슈퍼차저

Supercharger
기타 용도는 슈퍼차저(동음이의)를 참조하십시오.
피스톤 엔진의 슈퍼차저(항목 6)
2006년형 GM Ecotec LSJ 4기통 엔진의 루트형 슈퍼차저(오른쪽)

내연 엔진에서 슈퍼차저는 흡기 가스를 압축하여 지정된 배기량에 대해 더 많은 출력을 내기 위해 더 많은 공기를 엔진으로 밀어 넣습니다.

현재의 분류는 배기 [1]가스의 운동 에너지로 구동되는 터보차저와 달리 슈퍼차저는 기계적으로 구동되는 강제 유도의 한 형태(일반적으로 엔진 크랭크축의 벨트로 구동됨)입니다.하지만, 20세기 중반까지 터보차저는 "터보스 과급기"라고 불렸고 과급기의 [2]한 종류로 여겨졌다.

최초의 슈퍼차지 엔진은 [3]1878년에 제작되었고 1910년대부터 항공기 엔진에 사용되었고 1920년대부터 자동차 엔진에 사용되었습니다.항공기가 사용하는 피스톤 엔진에서는 높은 고도에서 낮은 공기 밀도를 보상하기 위해 과급이 종종 사용되었습니다.21세기에는 제조업체가 연료 소비량을 줄이거나 출력을 높이기 위해 터보차저로 전환함에 따라 슈퍼차징이 덜 사용됩니다.

설계.

종류들

가스 이동 방법에 따라 정의되는 슈퍼차저에는 양의 변위 및 동적 슈퍼차저의 두 가지 주요 패밀리가 있습니다.양의 배기량 슈퍼차저는 모든 엔진 속도(RPM)에서 거의 일정한 수준의 부스트 압력을 제공하는 반면, 다이내믹 슈퍼차저는 RPM과 함께 부스트 압력을 기하급수적으로 상승시킵니다(특정 RPM [4]임계값 이상).거의 사용되지 않지만 또 다른 슈퍼차저 제품군은 압력파 슈퍼차저입니다.

루트 블로워(양수 변위 설계)는 동적 슈퍼차저가 [citation needed]70-85%인 데 비해 높은 부스트 레벨에서 40–50%의 효율에 그치는 경향이 있습니다.리스홀름 스타일의 블로어(회전식 나사 설계)는 시스템이 특별히 설계되어야 하는 좁은 범위의 부하/속도/부스트에 걸쳐 동적 슈퍼차저와 거의 같은 효율이 될 수 있습니다.

양의 변위

회전식 나사(리스홀름) 슈퍼차저 내부

양의 배기량 펌프는 컴프레서의 회전당 거의 일정한 양의 공기를 공급합니다(일반적으로 높은 엔진 속도에서 감소 효과가 있는 누출은 제외).양극 변위 슈퍼차저의 가장 일반적인 유형은 루트형 슈퍼차저입니다.다른 유형으로는 로터리 나사, 슬라이딩 베인 및 스크롤형 슈퍼차저가 있습니다.

양변위 슈퍼차저의 등급 시스템은 일반적으로 회전당 용량에 기초합니다.루트 블로워의 경우 GMC 정격 패턴이 일반적입니다.GMC 등급은 청소용으로 설계된 2행정 실린더의 수와 실린더의 크기에 기초하며, GMC의 모델 범위는 2-71, 3-71, 4-71, 6-71입니다.예를 들어, 6-71 블로워는 71 cu in (1.2 L)의 실린더 6개를 청소하도록 설계되어 총 배기량이 426 cu in (7.0 L)인 엔진을 생성합니다.그러나 6-71은 송풍기보다 엔진의 명칭이기 때문에 송풍기의 실제 변위는 더 적다. 예를 들어 회전당 6-71의 송풍기 펌프 339 cuin(5.6 L)이다.다른 슈퍼차저 제조업체에서는 최대 16~71등급의 블로어를 생산하고 있습니다.

역학

동적 압축기는 공기를 고속으로 가속한 다음 확산 또는 감속하여 속도를 압력과 교환합니다.

다이내믹 컴프레서의 주요 유형은 다음과 같습니다.

드라이브 시스템

슈퍼차저를 구동하는 일반적인 방법은 다음과 같습니다.

  • 벨트(V 벨트, 동기 벨트, 플랫 벨트)
  • 다이렉트 드라이브
  • 기어 구동
  • 체인 드라이브
  • 가변 속도 비, 가변 비 원심력
  • 전기 슈퍼차저는 기계적인 동력원이 아닌 전기 모터를 사용합니다.

