과급장치(turbo charger)

1 과급기의 정의
 1) 과급기
   - 과급기는 과급을 위한 장치로 흡기를 압축하여 출력을 향상시키는 장치이다.
   - 흡기에 과잉의 공기를 주입하여 제한된 디젤엔진의 배기량에 출력을 극대화 할 수 있는 장치이다.
   - 과급기는 일반적으로 고출력을 요하는 디젤엔진에 설치되나, 가솔린엔진에도 설치되기도 한다.
 2) 과급의 목적
  - 다젤엔진은 2bar 까지 과급하는데, 과급압이 1bar만 되더라도 배기량이 일반급기의 2배를 만들게 된다.

2 터보 차져
 1) 터보차져
   - 터보(turbo)는 터빈(turbine)의 줄임말로 유체/열 에너지를 기계에너지로 변환하는 장치를 말한다.
   - 비행기의 터보제트엔진의 원리를 이용한 것으로 설치된 터빈으로 공기를 압축하여 공기를 과급한다.
   - 터보차져는 불용의 배기가스 열에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고 이 회전력이 컴프레서(임펠러)로 전달되어 흡입공기를 압축한다.
   - 배기가스의 조절방식에 따라 VGT, WGT로 나뉘게 된다.

   - 플로팅 베어링은 터빈축을 지지한다 (10,000~15,000RPM을 견딤)

 2) 터보차져의 종류
  ① WGT(Waste Gate Trubo Charger)
   - 터빈에 웨이스트 게이트 액츄에이터를 부착하여 한계 이상의 배기가스가 들어왔을때 과부하가 걸리지 않도록 배기일부를 바이패스(by-pass)시켜 회전에 사용할 배기양을 조절하는 방식이다.
    * 과급압력이 지나치게 높으면 흡입공기량이 많아지고 압축행정말에 압력이 급상승하여 노크를 유발하거나 크랭크 기구 밸브기구에 부하를 가할 수 있다.
   - 과급압력제어밸브를 웨이스트게이트라 부르는데 게이트의 개폐를 이용하여 배기량을 조절한다. 스프링을 이용한 기계적 제어방식이 있고 전자식 제어방식도 이용된다.
   - 터보차져는 엔진의 출력을 일반적으로 향상시켰지만 중저속에선 큰효과가 없고 반응성이 떨어지는데 이것을 터보렉(turbo-lag)이라 한다.(터빈이 클수록 출력이 증가하지만 터보렉도 증가)
   - 터보렉 현상을 제어하기 위해 개발된것이 다단계 터보챠저와 가변용량식 터보차져(VGT)이다.
  ② VGT(가변용량식 터보차져 Variable Geometry Turbo Charger)
   - 엔진의 저속과 고속회전 영역에서 과급기의 배티 터빈의 입구 면적을 가변제어함으로 터보 효율을 높이기 위한 방식
   - 배기가스 유량과 압력에 따라 각도가 변화하는 베인을 설치하여 저속에서는 베인을 눕혀 통로를 좁히고 배기가스의 속도를 바르게 하여 저속에서 터빈을 돌릴때 필요한 강한힘을 얻고 고속에서는 베인을 세워서 통로를 넓히고 다량의 배기가스가 흐를 수 있도록 유도하여 더 큰힘을 컴프레서에 전달함
   - 부압을 이용한 부압제어식과 엔진전자컨트롤에 의한 전자제어식(eVGT)으로 구분된다.

 

3 터보차져 외 과급장치
 1) 슈퍼차져
   ① 원리
    - 로터를 돌릴 동력은 엔진 출력축 앞에 풀리를 걸어서 동력을 얻는다. 즉 엔진의 RPM의 영향에 따라 과급효율이 결정된다.
    - 슈퍼차져는 구동풀리, 동력의 연결을 제어하는 전자클러치, 기어, 로터 인터쿨러로 구성된다.
   ② 특징
    - 반응성 : 저회전시 자연흡기수준의 반응성을 만들 수 있고 중회전 이후 정상반응성이 나온다.
    - 간단한구성 : 벨트 또는 체인을 걸어서 구동하는 방식이므로 구성이 간단하다.
    - 내구성 : 터보차져처럼 임팰러의 내구성을 걱정할 필요가 없음.
    - 낮은출력 : 구동저항에 의해 동일한 과급량이라도 터보차져에 비해 출력이 20% 낮다. 또한 저속구간에서는 터보와 마찬가지로 터보렉이 존재한다.
   ③ 종류
    - 스크류식 슈퍼차져
    - 원심식/임팰러식 슈처차져
    - 전동식 슈처차져 : 기계식 동력 전달하는 풀리 대신 모터를 사용하는 방식

​ 2) 트윈차져
   ① 정의
    - 슈퍼차져와 터보차져 두개를 동시에 설치한 구조
    - 저회전시 슈퍼차져를 이용하여 출력을 높이고, 고회전시 터보차져를 이용하여 출력을 높이는 방식
   ② 특징
    - 터보랙이 발생하지 않는다.
    - 두개의 기기를 설치하여 구조적으로 거대하고, 복잡해지고 가격이 높다.

 참고) 인터쿨러(Intercooler)
   ① 인터쿨러의 목적
    - 과급기를 거친 공기는 압축되면서 온도가 올라가는데 흡기의 온도가 높아지면 엔진의 열효율면에 악영향을 미친다. 엔진은 온도차로 공기가 팽창할때 운동에너지를 만드는 방식인데 온도차가 크지 않게 되면 엔진의 열효율은 저하된다.
    - 과급에 의한 고온의 흡기를 저하시키는 것이 인터쿨러의 역할이다. 
   ② 종류
    - 공랭식인터쿨러 : 공기를 이용한 냉각방식으로 구조는 간단하나 효율이 떨어짐. 주행속도가 빠른 차량의 경우 냉각효율이 좋으므로 레이싱자동차에 사용된다.
    - 수냉식인터쿨러 : 엔진냉각용 라디에이터 추가로 부착되어 냉각되는 방식으로 냉각수를 순환시켜 냉각되며, 흡기에의한 공냉의 영향도 받는다.

4 과급기의 향후 이미지
 1) 가솔린 터보차져
   - 디젤의 배기가스는 850℃ 수준으로 온도가 높지 않으나 가솔린은 배기가스 온도는 1000℃를 상회한다. 이 고온을 견딜 수 있는 터빈의 설계가 필요하다. 현재는 내열의 터보차져를 채택하는것보다 엔진배기량을 늘려서 승부하는 방식

 2) 전자식 슈퍼차져
  - 전자식 차져의 가장 큰 장점인 구동저항을 없애어 출력 향상을 기대할 수 있다.