59강. 과급장치의 구성
가. 슈퍼차저(supercharger)
과급한 공기를 실린더내로 밀어 넣어 기관
출력을 올리려는 것으로 기관에 의해 직접 구
동되기 때문에 터보차저와 같이 에너지의 유효한 이용이라고는 할 수 없다.
그러나 터보차저에 비교해서 기관에 대한
응답성이 좋고 저 회전영역에서 성능을 발휘
할 수 있다. 또, 발열량이 적기 때문에 기관 오일 등의 관리가 터보 장착차보다 힘들지 않은 등의 장점을 갖고 있다.
(1) 로터식 슈퍼차저(rotor type supercharger)
[그림 4-50]와 같이 2개의 로터를 기계식으로 회전시켜 흡입공기를 과급하는 방식이다.
(2) 리셔룸식 슈퍼차저(lysholm type supercharger)
밀러 사이클 기관(miller cycle engine)을 위하여 개발한 과급기이다. 밀러 사이클이란
통상의 4사이클인 오토 사이클과 같은 실린더를 사용하면서도 흡기밸브의 타이밍을 바꿈
으로써 흡기를 줄여, 실질적인 압축비를 내림으로써 오히려 팽창비를 크게 하여 출력을
향상시켜 저 연비를 실현하고 있다.
그러나 실직적인 흡기량은 줄기 때문에 그 상태로는 고출력을 바랄 수 없으므로 과급
에 의하여 흡기량을 늘릴 필요가 있다. 리셔룸식에서는 비틀림 홈과 산을 갖는 두 축의
로터가 있어 이것이 크랭크축에서 벨트에 구동되고 있다. 흡기는 홈과 산 사이를 통과할
때 압축되어 실린더에 보내진다.
(3) 복합 과급방식
루츠 블로어(roots blower) 등 체적형의
압축기를 엔진의 출력일부를 이용하여 직
접 수동하는 방식을 복합 과급방식이라 한
다. 급기 압력의 증대로 고출력화는 가능
하나 배기 에너지의 회수가 불가능하여 열
효율이 떨어지고 시스템 자체가 대형화되
면 연료 소비율을 중시하는 상용차용 디젤
엔진에 실용화되는 예는 크게 많지는 않다.
그러나 기계식 과급기는 체적형 이어서
터보과급의 경우와 같은 저속역 에서의 성
능저하는 없으며 근래에는 터보 과급기와
조합하여 저속역 에서만 기계식 과급기를
작동시키고 연료 소비율이 중시되는 중고속역은 터보 과급기를 작동시키는 복합 과급
시스템이 시도되고 있다. 이 방식의 경우는 서로 다른 방식의 압축기가 2개 장착된 상
태에서 운전되므로 작동의 변환을 위한 시스템이 복잡해지는 문제가 있다.
나. 터보차저(turbo charger)
일반적으로 자동차용 기관에서는 배기가스로 구동되는 원심 펌프 형식의 터보차저를
사용한다. 터보차저의 주요 구성부품은 압축기, 터빈, 터빈축, 웨이스트 게이트 밸브,
부동 베어링 등으로 되어 있다.
(1) 압축기(compressor)
압축기는 원심식을 사용하며 최고 15,000rpm까지의 고속회전으로 공기에 압력을 가
하는 임펠러와 흐름 속도가 빠를 때 감속하여 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시키는
디퓨저(diffuser)가 있으며, 이 부품을 넣는 하우징으로 구성되어 있다. 그리고 임펠러
의 형상에 따라 직선형으로 된 레이디얼형과 나선형으로 된 백워드형 등이 있으며, 레
이디얼형은 디젤기관에, 백워드형은 가솔린 기관에 적합하다. 압축기의 효율은 임펠러
와 디퓨저에 의하여 결정되며 효율이 불량하면 흡입 공기의 온도상승으로 노크가 발생
하고 배압이 증대하므로 출력이 감소한다.
(2) 터빈(turbine)
터빈은 압축기를 구동하는 부분이며 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는
부분이다. 터빈은 배기가스에 노출되며 고속 회전을 하므로 내열성 및 충분한 강도가
있어야 한다. 터빈은 날개를 지닌 휠(wheel)과 이를 감싸고 있는 하우징으로 구성되어
있으며 터보차저에서는 레이디얼형을 사용한다.
