사람들이 경주용 자동차나 고성능 스포츠카에 대해 이야기할 때 터보차저 보통 올라옵니다. 터보차저는 대형 디젤 엔진에도 나타납니다. 터보는 무게를 크게 늘리지 않고도 엔진의 마력을 크게 높일 수 있으며, 이는 터보를 인기 있게 만드는 큰 이점입니다!
이 기사에서는 터보차저가 극한의 작동 조건에서 살아남으면서 엔진의 출력을 높이는 방법을 배웁니다. 또한 웨이스트게이트, 세라믹 터빈 블레이드 및 볼 베어링이 터보차저의 작업을 더 잘 수행하는 데 어떻게 도움이 되는지 배울 것입니다. 터보차저는 일종의 강제 유도 시스템입니다. . 압축 엔진으로 흐르는 공기(일반 엔진의 공기 흐름에 대한 설명은 자동차 엔진 작동 방식 참조). 공기를 압축하는 것의 장점은 엔진이 실린더에 더 많은 공기를 압축할 수 있게 하고 공기가 많을수록 더 많은 연료를 추가할 수 있다는 것입니다. 따라서 각 실린더의 각 폭발에서 더 많은 힘을 얻습니다. 터보차저 엔진은 충전이 없는 동일한 엔진보다 전반적으로 더 많은 출력을 생성합니다. 이는 엔진의 중량 대비 출력 비율을 크게 향상시킬 수 있습니다(자세한 내용은 마력 작동 방식 참조).
이 부스트를 달성하기 위해 터보차저는 엔진의 배기 흐름을 사용하여 터빈을 회전시킵니다. , 차례로 공기 펌프를 회전시킵니다. . 터보차저의 터빈은 최대 150,000rpm(분당 회전수)의 속도로 회전합니다. 이는 대부분의 자동차 엔진이 작동할 수 있는 것보다 약 30배 빠른 속도입니다. 그리고 배기 가스에 연결되어 있기 때문에 터빈의 온도도 매우 높습니다.
터보차저를 추가할 경우 엔진에서 얼마나 더 많은 출력을 기대할 수 있는지 알아보려면 계속 읽으십시오.
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엔진에서 더 많은 출력을 얻는 가장 확실한 방법 중 하나는 연소할 수 있는 공기와 연료의 양을 늘리는 것입니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 실린더를 추가하거나 현재 실린더를 더 크게 만드는 것입니다. 때때로 이러한 변경은 실현 가능하지 않을 수 있습니다. 특히 애프터마켓 액세서리의 경우 터보가 파워를 추가하는 더 간단하고 컴팩트한 방법일 수 있습니다.
터보차저는 엔진이 기존 실린더에 더 많은 연료와 공기를 태울 수 있도록 합니다. 터보차저가 제공하는 일반적인 부스트는 제곱인치(psi)당 6~8파운드입니다. 정상적인 대기압은 해수면에서 14.7psi이므로 엔진으로 약 50% 더 많은 공기가 유입되고 있음을 알 수 있습니다. 따라서 50% 더 많은 전력을 얻을 것으로 예상됩니다. 완벽하게 효율적이지 않으므로 30~40% 개선을 얻을 수 있습니다. 대신.
비효율의 한 가지 원인 터빈을 돌리는 힘이 공짜가 아니라는 사실에서 온다. 배기 흐름에 터빈이 있으면 배기 가스의 제한이 증가합니다. 이것은 배기 행정에서 엔진이 더 높은 배압에 맞서야 한다는 것을 의미합니다. 이것은 동시에 발사되는 실린더에서 약간의 전력을 뺍니다.
터보차저는 배기 매니폴드에 볼트로 고정되어 있습니다. 엔진의. 실린더의 배기 가스는 터빈을 회전시킵니다. , 가스터빈 엔진처럼 작동합니다. 터빈은 샤프트로 압축기에 연결됩니다. , 에어 필터와 흡기 매니폴드 사이에 있습니다. 압축기는 피스톤으로 들어가는 공기를 가압합니다.
