터보차저

Turbocharger
컷어웨이 뷰 터보차저(좌측 터빈 섹션, 우측 컴프레서 섹션)

내연기관에서 터보차저(종종 터보라고 함)는 배기 가스의 흐름에 의해 구동되는 강제 유도 장치입니다.이 에너지를 사용하여 흡기 가스를 압축하여 지정된 [1][2]배기량에 대해 더 많은 출력을 생성하기 위해 더 많은 공기를 엔진으로 밀어 넣습니다.

현재의 분류는 터보차저가 배기 가스의 운동 에너지로 구동되는 반면, 슈퍼차저는 기계적으로 구동됩니다(일반적으로 엔진 [3]크랭크축의 벨트로 구동됨).하지만, 20세기 중반까지 터보차저는 "터보스 과급기"라고 불렸고 과급기의 [4]한 종류로 여겨졌다.

설계.

다른 강제 흡기 장치와 마찬가지로 터보차저의 컴프레서흡기 [5]매니폴드로 들어가기 전에 흡기 압력을 가합니다.터보차저의 경우 컴프레서는 엔진 배기 가스의 운동 에너지로 구동되며, 이 운동 에너지는 터보차저의 [6][7]터빈에 의해 추출됩니다.

터보차저의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

  • 터빈 – 일반적으로 방사형 터빈 설계
  • 컴프레서 – 일반적으로 원심 압축기
  • 센터 하우징 허브 회전 어셈블리

터빈

커버가 제거된 터빈 섹션

터빈 섹션(터보의 "핫 사이드" 또는 "배기 사이드"라고도 함)은 터보의 중심을 통해 회전축을 통해 컴프레서에 동력을 공급하기 위해 회전력이 발생하는 부분입니다.배기가스가 터빈을 회전시킨 후 터빈은 배기로 들어가 차량 밖으로 계속 배출됩니다.

터빈은 일련의 블레이드를 사용하여 배기 가스 흐름의 운동 에너지를 회전축의 기계적 에너지로 변환합니다(컴프레서 섹션에 전원을 공급하는 데 사용됨).터빈 하우징은 터빈 섹션을 통해 가스 흐름을 유도하며 터빈 자체는 최대 250,[8][9]000rpm의 속도로 회전할 수 있습니다.일부 터보차저 설계는 여러 터빈 하우징 옵션과 함께 제공되므로 엔진의 특성 및 성능 요구 사항에 가장 적합한 하우징을 선택할 수 있습니다.

터보차저의 성능은 [10]그 크기와 터빈 휠 및 컴프레서 휠의 상대적 크기에 밀접하게 관련되어 있습니다.대형 터빈은 일반적으로 더 높은 배기 가스 유량을 요구하므로 터보 지연이 증가하고 부스트 임계값이 증가합니다.소형 터빈은 더 낮은 유량으로 빠르게 부스트를 발생시킬 수 있지만 엔진에 의해 생성되는 [11][12]최대 출력의 제한 요인이 될 수 있습니다.다음 절에서 설명하는 바와 같이, 다양한 기술은 종종 소형 터빈과 대형 터빈의 장점을 결합하는 것을 목표로 한다.

대형 디젤 엔진은 방사형 [citation needed]터빈 대신 1단 축방향 유입 터빈을 사용하는 경우가 많습니다.

트윈 스크롤

트윈 스크롤 터보차저는 두 개의 별도의 배기 가스 흡입구를 사용하여 각 [13]실린더에서 나오는 배기 가스 흐름의 펄스를 활용합니다.표준(싱글 스크롤) 터보차저에서는 모든 실린더의 배기 가스가 결합되어 단일 흡기구를 통해 터보차저로 유입되며, 이로 인해 각 실린더의 가스 펄스가 서로 간섭하게 됩니다.트윈 스크롤 터보차저의 경우 펄스를 최대화하기 위해 실린더를 두 그룹으로 나눕니다.배기 매니폴드는 이 두 그룹의 실린더를 분리한 상태로 유지한 다음, 두 개의 개별 노즐을 통해 터빈 하우징으로 들어가기 전에 두 개의 개별 나선형 챔버("스크롤")를 통과합니다.이러한 가스 펄스의 소거 효과는 배기 가스로부터 더 많은 에너지를 회수하고, 기생 백 손실을 최소화하며, 낮은 엔진 [14][15]속도에서 응답성을 향상시킵니다.