연료 옥탄 정격의 영향

옥탄가 등급이 높은 연료는 자동 점화 및 폭발에 더 잘 견딜 수 있습니다.그 결과 슈퍼차저가 공급하는 부스트의 양이 증가하여 엔진 출력이 증가할 수 있습니다.1930년대 미국에서 개척된 100옥탄 항공 연료의 개발은 고성능 항공 엔진에 더 높은 부스트 압력을 사용할 수 있게 했으며 여러 개의 속도 기록 비행기의 출력을 크게 증가시키는 데 사용되었다.

고옥탄 연료의 군사적 사용은 1940년 초 100옥탄 연료가 [6]2차 세계대전에서 영국 공군에 공급되면서 시작되었다.독일 루프트바페도 비슷한 [7][8]연료를 공급했다.옥탄가 등급의 증가는 전쟁의 나머지 기간 동안 에어로 엔진 개발의 주요 초점이 되었으며, 이후 연료는 명목상 최대 150 옥탄가 등급의 연료를 가지게 되었다.이러한 연료를 사용하여 Rolls-Royce Merlin 66 및 Daimler-Benz DB 605 DC와 같은 에어로 엔진은 최대 2,000hp(1,500kW)[9][10][11][12]의 출력을 생성합니다.

흡기 가열

강제 유도(예: 과급 또는 터보차징)의 한 가지 단점은 흡기를 압축하면 온도가 상승한다는 것입니다.내연기관의 경우 흡기 온도가 엔진 성능의 제한 요인이 됩니다.온도가 너무 높으면 사전 점화 또는 노킹이 발생하여 성능이 저하되고 엔진이 손상될 수 있습니다.점화/노킹의 위험은 외기 온도가 높아지고 부스트 레벨이 높아질수록 증가합니다.

슈퍼차징과 터보차징

터보차지 엔진은 엔진에서 동력을 기계적으로 끌어오는 슈퍼차지보다 일반적으로 낭비되는 배기 가스의 에너지를 사용합니다.따라서 터보차지 엔진은 보통 슈퍼차지 엔진보다 더 많은 출력과 더 나은 연비를 생산합니다.그러나 터보차저는 터보 지연(특히 낮은 RPM)을 유발할 수 있으며, 이 경우 배기 가스 흐름이 초기에 터보차저를 회전시키고 원하는 부스트 레벨을 달성하기에 부족하여 스로틀 응답이 지연될 수 있습니다.이러한 이유로 슈퍼차지 엔진은 드래그 레이싱 및 트랙터 당기기 대회와 같이 스로틀 반응이 핵심 관심사인 애플리케이션에서 흔히 사용됩니다.

슈퍼차징의 단점은 엔진이 엔진의 순출력과 슈퍼차저를 [citation needed]구동하는 힘을 견뎌야 한다는 것입니다.

터보차지 엔진은 흡기 시스템 근처에 고온 배기 구성 요소를 배치할 수 있기 때문에 흡기의 열 흡수가 발생하기 쉽지만, 인터쿨러를 사용하면 이를 극복할 수 있습니다.

항공기 엔진 비교

제2차 세계대전 동안 사용된 항공기 엔진의 대부분은 터보차저보다 제조상 중요한 이점이 있었기 때문에 기계 구동 슈퍼차저를 사용했다.그러나 운용 범위에 대한 요건이 예측 불가능하고 본거지에서 멀리 이동해야 하기 때문에 운용 범위에 대한 편익은 미국 항공기에 훨씬 높은 우선순위가 주어졌다.결과적으로 터보차저는 주로 Alison V-1710과 Pratt & Whitney R-2800과 같은 미국 항공기 엔진에 사용되었으며, 터보차저는 터보차지 시 상대적으로 무거워졌으며, 가스터빈의 고가의 고온 금속 합금과 배기 시스템의 프리터빈 부분을 추가로 덕트해야 했다.덕트의 크기만 놓고 보면 설계상 중요한 고려사항이었다.예를 들어, F4U Corsair와 P-47 Thunderbolt는 모두 동일한 방사형 엔진을 사용했지만, 항공기 뒤쪽에 있는 터보차저와 주고받는 덕트의 양 때문에 터보차지 P-47의 큰 배럴 모양의 동체가 필요했다.F4U는 보다 컴팩트한 레이아웃의 2단 인터쿨 슈퍼차저를 사용했습니다.그럼에도 불구하고 터보차저는 고고도 폭격기와 일부 전투기에 유용하게 쓰였다.

