분야
hwp2. 과급의 방법
2. 배기 터빈 과급법
3. 하이퍼버 과급법
4. Turbocharger
5. Supercharger
내연기관의 출력향상을 위해서는 단위시간 내에 흡입되는 공기중량을 증가시키는 일이다. 그러기 위해서는 ① 행정체적의 증가, ② 기관 회전수의 증가, ③ 체적효율의 증가, ④ 밀도가 높은 공기의 흡입 등을 고려해야 한다. 그 가운데 ①은 가장 쉽게 선택할 수 있는 방법이나 기관의 체적과 중량이 늘어나므로 되도록 다른 방법을 택함이 좋고, ②는 최근의 가솔린 기관 출력향상에 주로 적용되고 있으나 고속회전 시에는 체적효율이 저하되거나 마찰손실이 증가되므로 한계가 있으며, 또 운동부분의 진동, 소음, 마찰열의 발생, 피스턴이나 배기 밸브의 과열 등의 장애도 일어나 문제시되고 있다.
많은 경우 당면하는 제한은 공기량의 부족에 기인한다. 이것을 보완하기 위한 특별한 압축기를 과급기(super charger)라 하며, 이 과급기로 급기의 밀도를 높여 공급할 때에는 평균 유효압력이 높게 되고 실린더 체적, 회전속도를 높이지 않고도 출력증대를 할 수 있다. 이것을 과급(supercharge)이라 한다.
항공용 가솔린 기관은 상공의 공기밀도 감소와 더불어 출력이 저하되는 것을 방지하기 위해서 사용되나 과급압력이 커지면 노크가 일어나기 때문에 이용하기 어렵고, 디젤기관은 고압으로 연소가 개선되므로 과잉공기를 대량 필요로 하고, 또 회전속도가 낮아 리터 마력이 적은 결점을 해결하는데 과급은 대단히 유효한 수단이며 디젤기관의 고출력화를 위해 널리 응용된다.
2. 과급의 방법
기관의 급기를 증가시켜 출력성능을 향상시키는 데 흡‧배기의 동적 효과를 이용하는 방법과 여기에서 설명하는 압축기, 또는 송풍기, 즉 과급기를 사용하는 방법이 있다. 앞의 경우는 주로 정치, 정속용 기관에 사용되며 그 용도범위도 좁고 과급율도 낮다. 후자는 일반 동력기관이나 차량기관에도 널리 사용되고 과급율도 무과급기관보다 30~80% 높다.
과급기를 구동시키는 데 기관 본체 또는 다른 동력에 의한 기계 과급법(mechanical driven supercharge)과 배기를 가스터빈에 보내 그 출력으로 압축기를 구동하는 배기터빈 과급법(exhaust gas turbine supercharge)이 있다. 그 외에도 최근 개발된 완전히 새로운 과급법으로 하이퍼버 과급법(hyperbar supercharge)이 있다.
1) 기기과급법
과급을 하기 위해 압축기를 V벨트나 기어를 매개로 기관의 크랭크축으로 구동하는 것이며, 압축기는 필연적으로 비교적 낮은 회전속도이며, 과급기에는 루츠과급기, 원심과급기 및 곰프렉스(complex) 과급기가 이용되고 있다.
이 시스템의 이론 P-v선도를 고속 과급 디젤기관을 예로 그림에 나타내고 있는데 펌프일은 면적 1-5-6-7-1이 정의 일이다. 과급기에 의해 급기가 단열적으로 압축되면 급기압축 일은 면적 1‘-9-8-1-1’로 표시된다. 면적 1-5-6-7-1은 펌프일로 회수되고 손실 일은 2개의 빗금친 면적1‘-5-1-1’와 6-7-8-9-6의 합이 된다. 따라서 과급기의 지압선도로는 굵은 선인 1-2-3‘-3-4-5-6-7-1의 경로를 가지게 된다.
⑴ 루츠형 과급기
루츠형 과급기는 자동차용 과급기로 또는 2사이클 기관의 소기압축기로 널ㄹ l사용되고 있다. 그림과 괕이 2개 또는 3개의 로터(rotor)를 케이싱 안에서 서로 반대방향으로 회전시켜 흡입구에서 소출구까지 체적이동을 시키는 것이며, 작동원리는 기어펌프와 비슷하다. 2개의 로터는 케이싱 벽이나 상호간에 0.3~0.5mm 정도의 틈이 있어 직접 접촉은 되지 않는다. 회전수는 기관회전수의 1.4~2.0배의 속도로 회전하며 P2/P1 가 적을 때는 그 효율이 80%까지 올라가지만 2/1정도로 높아지면 50~60%로 떨어진다.
루츠형은 기관회전수의 변화에 따라 송풍량이 변하므로, 자동차용으로 적합하지만 높은 압력비를 얻을 수 없고 소음이 큰 결점이 있다.
⑵ 원심 과급기
원심 과급기는 원판에 몇 장의 직선 또는 곡선상의 깃(vane or blade)을 방사상으로 붙인 임펠러(impeller or vaned rotor)를 케이싱 내에서 회전시켜 임펠러의 중앙에서 축방향으로 유입되는 공기를 원심력으로 송출하는 선풍기이다. 원심과급기는 최근 현저하게 발달되어 개량된 많은 신형이 생산되고 있다. 소형 ‧ 경량이 특징이며 또 배기가스터빈으로도 구동이 가능하기 때문에 대형선박기관에서 소형동력이나 차량기관까지 널리 사용되고 있다.
⑶ 콤프렉스 과급기
콤프렉스 과급기는 기관에 의해 구동되는 일종의 압력 교환기(pressure exchanger)로 비정상류를 이용한 고압가스(배기가스)가 가진 압력에너지를 같은 로터 내에 있는 저압가스(신기)에 전달시켜 압력을 상승시킨 다음 실린더 내에 압송하는 과급기이다. 이 원리는 1950년 스위스의 BBC(Brown Boveri Co.)에서 개발되어 그 후 Berchtold 등에 의해 연구되어 오늘에 이르렀는데, 아래 그림은 콤프렉스 과급기의 단면도로 크랭크축에 의해서 구동되며, 소비동력은 기관출력의 1~1.5%로 보고 있다. 체적과 무게가 다 같이 크고 소음이 발생되는 결점도 지적되고 있다.
