솔린의 이론공연비는 약 14.7:1이다.

예: C₈H₁₈ + 12.5O₂ → 8CO₂ + 9H₂O (공기 중 O₂ 21% 기준).

2. AFR에 따른 연소 상태

AFR	연소 상태	특징	배기 가스
≈14.7	이론공연비	완전 연소, 최대 효율	CO₂, H₂O
>14.7	희박 연소 (Lean)	공기 과다, 연소 온도 저하	NOx 증가
<14.7	농후 연소 (Rich)	연료 과다, 불완전 연소	CO, HC 증가

3. 배기 가스와 AFR

• CO: 농후 연소(AFR < 14.7)에서 공기 부족으로 증가.
• HC: 저온 또는 농후 연소에서 불완전 연소로 증가. 이론공연비 근처에서 최소.
• NOx: 희박 연소 또는 고온에서 증가.

4. AFR 조절

• 람다 센서: 배기 가스 산소 농도 측정.
• ECU: 연료 분사량 조절로 최적 AFR 유지.
• 삼원촉매: AFR ≈ 14.7에서 CO, HC, NOx 저감.