터보차지 피스톤 엔진도 가스터빈 엔진과 동일한 작동 제한을 많이 받습니다.또한 터보차지 엔진의 경우 터보차저와 배기 시스템을 자주 점검하여 터보차저의 극단적인 열과 압력으로 인한 손상 가능성을 검색해야 합니다.이러한 손상은 1944년부터 1945년까지 태평양 작전극장에서 사용된 미국 보잉 B-29 Superfortress의 고고도 폭격기 초기 모델에서 현저한 문제였다.

터보차지 피스톤 엔진은 B-50 Superfortress, KC-97 Stratofreighter, Boeing 377 Stratocruiser, Lockheed Constellation, C-124 Globemaster II와 같은 전후 많은 비행기에서 계속 사용되었다.

트윈 충전

주요 기사:트윈차저

1985년과 1986년 세계 랠리 선수권 대회에서 랜시아는 벨트 구동 슈퍼차저와 배기 구동 터보차저를 모두 통합한 델타 S4를 달렸습니다.이 설계에서는 흡기 및 배기 시스템에 복잡한 일련의 바이패스 밸브와 전자기 클러치를 사용하여 낮은 엔진 속도에서 슈퍼차저로부터 부스트를 유도했습니다.회전수 범위 중간에서 부스트는 두 시스템 모두에서 발생하며, 최고 회전수에서는 시스템이 슈퍼차저에서 구동력을 분리하고 관련 [13]덕트를 분리했습니다.이는 각 과금 시스템의 장점을 이용하면서 단점을 없애기 위한 시도입니다.결과적으로, 이 접근법은 더 복잡함을 초래하고 WRC 사건에서 자동차의 신뢰성에 영향을 미쳤으며, 완성된 설계에서 엔진 부속품의 무게를 증가시켰다.

2005-2007년형 폭스바겐 1.4리터 및 2017년형 Volvo B4204T43/B4204T48 2.0리터 4기통 엔진과 같이 생산 차량에 트윈차지 엔진이 가끔 사용되어 왔습니다.

역사

1849년 영국 버밍엄의 G. Jones는 탄광에 [14]환기를 제공하기 위해 로브 펌프 압축기를 제조하기 시작했습니다.1860년 미국의 Roots Blower Company(필랜더와 프란시스 마리온 루트 형제가 설립한)는 용광로 및 기타 산업 응용 분야에 사용할 에어 무버에 대한 설계를 특허 취득했습니다.이 에어 무버와 버밍엄의 환기 압축기는 모두 후대의 루트형 슈퍼차저와 유사한 설계를 사용했습니다.

1878년 3월, 독일의 기술자 하인리히 크리거는 나사식 압축기의 [15]첫 번째 특허를 취득했습니다.디자인은 동일한 모양의 로터를 가진 두 개의 로터 조립체였지만, 디자인은 생산에 이르지 못했습니다.

또한 1878년에 스코틀랜드 엔지니어 Dugald Clock은 [16]엔진과 함께 사용되는 최초의 슈퍼차저를 설계했다.이 과급기는 2행정 가스 엔진과 [17]함께 사용되었습니다.고틀립 다임러는 1885년 [18]내연기관을 충전하는 독일 특허를 취득했다.루이 르노는 [19][20]1902년 프랑스에서 원심식 과급기를 특허 취득했다.

차내에서의 사용

1929년 라디에이터 앞에 위치한 슈퍼차저("블로워")가 있는 블로워 벤틀리

슈퍼차저가 장착된 세계 최초의 시리즈 생산[21] 자동차는 1923년에 [22][23][24]생산을 시작한 1.6리터 메르세데스 6/25마력 및 2.6리터 메르세데스 10/40마력이었다.Kompressor 모델로 판매되었으며, 이 용어는 2012년까지 다양한 모델에 사용되었습니다.

이 무렵의 슈퍼차지 레이싱카에는 1923년형 피아트 805-405대,[citation needed] 1923년형[25] 밀러 122대, 1924년형 알파로미오 P2,[26] 1924년형 그랑프리, 1925년형 [27]델라지, 1926년형 부가티 타입 35C 등이 있었다.

가장 유명한 슈퍼차지 자동차로는 1929년에 출시된 벤틀리 4리터(Blower Bentley)가 있습니다.

1935년, 나사형 슈퍼차저의 개발은 스웨덴의 엔지니어 Alf Lysholm이 5개의 암 [15]로터와 4개의 수 로터가 있는 회전식 스크류 압축기의 디자인을 특허로 취득하면서 획기적인 단계에 도달했습니다.

