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터보차져와 인터쿨러
Busse News

터보차져와 인터쿨러

25. Jun. 2001
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터보차져와 인터쿨러

25. Jun. 2001
  
 

인터쿨러 이야기

기획, 글 : 버스라이프
등록일 : 2001년 6월 25일


자동차 엔진은 공기와 연료를 혼합하여 그 혼합비율에 따라서  엔진출력이 조절된다. 디젤엔진에서(가솔린이나 LPG도 마찬가지이겠지만) 연료를 분사하는 방법에도 여러 가지가 있으며 공기를 흡입하는 방법에도  여러 가지가 있다. 요즘 많은 버스들이 V8 엔진을 버리고 터보인터쿨러 엔진을 장착하고 있는데 거기에 대해서 자세히 알아보도록  하겠다..

자동차엔진은 원래 자영흡기방식의 엔진이었다. 하지만 엔진의  출력과 연비, 매연 배출 등을 개선하기 위해서 터보엔진(터보차져)이 개발이 되게 되었다.

자연흡기식은 말 그대로 아무장치도 안달아 놓은 상태이다. 공기를 흡입하는 구멍이 있고 그 구멍과 엔진사이에 에어클리너가 있으며 아무런 저항없이 공기가 들어오는대로 흡입하는 방식이 자연흡기식이다.  엔진은 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데 실제 배기량의 80% 정도만큼 밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc엔진도 1600cc분의 혼합기 밖에 흡입하지 못한다. 이 흡입량을 늘리기 위해 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있지만 또 하나의 방법으로 터보차저나 슈퍼차저를 사용하여 터빈이나 펌프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배하면 많은 공기가 실린더로 들어가 가솔린의 양도 많아지면서 파워도 상승한다. 이와같이 실린더내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식이라고 한다.

터보 인터쿨러 엔진은 원래 항공기에 사용된 것으로, 공기가 희박해지는 높은 고도에서도 엔진 내부에 일정한 공기압을 유지해 주기 위해 개발된 것을 자동차 엔진에 응용한 것이다. 터보 인터쿨러는 가압 후 고온이 된 공기를 인터쿨러에서 냉각시켜 공기 밀도를 크게 함으로써 실린더로 보급되는 흡입공기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시키는 장치이다. 따라서 자연흡기 엔진에 비해 출력이 30% 가까이 향상되어 탁월한 동력성능을 발휘하며, 저속에서도 동일 출력을 내므로 엔진 수명이 오래가는 장점이 있다. 뿐만 아니라 진동과 소음, 배기가스 등이 감소되고, 연비 또한 좋아진다고 한다.

터보인터쿨러방식의 엔진은 자연흡기엔진에 두 가지 장치를 추가한 것이다.(실제로는 많은 차이가 있다.) 터보차져(Turbo Charger)와 인터쿨러(Intercooler)의 두가지 대표적인 장치가 추가되어 향상된 엔진성능을 발휘하게 되는 것이다.

터보차져 전개도터보차저(Turbochargers)

터보차저는 흔히 터보라고 하며 달팽이 같이 생긴 용기안에 1개의 축 양 끝에 각도가 서로 다른 터빈을 설치하여 하우징의 한쪽은 흡기 다기관에 연결하고 다른 한쪽은 배기 다기관에 연결하여 배기가스의 압력으로 배기 쪽의 터빈을 회전시키면 흡입 쪽의 임펠러도 회전하기 때문에 임펠러 중심 부근의 공기는 원심력을 받아 외주로 가속되어 디퓨저에 들어간다. 디퓨저에 공급된 공기는 통로의 면적이 크므로 공기의 속도 에너지가 압력에너지로 변환되어 실린더에 공급되기 때문에 체적 효율이 향상된다. 또한 배기 터빈이 회전하므로 배기 효율이 향상되며, 터보차저를 배기 터빈 과급기라고도 한다. 엔진 실린더내의 연소열은 모두 파워로 연결되지는 않는다. 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌리는데 사용하는 힘은 약 30%밖에 안되며 피스톤과 실린더의 마찰에 5%가 손실되고 발생한 열을 냉각시키는데 30% 전후가 손실되고 남은 35%의 에너지도 배기가스로 손실된다. 그 배기온도는 900℃에 달하고 또 실린더내 팽창압착도 높아져 배기매니폴드로 나가는 속도는 음속(마하1)이나 된다. 이 배기 매니폴드 출구에 설치된 터빈은 고속의 배기가스로 강력한 회전력을 얻어 공기를 흡입하고 또 압축하는 펌프의 역할을 하여 대기압을 1.5배 전후로 압축시켜 엔진의 실린더내로 보내는 것이다.

(1)터보차저의 구조

터보차저는 배기가스의 압력에 의해서 고속으로 회전되어 공기를 가압하는 임펠러(impeller), 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는 터빈(turbine), 터빈 축을 지지하는 플로팅 베어링, 과급 압력이 규정 이상으로 상승되는 것을 방지하는 과급 압력 조절기, 과급 된 공기를 냉각시키는 인터쿨러, 분사 시기를 조절하여 노킹이 발생되지 않도록 하는 노킹 방지 장치 등으로 구성되어 있다.