트윈 스크롤 터보차저의 또 다른 공통적인 특징은 두 노즐의 크기가 다르다는 것입니다. 즉, 작은 노즐은 더 가파른 각도로 장착되고 저회전 응답에 사용되는 반면, 큰 노즐은 더 적은 각도로 설계되어 높은 출력이 [16]필요할 때 최적화됩니다.

가변기하학

가변 지오메트리 터보차저의 컷어웨이 뷰

가변 형상 터보차저(가변 노즐 터보차저라고도 함)는 작동 조건 변화에 따라 터보차저의 유효 석면비를 변경하는 데 사용됩니다.이 작업은 흡기 및 터빈 사이의 터빈 하우징 내부에 위치한 조절식 베인을 사용하여 수행되며, 이러한 베인은 터빈으로 향하는 가스 흐름에 영향을 미칩니다.일부 가변 기하학 터보차저는 로터리 전기 액추에이터를 사용하여 [17]베인을 개폐하는 반면, 다른 터보차저는 공압 액추에이터를 사용합니다.

터빈의 애스펙트비가 너무 크면 터보는 저속에서는 부스트를 생성하지 못하고, 애스펙트비가 너무 작으면 터보에 의해 고속에서 엔진이 초크되어 배기 매니폴드 압력이 높아지고 펌핑 손실이 커지며 궁극적으로 출력이 저하됩니다.엔진이 가속함에 따라 터빈 하우징의 형상을 변경함으로써 터보의 석면비를 최적의 상태로 유지할 수 있습니다.이 때문에 가변기하 터보차저는 종종 지연을 줄이고 부스트 임계값을 낮추며 엔진 [10][11]속도가 높을 때 효율이 높아집니다.가변 지오메트리 터보차저의 이점은 낮은 엔진 속도에서 최적의 석면비가 높은 엔진 속도에서와 매우 다르다는 것입니다.

전기 보조 터보차저

전기 보조 터보차저는 터보 지연을 줄이기 위해 기존의 배기 터빈과 전기 모터를 결합합니다.이는 전기 모터만을 사용하여 컴프레서를 구동하는 전기 슈퍼차저와는 다릅니다.

압축기

커버가 제거된 컴프레서 섹션

컴프레서는 엔진의 흡기 시스템을 통해 외부 공기를 흡입하고 압력을 가한 다음 연소실(흡기 매니폴드를 통해)로 공기를 공급합니다.터보차저의 컴프레서 섹션은 임펠러, 디퓨저 및 볼루트 하우징으로 구성됩니다.컴프레서의 작동 특성은 컴프레서 맵에 의해 설명됩니다.

포티드 에어플로 커버

일부 터보차저는 "포트 쉬라우드"를 사용하여 구멍 또는 원형 홈의 링을 통해 컴프레서 블레이드 주변의 공기를 블리딩할 수 있습니다.포팅된 쉬라우드 디자인은 컴프레서 서지 저항성이 더 뛰어나며 컴프레서 [18][19]휠의 효율성을 개선할 수 있습니다.

중앙 허브 회전 어셈블리

중앙 허브 회전 어셈블리(CHRA)에는 터빈과 컴프레서를 연결하는 샤프트가 들어 있습니다.샤프트가 가벼워지면 터보 [20]지연을 줄일 수 있습니다.CHRA에는 이 샤프트가 최소한의 마찰로 고속으로 회전할 수 있도록 하는 베어링도 포함되어 있습니다.

일부 CHRA는 수냉식이며 엔진 냉각수가 통과할 수 있는 파이프가 있습니다.수냉이 필요한 이유 중 하나는 터보차저의 윤활유가 과열되지 않도록 보호하기 위함입니다.

지원 컴포넌트

일반적인 터보 가솔린 엔진 개략도

가장 단순한 유형의 터보차저는 프리 플로팅 [21]터보차저입니다.이 시스템은 최대 엔진 회전수 및 최대 스로틀에서 최대 부스트를 달성할 수 있지만, 범위 부하 및 rpm [21]조건에서 주행 가능한 엔진을 생산하려면 추가 구성 요소가 필요합니다.

터보차저와 함께 일반적으로 사용되는 추가 구성 요소는 다음과 같습니다.

  • 인터쿨러 - 흡기가 터보차저에[22] 의해 가압된 후 냉각하는 데 사용되는 라디에이터
  • 수분 분사 - 연소실로 물을 분사하여 흡기를[23] 냉각합니다.
  • 웨이스트게이트 - 많은 터보차저가 엔진이 안전하게 견딜 수 있는 것보다 높은 부스트 압력을 발생시킬 수 있기 때문에 터빈으로 유입되는 배기 가스의 양을 제한하기 위해 웨이스트게이트가 자주 사용됩니다.
  • 블로오프 밸브 - 스로틀이 닫힐 때 컴프레서 스톨을 방지합니다.