21세기에는 제조사들이 높은 연비와 출력을 달성하기 위해 터보차징으로 전환함에 따라 슈퍼차지 생산용 엔진들이 덜 보편화되었습니다.예를 들어 2000년대 초반의 Mercedes-Benz 엔진(C230K 스트레이트 4, C32 AMG V6, CL55 AMG V8 엔진 등)은 2010년경 C250 및 CL S65 AMG 모델과 같은 모델의 터보차지 엔진으로 대체되었습니다.단, 예외는 Audi 3.0 TFSI 슈퍼차지 V6(2009년 도입) 및 Jaguar AJ-V8 슈퍼차지 V8(2009년 3세대 버전으로 업그레이드)입니다.

항공기 내에서의 사용

Bristol Centaurusradial 엔진용 원심형 슈퍼차저

1930년대에 항공 엔진용 슈퍼차저를 위해 2단 드라이브가 개발되어 보다 유연한 항공기 운영을 제공하였다.그 준비는 또한 제조와 유지보수의 복잡성을 수반했다.기어는 유압 클러치 시스템을 사용하여 슈퍼차저를 엔진에 연결했는데, 처음에는 조종사가 조종석에 있는 컨트롤로 수동으로 연결하거나 해제했습니다.저고도에서는 과도한 부스트 레벨을 방지하기 위해 저속 기어가 사용됩니다.높은 고도에서 슈퍼차저는 낮은 흡기 밀도를 보상하기 위해 더 높은 기어로 전환할 수 있습니다.영국 전투에서는 롤스로이스 멀린 엔진으로 구동되는 스핏파이어와 허리케인 비행기가 주로 1단 및 1단 슈퍼차저를 [28][29]장착했다.

1942년에는 롤스 로이스 멀린 61 에어로 엔진에 애프터쿨링 방식의 2단 슈퍼차징이 적용됐다.향상된 성능 덕분에 독일 엔진이 [30][29]배기량에서 상당히 커졌음에도 불구하고, 제2차 세계대전 내내 반대했던 독일 항공기보다 중요한 우위를 유지할 수 있었다.2단 슈퍼차저는 항상 2단이었다.공기가 저압 단계에서 압축된 후, 공기는 열 교환기("인터쿨러")를 통해 흐른 후 고압 단계에서 다시 압축된 후 다른 열 교환기에서 후냉각될 수 있습니다.

항공기 엔진에서의 사용

고도 효과

높은 고도에서 공기 밀도가 감소하기 때문에, 슈퍼차징과 터보차징이 항공기 엔진에 종종 사용되어 왔다.예를 들어 30,000피트(9,100m)의 공기 밀도는해수면에서는 그 1⁄3의 연료가 자연흡기 엔진에서 연소되기 때문에 출력이 크게 [31]저하된다.과급기/터보차저는 압축하여 공기의 밀도를 인위적으로 증가시키거나 피스톤이 흡기 [31]스트로크를 내려갈 때마다 실린더에 정상보다 더 많은 공기를 주입하는 것으로 간주할 수 있습니다.

슈퍼차저는 일반적으로 높은 고도(공기 밀도가 낮은 곳)에서 일정한 양의 부스트를 생성하도록 설계되어 있기 때문에 저고도에서는 크기가 초과되는 경우가 많습니다.과도한 부스트 레벨을 방지하려면 낮은 고도에서 흡기 매니폴드 압력을 모니터링하는 것이 중요합니다.항공기가 상승하고 공기 밀도가 떨어지면 스로틀을 점진적으로 개방하여 주어진 고도에 대한 최대 안전 동력 레벨을 얻을 수 있습니다.스로틀이 풀 오픈에 도달하고 엔진이 풀 정격 출력을 생성하는 고도를 임계 고도라고 합니다.임계 고도를 초과하면 슈퍼차저가 더 이상 공기 밀도의 감소를 완전히 보상할 수 없기 때문에 엔진 출력이 감소합니다.

저고도(지상고 등)에서 발생하는 또 다른 문제는 흡기가 고도에서보다 따뜻하다는 것입니다.공기가 따뜻해지면 엔진 노킹이 발생할 수 있는 임계값이 감소합니다. 특히 슈퍼차지 또는 터보차지 엔진에서 그렇습니다.접지 수준에서 흡기를 냉각하는 방법에는 인터쿨러/애프터쿨러, 안티디터넌트 주입, 2단 슈퍼차저 및 2단 슈퍼차저가 있습니다.

흡기 동결

카뷰레터를 사용하는 슈퍼차지 엔진에서는 스로틀이 부분적으로 열리면 카뷰레터 내부의 공기 압력이 감소합니다.추운 환경에서는 이 저압 공기로 인해 스로틀 플레이트에 얼음이 형성될 수 있습니다.엔진이 최대 정격 출력으로 작동하더라도 상당량의 얼음이 있으면 엔진 고장이 발생할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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레퍼런스

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