기존 배기관 출구를 일정한 비율로 감소시켜 배기 압력이 허용 압력 이상 나타내는 개도 면적을 기준 개도량으로 설정하였다. 허용 압력과 기존 배기관 직경은 Table 2의 배기 시스템에서 볼 수 있다. Figure 3은 출구 개도율 변화에 따른 배기 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프를 보면 허용압력 이상 상승하는 개도율은 기존 배기관 면적의 10%(680mm²)로 이를 기준 개도율로 설정하고 Figure 4는 10%이하의 개도율의 압력 변화를 나타낸 그래프로 개도율 2%에서 엔진의 운전이 불가할정도의 과도한 배압 상승을 나타내므로 2%이하의 개도율은 실험에서 제외시켰다. 개도율 8%가 실험에서 제외된 이유는 개도율 10%와 거의 차이가 나이 않기 때문에 실험하지 않았다. 따라서 개도율을 100%, 10%, 6%, 4%의 4가지로 설정하였다.

Figure 3: 
Back pressure with opening percent

Figure 4: 
Back pressure with engine speed

엔진 회전 속도별 실험에서는 엔진 최저 속도 700rpm에서 600rpm 간격으로 1300rpm, 1900rpm의 세 가지 경우로 실험하였고 이때 엔진 부하는 무부하로 고정하였다. 엔진 부하별 실험에서는 수동력계를 이용하여 엔진 부하를 idle, 50%, 100%로 실험하였고 이때 엔진 속도는 1300rpm으로 고정하여 실험하였다. Table 1-3은 실험엔진 및 조건을 종합하여 나타낸 표이다.

Figure 5는 무부하에서 개도율을 변화시킬 경우의 배기 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 엔진 회전 속도가 700rpm에서는 개도율 100%에서 개도율 4%까지 감소할 때 배기압력이 6kPa 증가한다. 1300rpm에서는 개도율이 4%로 감소하면 배기압력이 22kPa 증가로 700rpm에서보다 3배 이상 배압이 증가했다. 1900rpm에서는 개도율 6%로 감소하면 배기 압력이 24kPa 증가로 1300rpm에서 개도율 4%로 감소시킨 것과 비슷한 증가량이며 개도율 4%에서는 개도율 6%의 2배인 48kPa까지 증가한다.

Figure 5: 
Exhaust gas pressure with engine speed variation

Figure 6은 1300rpm에서 부하에 따른 배압 상승을 나타내는 그래프로 1300rpm, 무부하 조건에서 개도율이 4%로 감소하면 22kPa 증가하고 중부하에서 개도율 감소에 따른 배압 상승은 25kPa, 고부하에서는 36kPa 증가로 엔진 속도 상승에 비해 배기압력 상승률이 상대적으로 작다.

Figure 6: 
Exhaust gas pressure with engine load variation

Figure 7은 엔진 회전 속도별로 개도율 감소에 따른 배기 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 700rpm에서는 배기 온도가 평균 120℃로 개도율이 감소해도 온도변화가 거의 없다. 1300rpm에서 평균온도는 160℃정도로 700rpm에서보다 평균 온도는 40℃정도 상승했지만 700rpm과 마찬가지로 개도율이 감소함에 따른 온도 상승은 보이지 않았다. 1900rpm에서는 개도율이 감소함에 따라 배기온도가 약 50℃ 상승하였다.

Figure 7: 
Exhaust gas temperature with engine speed variation

Figure 8은 엔진 부하에 따른 배기 온도를 나타낸 그래프로 무부하에서는 평균온도 160℃, 중부하에서는 270℃, 고부하에서는 470℃로 부하가 증가함에 따라 100℃이상 배기 온도가 상승하였다. 개도율 감소에 따른 배기 온도 상승은 700rpm과 1300rpm에서는 거의 온도가 상승하지 않았다. 그러나 1900rpm에서는 개도율이 4%에서 최대 70℃정도 상승하였다. 이는 엔진 회전수가 증가함에 따라 배기 유량이 증가하고 빠져나가지 못하는 배기가스가 배기관에 정체됨에 따라 배기관내 온도가 증가하는 것으로 판단된다.