터보 지연 및 부스트 임계값

터보 지연은 엔진 rpm이 터보차저의 작동 범위 내에 있을 때 부스트 [24][25]압력을 제공하기 위해 스로틀을 누르는 것과 터보차저 스풀링 사이에 발생하는 지연을 말합니다.이러한 지연은 (갑자기 스로틀이 열린 후) 증가하는 배기 가스 흐름으로 인해 터빈이 부스트가 [26]생성되는 속도로 회전하는 데 시간이 걸리기 때문입니다.터보 지연의 효과는 동력 [27]공급 지연의 형태로 스로틀 응답 감소입니다.슈퍼차저는 컴프레서 메커니즘이 엔진에 의해 직접 구동되기 때문에 터보 지연에 시달리지 않습니다.

터보 지연을 줄이는 방법에는 [citation needed]다음이 있습니다.

  • 저반경 부품과 세라믹 및 기타 경량 재료를 사용하여 터보차저의 회전 관성 감소
  • 터빈의 석면비 변경
  • 상부 데크 공기 압력 증가(압축기 배출) 및 웨이스트게이트 응답 개선
  • 베어링 마찰 손실 감소(예: 기존 오일 베어링이 아닌 포일 베어링 사용)
  • 가변 노즐 또는 트윈 스크롤 터보차저 사용
  • 상부 데크 배관 부피 감소
  • 여러 터보차저를 순차적으로 또는 병렬로 사용
  • 안티 태그 시스템 사용
  • 터보차저 스풀 밸브를 사용하여 (트윈 스크롤) 터빈으로 가는 배기 가스 유속 증가
  • 버터플라이 밸브를 사용하여 배기 가스를 터보 흡입구의 작은 통로를 통과시킵니다.
  • 전기 터보차저[28]하이브리드 터보차저.

터보 지연으로 오인되는 유사한 현상은 부스트 임계값입니다.엔진 속도(rpm)가 현재 터보차저 시스템의 작동 범위보다 낮기 때문에 엔진이 상당한 부스트를 생성할 수 없습니다.낮은 rpm에서는 배기 가스 유량이 터빈을 충분히 회전시킬 수 없습니다.

부스트 임계값은 낮은 rpm에서 동력 공급을 지연시키는 반면(부스트되지 않은 엔진은 차량을 가속하여 RPM을 부스트 임계값 이상으로 높여야 하므로), 터보 지연은 높은 PRM에서 동력 공급을 지연시킵니다.

다중 터보차저 사용

일부 엔진에서는 터보 지연을 줄이거나 부스트가 발생하는 rpm 범위를 늘리거나 흡기/배기 시스템의 배치를 단순화하기 위해 여러 터보차저를 사용합니다.가장 일반적인 배열은 트윈 터보차저이지만, 트리플 터보 또는 쿼드 터보 배열은 생산 차량에 가끔 사용되어 왔습니다.

터보차징과 슈퍼차징

터보차저와 슈퍼차저의 주요 차이점은 슈퍼차저는 엔진(대개 크랭크축에 연결된 벨트를 통해)에 의해 기계적으로 구동되는 반면, 터보차저는 엔진 배기 [29]가스의 운동 에너지로 구동된다는 것입니다.터보차저는 엔진에 직접 기계적 부하를 가하지 않지만,[29] 터보차저는 엔진에 배기 백 압력을 가하여 펌핑 손실을 증가시킵니다.

슈퍼차지 엔진은 스로틀 반응이 주요 관심사이며, 슈퍼차지 엔진은 흡기를 가열 흡수할 가능성이 낮습니다.

트윈 충전

배기 구동식 터보차저와 엔진 구동식 슈퍼차저를 조합하면 두 [30]가지 약점을 모두 완화할 수 있습니다.이 기술은 트윈 차지라고 불립니다.

역사

터보차저가 발명되기 전에는 기계적으로 구동되는 슈퍼차저를 통해서만 강제 유도가 가능했습니다.슈퍼차저의 사용은 스코틀랜드 엔지니어 Dugald [31]Cluck의 디자인을 사용하여 여러 개의 슈퍼차지 2행정 가스 엔진이 만들어졌을 때 1878년에 시작되었다.그 후 1885년 고틀립 다임러는 기어 구동식 펌프를 사용하여 내연기관에 공기를 [32]주입하는 기술을 특허 취득했다.

