자동차공학)디젤 엔진의 과급시스템 터보차저

터보차저(turbo charger)는 터보(터빈)와 슈퍼차저(과급기)의 합성어이다. 1개 축의 양끝에 터빈과 압축기가 설치되어 일체로 회전하는 구조로 되어 있다. 즉 배출가스 에너지로 터빈이 구동되면 원심압축기는 회전하여 공기를 흡입 가압하여 실린더 내로 다량의 공기를  공급한다. 이것은 대형 디젤 엔진뿐만 아니라 소형 가솔린 엔진에서도 이용되고 있다. 

1. 터보차저의 구조

2. 인터쿨러

3. 웨이스트 게이트 밸브

 

1. 터보차저의 구조

터보차저의 일반적인 운전조건은 최고 약 650도 배기로서 터빈을 50,000~150,000 rpm 이상으로 회전시켜 동축의 압축기에 의해 흡입공기의 압력을 1.5~2.0 기압으로 압축하여 실린더 내로 과급한다. 터보과급기의 구조는 터빈하우징, 베어링 하우징, 압축기 커버(또는 하우징)가 일체로 되어 있으며, 그 속에 흡입공기를 가압하는 압출기(compressor) 부, 배출가스 에너지를 회수하는 터빈(turbine) 부, 컴프레서와 터번을 연결하는 회전축, 회전축을 지지하는 베어링으로 구성되어 있다. 그리고 각 케이싱 및 실(seal) 기구가 부착되어 있다. 터빈은 주로 레이디얼 방식이고 터빈 블레이드는 고온(약 900도)에 견딜 수 있는 니켈을 베이스로 한 초내열합금이나 세라믹으로 만들어진다. 블레이드와 축과의 연결은 마찰 압접 또는 전자빔 용접에 의한 것이 일반적이다. 터빈 케이싱은 소형화가 용이한 노즐리스(nozzleless) 방식이다. 압축기는 열을 받지 않으므로 알루미늄 합금이나 수지가 사용된다.

 

2. 인터쿨러

20도의 공기를 압축기에 의해 압축하면 온도가 100도~160도 (약 120도)로 상승하여 체적이 증가되어 공기 밀도가 저하된다. 이 고온의 공기를 그대로 실린더 내로 들어가면 2배의 압력이 되었을 때에도 실제 공기량은 1.6배 밖에 상승되지 않아 충전효율이 낮아질 뿐만 아니라 연소온도가 상승하여 NOx 배출량이 증가하게 된다. 이 때문에 터보차저에서는 터보와 서지탱크 사이에 인터쿨러(inter cooler)를 설치하여 가압 후의 고온이 된 흡입공기를 냉각시켜 충전효율의 상승으로 출력향상을 꾀하고 있다. 인터쿨러는 수냉식과 공냉식이 있다. 공냉식은 열교환기가 커지는 문제가 있으나 자동차는 주행풍을 효과적으로 이용할 수 있어 이 방식이 채용되며 급기 온도를 60도까지 저감이 가능하다. 수냉식은 엔진 본처에 조립이 가능하고 소형이지만 급기 온도를 냉각수 이하로 저하시킬 수 없어 별도의 서브 라디에이터가 필요하여 자동차용으로는 사용되고 있지 않다. 인터쿨러는 NOx 발생이 줄어들며 연소온도, 배기온도의 저감에 의한 엔진의 열부하를 줄일 수 있고 급기 비중량이 증가하기 때문에 급기 압력이 낮아지고 과급일이 저하되며 더욱이 배기압력, 펌프 손실이 저감 되므로 고과급화과 용이하다는 등의 장점이 있다.

 

3. 웨이스트 게이트 밸브

연소가스가 증가하면 배압이 높아지고, 배기가스 속도도 빨라져 터빈의 회전속도도 상승한다. 터빈의 회전속도가 높아지면 과급 압력도 상승되어 대량의 압축공기가 실린더 내로 들어가 강력한 폭발력이 발생하여 엔진이 손상될 우려가 있다. 따라서 연소가스 증가에 따른 터빈의 과회전을 방지하기 위해 배기 바이패스를 설치하여 필요 이상의 배기가스는 빠져나가게 한다. 이 밸브를 웨이스트 게이트 밸브(WG, Waste gate valve)라 한다. 일반적으로 터보차저 설계는 저속 영역에서 효율을 좋게 하여 토크 부족을 개선하고, 중 고속영역에서는 성능개선을 꾀하고 있다. 따라서 설계는 소량의 배기에서 터빈이 고회전하도록 소형화를 꾀하고 있다. 그렇게 하면 고속에서는 다량의 배기가스에 의해 필요 이상으로 과급 되어 가솔린엔진은 노킹을 일으키게 되므로 웨이스트 게이트 밸브를 사용하여 과급압을 적당히 유지하고 있다. WG의 사용은 배출가스를 바이패스 시키기 때문에 효율은 저하되지만 급기 압력 과대에 따른 엔진의 기계부하 증대, 배기압력 과대에 의한 펌프 손실 증대 등의 문제를 피할 수 있다. 따라서 WG는 저속영역의 토크 특성이 개선되고, 비교적 간단한 장치이기 때문에 회전 영역이 넓은 소형 디젤 엔진을 중심으로 널리 사용되고 있다.