실린더의 배기 가스는 터빈 블레이드를 통과합니다. , 터빈을 회전시킵니다. 블레이드를 통과하는 배기 가스가 많을수록 블레이드가 더 빨리 회전합니다.
터빈이 부착된 샤프트의 다른 쪽 끝에는 압축기 공기를 실린더로 펌핑합니다. 압축기는 일종의 원심 펌프로, 블레이드 중앙에서 공기를 끌어들여 회전하면서 바깥쪽으로 내보냅니다.
최대 150,000rpm의 속도를 처리하려면 터빈 샤프트를 매우 조심스럽게 지지해야 합니다. 대부분의 베어링은 이와 같은 속도로 폭발하므로 대부분의 터보차저는 유체 베어링을 사용합니다. . 이 유형의 베어링은 샤프트 주위에 지속적으로 펌핑되는 얇은 오일 층에서 샤프트를 지지합니다. 이것은 두 가지 용도로 사용됩니다. 샤프트와 일부 다른 터보차저 부품을 냉각시키고 샤프트가 많은 마찰 없이 회전할 수 있도록 합니다.
엔진용 터보차저 설계에는 많은 절충점이 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 타협 중 일부를 살펴보고 성능에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.
너무 많은 부스트?공기가 터보차저에 의해 압력을 받아 실린더로 펌핑된 다음 피스톤에 의해 더 압축되기 때문에(시연을 위해 자동차 엔진 작동 방식 참조) 노크의 위험이 더 커집니다. 노크 공기를 압축하면 공기의 온도가 상승하기 때문에 발생합니다. 점화 플러그가 점화되기 전에 연료를 점화할 만큼 온도가 상승할 수 있습니다. 터보차저가 장착된 자동차는 노크를 피하기 위해 더 높은 옥탄가의 연료로 작동해야 하는 경우가 많습니다. 부스트 압력이 정말 높으면 노킹을 방지하기 위해 엔진 압축비를 줄여야 할 수 있습니다.
터보차저의 주요 문제 중 하나는 가스를 밟았을 때 즉각적인 파워 부스트를 제공하지 않는다는 것입니다. 부스트가 생성되기 전에 터빈이 속도에 도달하는 데 1초가 걸립니다. 그 결과 가속 페달을 밟을 때 렉이 느껴지고 터보가 움직이면 차가 앞으로 돌진합니다.
터보 지연을 줄이는 한 가지 방법은 관성을 줄이는 것입니다. 주로 무게를 줄임으로써 회전 부품의 무게를 줄입니다. 이를 통해 터빈과 압축기가 빠르게 가속되고 더 일찍 부스트를 제공하기 시작할 수 있습니다. 터빈과 압축기의 관성을 줄이는 확실한 방법은 터보차저를 더 작게 만드는 것입니다. 소형 터보차저는 낮은 엔진 속도에서 더 빠르게 부스트를 제공하지만 실제로 많은 양의 공기가 엔진으로 들어갈 때 더 높은 엔진 속도에서 많은 부스트를 제공하지 못할 수 있습니다. 또한 많은 배기 가스가 터빈을 통과할 때 더 높은 엔진 속도에서 너무 빨리 회전할 위험이 있습니다.
대부분의 자동차 터보차저에는 폐기물이 있습니다. , 더 작은 터보차저를 사용하여 지연을 줄이면서 높은 엔진 속도에서 너무 빠르게 회전하는 것을 방지할 수 있습니다. 웨이스트게이트는 배기가스가 터빈 블레이드를 우회하도록 하는 밸브입니다. 웨이스트게이트는 부스트 압력을 감지합니다. 압력이 너무 높아지면 터빈이 너무 빨리 회전하고 있다는 표시일 수 있으므로 웨이스트게이트는 터빈 블레이드 주변의 일부 배기 가스를 우회하여 블레이드가 느려지게 합니다.
