특허정보/가변용량 터보차저의 특허동향

이번 호에서는 최근 출시되는 디젤엔진 차에 적용되고 있는 가변용량 터보차저의 구조 및 작동원리와 특허 동향에 대해 알아본다. 조사결과 한국, 미국, 일본 3개국 모두 그 출원량이 계속해서 증가하는 추세이고 특히 2000년 이후부터는 급격하게 증가하고 있다. 이는 가변용량 터보차저엔진의 실용화와 함께 실제 장착 차의 출시가 늘어나고 있음 알 수 있다 조영호 「한국특허정보원 조사분석1팀」 터보차저는 비행기 제작회사인 에어리서치사가 최초로 개발했으며 연이어 미국의 라제이사 등이 터보차저를 개발했다. 터보차저가 유명해진 것은 역시 1차대전 중 항공기 엔진에 사용되면서부터였다. 자동차에는 50년대에 미국의 GM사가 최초로 장착했으나 대중화되지 못했고 승용차에 본격적으로 적용된 것은 1974년 BMW가 2002 터보를 시판하면서부터였다. 하지만 터보차저는 현재 트럭, RV, 보트 심지어 모터사이클에 이르기까지 거의 모든 엔진에 적용되고 있다. 그러나 기존의 터보 엔진은 강화된 배기가스 기준에 의한 공해문제와 저속영역에서의 응답성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 차세대 터보엔진인 가변 타입 터보차저가 개발되어 현재 많은 차종에 적용되고 있다. 터보차저의 이해 1. 터보차저(Turbocharger) ▶ 터보차저의 구조 터보차저는 배기가스의 압력에 의해서 고속으로 회전되어 공기를 가압하는 임펠러(impeller), 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는 터빈(turbine), 터빈 축을 지지하는 플로팅 베어링, 과급 압력이 규정 이상으로 상승되는 것을 방지하는 과급 압력 조절기, 과급된 공기를 냉각시키는 인터쿨러, 분사시기를 조절해 노킹이 발생되지 않도록 하는 노킹 방지 장치 등으로 구성되어 있다. - 임펠러(Impeller) 임펠러는 흡입 쪽에 설치된 날개로서 공기를 실린더에 가압시키는 역할을 한다. 디젤 기관의 임펠러는 직선으로 배열된 레이디얼형(radial type, 고속회전에 유리)이 사용되고 가솔린 기관의 임펠러는 나선형(spiral)으로 배열된 백워드형(backward type impeller, 저속회전에도 효율이 좋음)이 사용된다. - 터빈(Turbine) 터빈은 배기 쪽에 설치된 날개로서 배기가스의 압력에 의해 압축기를 회전시켜 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변환시키는 역할을 하며, 터빈의 날개는 레이디얼형(radial type turbine)이 사용된다. 따라서 터빈은 기관의 작동 중에는 배기가스의 온도를 받으며, 고속으로 회전하기 때문에 원심력에 대한 충분한 강성과 내열성이 있어야 한다. 엔진이 작동할 때 각 실린더의 배기 밸브를 통해 배출되는 배기가스는 터빈의 하우징 안에서 바깥 둘레로부터 터빈의 날개와 접촉되어 회전시키고 배기관을 통해 배출된다. 이 때 흡입 쪽에 설치된 임펠러가 동일 축에 설치되어 있기 때문에 회전하게 된다. - 과급 압력 조절기 (Super pressure relief) 과급 압력 조절기는 과급 압력이 규정 값 이상으로 상승되는 것을 방지하는 역할을 한다. 과급 압력을 조절하지 않게 되면 허용 압력 이상으로 상승되어 기관이 파손되므로 과급 압력을 조절해야 한다. 압력을 조절하는 방법으로는 배기가스를 바이패스(by-pass)시키는 방법과 흡입되는 공기를 조절하는 방식이 있다. ▲ 터보차저 래그 (Turbocharger Lag) 부분부하 상태와 정상 운전 중의 터보차저는 공회전 상태이다. 이 경우 흡기 매니폴드 내는 진공 상태가 되며, 배기가스는 거의 터빈을 통과하지 않으므로, 압축기가 너무 느리게 회전해서 흡입 공기를 압축할 수가 없다. 운전자가 더 많은 동력을 발생시키기 위해 가속 페달을 밟을 때 스로틀 밸브가 열리게 된다. 더 많은 공기와 연료가 엔진으로 흡입되어 흡기 매니폴드의 진공 상태는 감소된다. 추가된 혼합기의연소는 배기가스의 흐름을 증가시키게 되어 이것이 압축기가 부스트 공기를 공급할 때까지 터빈과 압축기의 속도를 증가시킨다. 터보차저가 부착된 차들의 많은 운전자들은 터보 래그에 대한 불평을 한다. 이것은 스로틀 밸브가 열리고 터보차저가 추가 동력을 공급할 때까지 느껴지는 지연 시간 때문이다. 터보 래그는 공회전 상태의 터빈이 과급압에 도달하는 데 요구되는 시간이다. 또한 인터쿨러에 소요되는 시간과 흡기관 내가 진공 상태로부터 압력이 존재하는 상태로 되기 위해 공기를 채우는 데 걸리는 시간이 추가된다. 전체의 래그 시간은 0.5초이거나 그 이상일 수 있으며, 이러한 터보래그는 많은 운전자들의 관심을 끄는 부분이다. 타임래그의 부분적 해결 방법은 압축기와 터보 휠과 같은 회전체를 가능한 한 경량화시키는 방법이다. 또 다른 해결 방법은 하나의 큰 부품 대신에 두 개의 작은 터보차저를 사용하는 것이다. 더 작고 가볍게 회전하는 부품들을 이용해 래그<