터보차져의 단면도①임펠러(impeller)

임펠러는 흡입 쪽에 설치된 날개로서 공기를 실린더에 가압 시키는 역할을 한다. 디젤 기관의 임펠러는 직선으로 배열된 레이디얼형(radial type, 고속회전에 유리)이 사용되고 가솔린 기관의 임펠러는 나선형(spiral)으로 배열된 백워드형(backward type impeller, 저속회전에도 효율이 좋음)이 사용된다.

②터빈(Turbine)

터빈은 배기 쪽에 설치된 날개로서 배기가스의 압력에 의하여 압축기를 회전시켜 배기 가스의 열 에너지를 회전력으로 변환시키는 역할을 하며, 터빈의 날개는 레이디얼형(radial type turbine)이 사용된다. 따라서 터빈은 기관의 작동 중에는 배기 가스의 온도를 받으며, 고속으로 회전하기 때문에 원심력에 대한 충분한 강성과 내열성이 있어야 한다. 엔진이 작동할 때 각 실린더의 배기 밸브를 통하여 배출되는 배기 가스는 터빈의 하우징 안에서 바깥 둘레로부터 터빈의 날개와 접촉되어 회전시키고 배기관을 통하여 배출된다. 이 때 흡입 쪽에 설치된 임펠러가 동일 축에 설치되어 있기 때문에 회전하게 된다.

③플로팅 베어링(floating bearing)

플로팅 베어링은 10,000∼15,000rpm정도로 회전하는 터빈 축을 지지하는 베어링으로서 엔진으로부터 공급되는 오일로 충분히 윤활 되므로 하우징과 축 사이에서 자유롭게 회전할 수 있다. 주의할 점은 고속주행 직후 엔진을  정지시키면 플로팅 베어링에 오일이 공급되지 않기 때문에 소결(stick)이 되는 경우가 있으므로 충분히 공회전하여 터보장치를 냉각시킨 후 엔진을 정지 시켜야 한다.

터보차저와 구성품

④과급 압력 조절기(super pressure relief) -  Wastegate

과급 압력 조절기는 과급 압력이 규정 값 이상으로 상승되는 것을 방지하는 역할을 한다. 과급 압력을 조절하지 않게 되면 허용 압력 이상으로 상승하여 기관이 파손되므로 과급 압력을 조절하여야 한다. 압력을 조절하는 방법으로는 배기 가스를 바이패스(by-pass)시키는 방법과 흡입되는 공기를 조절하는 방식이 있다.

가. 배기가스 바이패스 방식(exhaust gas by-pass type): 터빈에 유입되는 배기가스의 일부를 바이패스시켜 과급 압력이 규정 값 이상으로 상승되지 않도록 하는 방식으로서 터보차저에서 떨어진(아래 그림) 곳에 배기 가스 바이패스 밸브를 설치하여 과급 압력을 조절하는 원격 바이패스 밸브식과 터보차저에 일체로 스윙밸브를 설치하여 과급 압력 조절 액추에이터(actuator)에 의해서 배기가스를 바이패스 시키는 스윙 밸브식이 있다. 국내에서 사용하는 터보장치는 스윙 밸브식을 사용하고 있다.

   

터보차저 wastegate의 작용-부스트압을 제한

나. 흡기 조절 방식(suction relief type): 흡기 쪽에 릴리프 밸브(relief valve)를 설치하여 임펠러에 의해서 과급된 흡입 공기가 규정 값 이상으로 상승하면 릴리프 밸브가 열려 과급 공기를 대기 중으로 배출시켜 과급 압력 자체를 조절하여 실린더에 공급하는 방식이다. 이러한 방식의 경우 전자제어 방식으로 주로 사용된다.

⑤노킹 방지 장치(knocking prevention system)

노킹 방지장치는 실린더 블록에 노크 센서를 설치하여 노킹 진동이 발생되면 분사 시기를 느리게 조절하여 노킹이 발생되는 것을 방지하는 장치이다. 노킹은 과급 압력이 낮거나 흡기 온도가 낮을 경우에 발생되기 쉬우며, 노킹 방지장치는 6∼8KHz의 진동(vibration)을 감지하는 노크센서, 노크 조절장치, 진각 제어 부분으로 구성되어 있다.