터보차저를 저속형 또는 고속형으로 선택하는 기준은 [그림 4-54]의 A/R의 비율로
결정한다. 여기서 A는 터빈 하우징의 단면적이 가장 좁은 부분이며, R은 A의 중심과 터빈 중심사이의 거리이다. A를 작게 하면 저속형이고, A를 크게 하면 고속형이 된다. 또
한 응답성을 높이기 위해서는 터빈의 날개 두께를 선단 부분에서 0.5mm 정도로 한다.
(3) 부동 베어링(floating bearing)
터보차저에서는 [그림 4-55]와 같이 주로 부동 베어링을 사용한다. 베어링의 윤활은
기관 윤활 장치의 윤활유를 사용하며, 터보차저가 과열된 상태에서 기관의 작동을 정
지시키면 베어링에 윤활유가 공급되지 않아 고착을 일으키는 경우가 있으므로 고속주
행 직후에는 곧바로 기관의 작동을 정지하지 말고 충분히 공전시켜 터보차저를 냉각시
키는 배려가 필요하다.
윤활유 공급압력은 약 2.8kgf/cm2이고, 0.7kgf/cm2 이하로 유압이 저하되면 베어링
에 큰 문제를 발생한다. 또한 베어링이 마멸되면 터빈이나 압축기 쪽의 오일실(oil seal)
이 손상될 가능성이 크며, 이로 인하여 과도한 윤활유 소비를 야기 시킬 수 있다.
(4) 과급압력 제어장치
과급압력을 제어하지 않으면 기관의 배기량과 터보차저의 용량으로 결정하는 평행점
까지 과급압력이 상승한다. 이것이 때로는 기관의 파손을 의미하는 경우가 있으므로 과
급 압력을 반드시 제어하여야 한다.
다. 인터쿨러(inter cooler)
터보차저에서 공기를 압축하면 흡입공기의 온도가 상승하는데 일반적으로 100~150
℃ 정도의 범위이다. 기관에서 흡입공기의 온도가 상승하면 밀도 저하로 인하여 흡입효
율이 저하됨과 동시에 혼합기의 온도가 상승하여 노크가 발생한다. 따라서 흡입공기를
냉각시켜 흡입효율 향상과 노크를 감소시키기 위하여 인터쿨러를 설치한다.
일반적으로 인터쿨러는 수랭식과 공랭식이 있으며, 수랭식 인터쿨러는 물 펌프, 냉각
용 보조 라디에이터 등이 필요하며 냉각수와 주행 중 받는 바람으로 냉각된다. 공랭식
인터쿨러는 주행 중에 받는 바람이 직접 고온의 흡입공기를 냉각시키도록 바람을 쉽게
받을 수 있는 부분에 설치한다.
라. 터보차저의 작동
(1) 작동과정
고온·고압의 배기가스가 압력 에너지에 의하여 터빈축을 회전시키면 터빈 반대쪽에
있는 압축기가 회전하여 흡입공기를 압축하게 된다. 기관의 회전속도가 상승함에 따라
배기가스의 압력이 상승하여 터빈의 회전속도를 상승시킴으로서 압축기에 의한 과급 압
력도 높아져 출력이 증가한다.
그러나 과급압력이 기준값 이상으로 상승하면 폭발 압력이 너무 높아져 기관 각 구성
부품의 내구성에 문제가 발생한다. 이때 웨이스트 게이트 밸브(waste gate valve)를 열
어 배기가스를 바이패스시켜 과급압력을 설정 압력이하로 조절한다.
웨이스트 게이트 밸브의 작동은 흡기다기관 내의 압력(정압) 또는 컴퓨터(ECU)에 의
하여 조절되는데 컴퓨터 제어방식은 흡기다기관 내에 압력 센서를 설치하여야 하며, 웨
이스트 게이트 밸브는 솔레노이드밸브의 작동에 의해 제어된다.
(2) 디퓨저(diffuser)
디퓨저의 기능은 터빈에서 공기에 주어진 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시키는
것이다. 이 디퓨저의 설계가 불량하면 압력 에너지로 변환할 때 단열 압축에 의한 공기
의 온도 상승보다 휠씬 더 공기의 온도가 상승하여 충전효율이 저하한다. 디퓨저에는
베인이 부착된 형식과 없는 것이 있다.