Sulzer에서 일하는 스위스 엔지니어 Alfred Büchi의 1905년 특허는 [33][34][35]종종 터보차저의 탄생으로 여겨진다.이 특허는 배기 구동 축류 터빈 및 압축기가 공통 [36][37]축에 장착된 복합 방사형 엔진에 대한 것입니다.첫 번째 시제품은 높은 [38][39]고도에서 공기 밀도의 감소로 인한 항공기 엔진에서 발생하는 동력 손실을 극복하기 위해 1915년에 완성되었다.그러나 시제품은 신뢰성이 떨어졌고 [38]생산에 이르지 못했다.터보차저의 또 다른 초기 특허는 1916년 프랑스 증기 터빈 발명가 오귀스트 레이토에 의해 프랑스 [36][40]전투기가 사용하는 르노 엔진에 적용되기 위해 출원되었다.이와는 별도로 1917년 미국항공자문위원회(NACA)와 샌포드 알렉산더 모스(Sanford Alexander Moss)가 실시한 테스트에서는 터보차저가 해발 4,[36]250m(13,944ft)의 고도에서 엔진이 (해발과 비교하여) 어떠한 동력 손실도 피할 수 있다는 것을 보여주었다.실험은 리버티 L-12 항공기 [40]엔진을 사용하여 미국 피케스 피크에서 실시되었다.

터보차저가 상용화된 것은 1925년 Alfred Büchi가 10기통 디젤 엔진에 터보차저를 장착하여 출력을 1,300에서 1,860kW(1,750에서 2,500hp)[41][42][43]로 증가시킨 때입니다.이 엔진은 독일 교통부에 의해 프레센호한세스타트 단치히호라고 불리는 두 개의 대형 여객선에 사용되었다.이 설계는 여러 제조업체에 허가되었고 터보차저는 선박,[39] 철도 차량 및 대형 고정 애플리케이션에 사용되기 시작했습니다.

터보차저는 1938년 보잉 B-17 플라잉 포트리스에서 제너럴 [36][44]일렉트릭이 생산한 터보차저를 사용한 것을 시작으로 제2차 세계대전 동안 여러 항공기 엔진에 사용되었다.다른 초기 터보차지 비행기에는 컨솔리데이션 B-24 리버레이터, 록히드 P-38 라이트닝, 리퍼블릭 P-47 썬더볼트, 포케 울프 Fw 190의 실험적인 변종이 있었다.

1930년대에 스위스의 트럭 제조 회사 Saurer에 의해 트럭에 대한 최초의 실용적인 적용이 실현되었습니다.BXD 및 BZD 엔진은 1931년 [45]이후 옵션 터보차징으로 제조되었습니다.스위스의 산업은 Sulzer, Saurer, Brown, Boveri [46][47]& Cie가 목격한 것처럼 터보차징 엔진으로 선구적인 역할을 했다.

자동차 제조업체들은 1950년대에 터보차지 엔진에 대한 연구를 시작했지만,[34][39] "터보 지연"과 터보차저의 부피가 큰 문제는 당시에는 해결되지 않았다.최초의 터보차지 자동차는 1962년에 [48][49]소개된 짧은 수명인 쉐보레 콜베어 몬자와 올즈모바일 제트파이어였다.소형 배기량 [36]엔진의 성능을 높이기 위한 방법으로 승용차에 터보차징의 채택이 1980년대에 시작되었다.

적용들

중형 6기통 선박용 디젤 엔진으로, 전면에 터보차저와 배기가스가 장착되어 있습니다.

터보차저는 다음과 같은 용도로 사용되었습니다.

2017년에는 미국에서 판매된 차량의 27%가 [51]터보차지였습니다.유럽에서는 2014년에 [52]전체 차량의 67%가 터보차지되었습니다.과거에는 터보차저의 90% 이상이 디젤이었지만, 가솔린 엔진의 채택이 [53]증가하고 있습니다.유럽과 미국에서 터보차저를 가장 많이 생산하는 회사는 개럿 모션(옛 허니웰), 보그워너, 미쓰비시 터보차저다.[2][54][55]

안전.

터보차저 고장과 그로 인한 높은 배기 온도가 차량 [56]화재의 원인 중 하나입니다.

씰이 작동하지 않으면 오일이 실린더로 누출되어 청회색 연기가 발생합니다.디젤 엔진에서는 과속, 즉 디젤 엔진 폭주 현상을 일으킬 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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