노킹방지 시스템 개략도

(2)터보차저 래그(Trbocharger Lag)

부분부하 상태와 정상 운전 중의 터보차저는 공회전 상태이다. 이 경우 흡기 매니폴드 내는 진공 상태가 되며, 배기가스는 거의 터빈을 통과하지 않으므로, 압축기가 너무 느리게 회전해서 흡입 공기를 압축할 수가 없다. 운전자가 더 많은 동력을 발생시키기 위하여 가속 페달을 밟을 때 스로틀 밸브가 열리게 된다. 더 많은 공기와 연료가 엔진으로 흡입되어 흡기 매니폴드의 진공 상태는 감소된다. 추가된 혼합기의연소는 배기 가스의 흐름을 증가시키게 되어 이것이 압축기가 부스트 공기를 공급할 때까지 터빈과 압축기의 속도를 증가시킨다. 터보차저가 부착된 차들의 많은 운전자들은 터보랙에 대한 불평을 한다. 이것은 스로틀 밸브가 열리고 터보차저가 추가 동력을 공급할  때까지 느껴지는 지연 시간이다. 터보랙은 공회전 상태의 터빈이 과급압에 도달하는 데 요구되는 시간이다. 또한 인터쿨러에 소요되는 시간과 흡기관 내가 진공 상태로부터 압력이 존재하는 상태로 되기 위하여 공기를 채우는 데 걸리는 시간이 추가된다. 전체의 랙 시간은 0.5초이거나 그 이상일 수 있으며, 이러한 터보랙은 많은 운전자들의 관심을 끄는 부분이다. 하나의 부분적 해결책은 압축기와 터보 휠과 같은 회전체를 가능한 한 경량화 시키는 방법이다. 또 다른 해결책은 하나의 큰 부품 대신에 두 개의 작은 터보차저를 사용하는 것이다. 더 작고 가볍게 회전하는 부품들은 랙 시간을 감소시킨다. 두 개의 터보차저가 설치된 엔진을 바이터보(bi-turbo) 또는 트윈 터보(twin-turbo) 엔진이라 한다.

트윈터보를 장착한 엔진

인터쿨러(Inter  cooler) 인터쿨러는 임펠러와 흡기 다기관 사이에 설치되어 과급된 공기를 냉각시키는 역할을 한다. 임펠러에 의해서 과급 된 공기는  온도가 상승함과 동시에 공기 밀도의 증대 비율이 감소하여 노킹이 발생되거나 충전 효율(charging efficiency)이 저하된다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 라디에이터와 비슷한 구조로 설계하여 주행 중에 받는 공기로 냉각시키는 공랭식과 냉각수를 이용하여 냉각시키는 수냉식이 있다.

(1)공랭식 인터쿨러(air cooled type inter cooler)

공랭식 인터쿨러는 주행 중에 받는 공기로서 과급 공기를 냉각시키는 방식으로서 수냉식에 비해서 구조는 간단하지만 냉각 효율이 떨어진다. 따라서 주행속도가 빠를수록 냉각 효율이 높기 때문에 터보엔진을 사용한 레이싱 자동차에서 사용된다.

(2)수냉식 인터 쿨러(water cooled type inter cooler)

수냉식 인터쿨러는 엔진의 냉각용 라디에이터 또는 전용의 라디에이터의 냉각수를 순환시켜 과급 공기를 냉각시키는 방식이다. 흡입 공기 온도가 200℃이상인 경우에는 80∼90℃의 냉각수로 냉각시킴과 동시에 주행 중에 받는 공기를 이용하여 공랭을 겸하고 있다. 공냉식에 비교하여 구조는 복잡하지만 저속에서도 냉각 효율이 좋은 특징이 있다.

지금까지 터보차져와 인터쿨러에 대해서 알아보았는데 정리를 하자면 이렇다.

과급기는 엔진의 출력을 향상시키고 회전력을 증대시키며, 연료 소비율을 향상시키기 위하여 흡기 통로에 설치한 공기 펌프이다. 과급기가 설치되지 않은 엔진은 피스톤의 하강 행정에서 발생되는 진공으로 공기를 흡입하기 때문에 출력의 향상을 얻을 수 없다. 따라서 흡기 통로에 과급기를 설치하여 강제적으로 많은 공기량을 실린더에 공급시킴으로서 체적효율이 증대되어 엔진의 출력이 향상된다. 또한 엔진의 출력이 향상되므로 회전력이 증대되고, 연료 소비율이 향상된다. 이러한 과급기 설치 시 얻을 수 있는 효과를 정리하자면 다음과 같다.

①엔진의 출력이 35∼45% 증가된다. ②체적효율(volumetric efficiency)이 향상되기 때문에 평균유효압력이 높아진다. ③체적효율이 향상되기 때문에 엔진의 회전력이 증대된다. ④고지대에서도 출력의 감소가 적다. ⑤압축온도의 상승으로 착화 지연 기간이 짧다. ⑥냉각손실이 적고 연료 소비율이 3∼5% 정도 향상된다.

엄청난 힘을 자랑하던 V8엔진을 밀치고 인터쿨러가 뜨는 이유가 다 여기에 있다 하겠다. 8기통엔진이 기름을 워낙 길에다 뿌리고 다니기 때문에 인터쿨러에게 밀려나가게 되는 것이다. 8기통 엔진의 그 우렁찬 소리를 점점 들을 수 없게 되지만 뭐 나중에 기술이 더 발전하여 V8엔진에도 터보인터쿨러를 달게 되는 날이 오게 되지 않을까하고 생각한다. 그럼 트윈터보엔진이 되겠구만........


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