과급기의 종류 및 특성

1. 개요

과급: 일정한 체적의 실린더에 밀도가 큰 공기를 압송 및 충진하여 공기의 중량을 증가시키고 평균 유효압력을 상승시킴으로써 출력을 증가하는 방법이다.

 

2. 과급기의 원리

완전한 연소를 위하여서는 연료의 분무화, 관통력, 무화가 적절하게 이루어져야 함

엔진은 혼합기(연료 + 공기)를 많이 공급할수록 출력이 증가한다.

과급기는 엔진의 출력을 증가시키기 위하여, 공기를 강제적으로 빨아들여서 일반적인 대기압 이상의 압력으로 엔진에 공기를 공급하는 장치이다. 즉 실린더 밖에서 공기를 미리 압축시켜서 실린더 내부로 많은 공기를 강제적으로 공급시키는 원리이다.

자연흡기 엔진은 허용 가능한 혼합기의 양이 한정되어 있으므로 최대한 개선하여도 배기량의 90% 정도의 혼합기 양만을 받아들일 수 있으므로 이를 개선하기 위하여 과급기를 부착한다.

 

3. 과급기의 종류 및 특징

(1) 기계식 과급(Super Charger)

• 기관에 크랭크 축의 종속치차를 통해 구동
• 실린더 내 연소량은 실린더 내 흡입공기량에 좌우되므로 압력이 있는 다량의 공기를 공급하면 그 양에 대비하는 연료를 연소한다.
• 열효율이 우수해지고, 평균 유효압력이 상승하므로 동일한 기관(회전수, 실린더 크기, 실린더 수)에 비해 출력이 증가된다.
• 기관의 부하가 적을 때는 전자클러치를 off하여 연비향상, 부하가 증가하면 전자클러치를 on 하여 출력을 향상.
• 저속에서도 큰 출력을 발휘한다.

(2) 배기가스 터빈 과급(Turbo Charger)

배기 터빈 과급기(Waste Turbo Charger)

• 배기가스에 의해 임펠러를 구동하여, 다른 임펠러로 과급하여 실린더 내에서 연소한 가스를 소기할 뿐만 아니라, 더 큰 밀도의 공기를 실린더에 공급하여 공기 흡입량을 35~45% 증가시켜, 산소를 충분히 공급한다.
• 과급은 기관의 중요치수는 그대로 두고, 평균 유효압력을 높이는 것이 유리하다.
• 1사이클 중에 연소할 수 있는 연료량은 흡입공기량에 좌우되므로 많은 연료를 연소시키려면 밀도를 높인 과급기를 통해 과급기압(0.3kg/cm2g)으로 실린더에 보내 마력을 30~100% 증가
• 기관의 기계적 손실이 없고, 기관의 부하 증감에 따라 배기에너지가 변화하여 과급량 자동 조절 되는 것이 특징

(3) 원심식 회전 펌프: 독립된 전동기로 과급기를 구동하여 과급

 

(4) 인터쿨러(Inter Cooler)

임펠러에 의해 흡입된 공기가 온도가 상승하면 공기밀도가 감소하여 노킹이 발생하거나, 충전효율이 저하되므로 이를 방지하기 위해 임펠러와 흡기다기관 사이 과급공기를 냉각하여 이를 방지하기 위해 구성된다.

 

공랭식 인터쿨러

• 냉각팬에 의해 공급되는 공기로 과급공기를 냉각
• 수랭식에 비해 구조 간단하나, 효율은 낮음
• 주행 속도에 따라 효율이 다르므로 터보엔진 장착 차량에 사용

수랭식

• Radiator 의 냉각수를 순환하여 과급공기 냉각
• 흡입공기온도가 200도씨 이상인 경우 80~90도씨의 냉각수로 냉각시킴과 동시에 냉각팬에 의해 공급되는 공기를 이용한 공랭식을 겸함
• 공랙식에 비해 구조는 복잡하나 저속에서도 효율이 우수

구성

• 임펠러: 흡입 측 날개로 공기를 실린더에 가압한다.
• 터빈: 배기 측 날개로 배기가스의 압력에 의해 압축기를 회전시켜 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환한다.
• 플로팅 베어링: 1000~15000rpm 정도로 회전하는 터빈 축을 지지한다.
• 과급 압력 조절기: 규정 값 이상의 과급압의 상승을 방지한다.
• 인터쿨러: 임펠러와 흡기다관 사이에 설치되어 과급된 공기를 냉각하여 공기의 밀도를 높인다.

효과

• 출력 증가
• 연료 소비율 향상
• 냉각손실 우수
• 압축온도 상승

(5) 과급의 특징

 

장점

• 최고압력과 온도를 높이지 않고, 기관의 출력증가
• 배기 소음 효과
• 구조 간단, 신뢰성 풍부
• 연소효과 우수, 기계 효율 향상
• 완전연소에 따른 연료 소비량 감소
• 마력당 중량 감소
• 매연 감소

무과급기관과의 비교

• 동일 용량 기관에서 과급률에 따라 정미 평균 유효압력과 출력이 우수
• 연료 소비율이 적고, 기계 효율 향상
• 최고 압력은 과급률에 따라 상승
• 연소성이 우수하여 저질 연료도 사용이 쉬움
• 연소연료와 공기의 비율이 일정
• 윤활유 소비량은 동일하나, 출력 효율이 우수하여 기관 마력당 윤활유 소비량은 감소
• 기관의 시동성이 낮음
• 저부하 시 연소성 불량
• 과급기로 인한 고장, 보수, 취급성 발생
• 배기터빈 과급기는 배기소음 효과

4. 과급기 고장 발생 원인

• 피스톤 헤드부 온도상승
• 비틀림 진동의 발생
• 급배기 밸브의 겹침

5. 결론

• 과급기에 의해 압축된 공기는 180도씨 정도까지 온도가 상승하면 팽창을 하며 산소밀도는 점점 낮아지고, 따라서 체적효율이 떨어진다.
• 체적효율, 즉 출력을 향상시키기 위해서는 압축된 공기를 실린더에 공급하기 전에 인터쿨러에서 냉각수 또는 외부 공기를 이용해 냉각시키면 체적효율, 즉 출력을 향상시킬 수 있다.
• 인터쿨러는 과급된 공기를 신속하게 냉각시키는 역할을 하며, 임펠러 회전에 의해서 과급된 공기는 온도가 상승함과 동시에 밀도가 감소하여 노킹이발생하거나 충전효율이 저하된다.
• 따라서 이러한 현상을 방지하기 위해서 인터쿨러는 라디에이터와 비슷한 구조로 설계하며, 냉각방식에는 주행 중에 외부에서 불어오는 공기로 냉각시키는 공랭식과 냉각수를 이용하여 냉각시키는 수랭식이 있다.