Figure 8: 
Exhaust gas temperature with engine load variation

기준 개도율의 위치 변화와 조합된 경우의 배기 압력을 알아보기 위하여 댐퍼를 닫은 경우 개도율은 개도율 10%(680mm²)로 설정하였다. Figure 9는 무부하에서 댐퍼를 위치별로 닫았을 때 배기 압력을 나타내는 그래프이다. 700rpm과 1300rpm인 경우 배기 압력이 댐퍼를 완전 개방한 Dx에 비하여 D1의 경우 각각 0.75kPa, 2.75kPa 증가되며 D2, D3로 댐퍼위치가 멀어짐에 따라 배압이 감소한다. 한편 1900rpm의 경우는 D1보다 D2인 경우가 가장 높은 9.72kPa 증가되고 있다. 이는 배기량이 증가되면 메니폴더에서 2.5m 떨어진 곳에 댐퍼를 설치하는 경우가 높은 배압을 나타냄을 알 수 있다.

Figure 9: 
Exhaust gas pressure with damper position variation

Figure 10은 댐퍼를 중복으로 닫을 경우의 배기 압력 변화를 나타낸 그래프로 700rpm에서 댐퍼 중복에 의한 배압 상승은 2kPa정도로 개도율을 감소시켰을 때보다 낮게 상승한다. 1300rpm에서는 5kPa 상승으로 700rpm에서 개도율을 감소시켰을 때와 비슷한 수준으로 배압이 상승하며 1900rpm에서는 1개의 댐퍼가 조합되는 경우 평균 4kPa의 배압 상승이 된다. 3개의 댐퍼를 모두 닫은 경우 1900rpm에서는 배기 압력이 16kPa로 무부하, 1300rpm, 개도율 6%와 비슷한 정도의 배기 압력이 된다.

Figure 10: 
Exhaust gas pressure with damper combination variation

Figure 11과 Figure 12는 댐퍼를 위치별로 하나씩 닫은 경우와 중복해서 닫는 경우의 배기 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 평균적으로 700rpm에서 배기 온도는 120℃, 1300rpm에서는 160℃, 1900rpm에서는 220℃로 엔진 속도가 상승함에 따라 배기 온도가 상승한다. 그래프를 보면 미세하게 D1을 닫은 경우에 미미한 온도 상승이 이루어지고 이후에는 닫지 않은 경우의 온도로 떨어지는 경향을 보인다. 결과적으로 개도율 10%의 댐퍼를 하나씩 닫는 경우와 3개를 동시에 닫는 경우 모두 배기 온도에 큰 영향을 주지 않는다.

Figure 11: 
Exhaust gas temperature with damper position variation

Figure 12: 
Exhaust gas temperature with damper combination variation

Figure 13는 배기 배출물을 나타는 그래프로 (a)는 일산화탄소 배출량을 나타낸다. 일산화탄소는 연료가 불완전연소를 하는 경우 생성되는 배기 배출물로써 700rpm과 1300rpm에서는 실린더 내부로 들어오는 공기량이 충분하고, 개도율이 낮아짐에 따른 배압상승이 크지 않기 때문에 큰 변화를 보이지 않는다. (b)는 질소산화물의 변화를 나타내는 그래프이다. 700rpm에서는 개도율이 증가하면서 질소산화물 배출이 감소되는데 이는 잔류가스 영 향으로 판단된다. 1900rpm에서는 EGR효과와 반대로 질소산화물이 증가된다. 이는 증가된 고온의 잔류가스가 연소온도를 더욱 증가시키기 때문인 것으로 판단된다.[8] (c)의 스모크는 질소산화물과 상반되는(Trade-off) 관계를 가지고 있어[9] 700rpm에서 개도율이 적어짐에 따라 많이 생성된다. 그러나 1300rpm에서는 큰 변화가 없고 1900rpm에서는 700rpm와 비교하면 크게 증가되지 않는다. 이는 1900rpm에서 고온의 잔류 가스가 연소특성을 향상시킨 결과로 사료된다.

Figure 13: 
Exhaust gas concentrations with engine speed variation

Figure 14의 (a)는 일산화탄소 배출량으로 고부하에서 매우 많은 양이 생성된다. 이는 부하가 높아지면 연료 공급이 많아지고 많은 연료를 연소시킬 산소가 필요하다. 그러나 개도율이 작아지면 배기 압력이 상승하여 내부에 배기가스가 잔류되고 잔류되는 배기가스의 양만큼 흡기밸브로 들어가는 공기의 양이 줄어들게 되어 불완전 연소가 증가되기 때문으로 사료된다. (b)는 질소산화물로 개도율에 따른 차이는 적다. 이는 잔류가스에 의한 불완전 연소와 고온의 잔류가스가 상호작용하여 유사한 연소온도를 나타내기 때문으로 사료된다. (c)는 스모크 그래프로 (a)의 일산화탄소의 배출과 비슷한 경향을 나타낸다.

Figure 14: 
Exhaust gas concentrations with engine load variation