일부 터보차저는 볼 베어링을 사용합니다. 터빈 샤프트를 지지하는 유체 베어링 대신. 그러나 이것은 일반 볼 베어링이 아닙니다. 터보차저의 속도와 온도를 처리하기 위해 고급 재료로 만든 초정밀 베어링입니다. 그들은 대부분의 터보 차저에 사용되는 유체 베어링보다 적은 마찰로 터빈 샤프트를 회전시킬 수 있습니다. 또한 약간 더 작고 가벼운 샤프트를 사용할 수 있습니다. 이는 터보차저가 더 빠르게 가속하여 터보 지연을 더욱 줄이는 데 도움이 됩니다.
세라믹 터빈 블레이드 대부분의 터보차저에 사용되는 강철 블레이드보다 가볍습니다. 다시 말하지만, 이를 통해 터빈이 더 빠른 속도로 회전하여 터보 지연이 줄어듭니다.
일부 엔진은 2개의 터보차저를 사용합니다. 다른 크기의. 작은 엔진은 매우 빠르게 속도를 높여 지연을 줄이고, 큰 엔진은 더 높은 엔진 속도에서 더 많은 부스트를 제공합니다.
공기가 압축되면 가열됩니다. 공기가 가열되면 팽창합니다. 따라서 터보차저의 압력 증가 중 일부는 공기가 엔진으로 들어가기 전에 가열된 결과입니다. 엔진의 출력을 높이려면 더 많은 공기압이 아니라 더 많은 공기 분자를 실린더에 넣는 것이 목표입니다.
인터쿨러 또는 충전 공기 냉각기 공기가 인터쿨러의 외부뿐만 아니라 내부를 통과한다는 점을 제외하고는 라디에이터처럼 보이는 추가 구성요소입니다. 흡기 공기는 쿨러 내부의 밀폐된 통로를 통과하고, 외부의 더 차가운 공기는 엔진 냉각 팬에 의해 핀을 통해 날아갑니다.
인터쿨러는 압축기에서 나오는 압축 공기가 엔진으로 들어가기 전에 냉각시켜 엔진의 출력을 더욱 높입니다. 즉, 터보차저가 7psi의 부스트에서 작동하는 경우 인터쿨러 시스템은 따뜻한 공기보다 밀도가 더 높고 공기 분자가 더 많은 7psi의 더 차가운 공기를 넣습니다.
터보차저는 높은 고도에서도 도움이 됩니다. , 공기의 밀도가 낮은 곳. 피스톤이 스트로크할 때마다 엔진이 더 적은 양의 공기를 공급받기 때문에 일반 엔진은 높은 고도에서 출력이 감소합니다. 터보차저 엔진도 출력이 감소할 수 있지만 공기가 얇을수록 터보차저가 펌핑하기 쉽기 때문에 감소가 덜 극적입니다.
기화기가 장착된 구형 자동차는 실린더로 들어가는 증가된 공기 흐름에 맞게 연료 속도를 자동으로 높입니다. 연료 분사 기능이 있는 현대식 자동차도 이 작업을 어느 정도 수행할 것입니다. 연료 분사 시스템은 배기 가스의 산소 센서에 의존하여 공연비가 올바른지 결정하므로 터보가 추가되면 이러한 시스템이 자동으로 연료 흐름을 증가시킵니다.
너무 많은 부스트가 있는 터보차저가 연료 분사식 자동차에 추가되면 시스템이 충분한 연료를 제공하지 못할 수 있습니다. 컨트롤러에 프로그래밍된 소프트웨어가 이를 허용하지 않거나 펌프와 인젝터가 연료를 공급할 수 없습니다. 이 경우 터보차저의 이점을 최대한 활용하려면 다른 수정을 해야 합니다.
최초 발행일:2000년 12월 4일
