슈퍼차저

3. 방식

슈퍼차저는 엔진의 출력축에서 벨트 등으로 동력을 얻거나 전기 모터를 이용하여 압축기를 구동하고, 공기를 압축하여 엔진에 공급하는 보조 장치이다. 압축기의 종류에 따라 원심식, 루츠식, 리쇼름식 등이 있다. 터보차저와 마찬가지로 오일로 윤활되지만, 슈퍼차저는 엔진 오일이 아닌 전용 슈퍼차저 오일로 윤활되며, 엔진 오일의 유지보수가 수명에 영향을 미치지는 않는다.

슈퍼차저는 가스 전달 방식에 따라 크게 '정변위(Positive displacement)' 방식과 '동적(Dynamic)' 방식으로 나뉜다. 정변위 과급기는 모든 엔진 속도에서 거의 일정한 수준의 부스트 압력 증가를 제공하는 반면, 동적 과급기는 특정 한계치를 넘어 엔진 속도가 증가함에 따라 부스트 압력이 기하급수적으로 증가한다.^[4] 동적 과급기는 공기를 고속으로 가속한 다음, 확산 또는 감속시켜 속도를 압력으로 변환하는 방식을 사용하며, 주요 유형은 원심식^[5]과 다단 축류식이 있다.

압축파 과급기(pressure wave supercharger)는 드물게 사용되는 또 다른 종류의 과급기이다. 라이솔름 방식 블로어(회전식 스크류 방식)는 시스템이 특별히 설계된 좁은 범위의 부하/속도/부스트 내에서는 동적 과급기와 거의 비슷한 효율을 낼 수 있다.

배기의 흐름을 동력원으로 이용하는 터보차저와 비교하면 배기가스 정화 성능이 높고, 스로틀(엑셀) 조작에 대한 반응과 중저속에서의 출력 특성이 우수하다.^[38] 한편, 엔진의 출력축에서 동력을 얻는 기계식 슈퍼차저의 경우 소비되는 출력은 슈퍼차저의 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문에^[39] 고회전 영역의 출력이 터보차저에 비해 떨어진다. 이러한 기계식 슈퍼차저의 단점을 보완하기 위해 동력원을 전기 모터로 한 슈퍼차저가 소형 자동차용으로 개발되어 양산되기 시작하고 있다.^[40][41] 그러나 정상 운전 시간이 긴 항공기용이나 산업용 엔진에서는 터보차저가 주류이고, 슈퍼차저는 일부 자동차용 가솔린 엔진에만 채용되고 있다.

3. 1. 원심식 (Centrifugal)

3. 2. 루츠식 (Roots)

3. 3. 리쇼름식 (Lysholm)

3. 4. 스크롤식 (Scroll)

3. 5. 슬라이딩 베인식 (Sliding vane)

3. 6. 레시프로식 (Reciprocating)

4. 터보차저와의 비교

슈퍼차저는 엔진의 출력축에서 동력을 얻어 압축기를 구동하는 반면, 터보차저는 엔진 배기가스를 이용하여 터빈을 구동, 압축기를 구동한다. 슈퍼차저는 스로틀(액셀) 반응이 빠르고 저회전 과급 효과가 높지만, 엔진 효율이 떨어지고 고회전 출력이 낮다. 반면 터보차저는 엔진 효율이 높고 고회전 출력이 높지만, 터보랙(Turbo lag) 현상이 발생할 수 있다.^[38]

슈퍼차저는 엔진의 순 출력과 슈퍼차저 구동에 필요한 출력을 모두 감당해야 한다. 터보차저는 자동차 배기음에 소음 감쇠 특성을 제공하지만, 슈퍼차저 엔진은 자연흡기 엔진의 더 큰 배기음을 낸다.

터보차저 엔진은 흡입 공기의 열 축적이 더 잘 발생하지만, 인터쿨러를 사용하면 이 문제를 극복할 수 있다.

4. 1. 트윈차저 (Twincharger)

5. 항공기에서의 이용

항공기는 공기 농도가 옅은 고공을 비행하기 때문에 과급기가 반드시 필요하다. 슈퍼차저(Supercharger)는 1910년대에 항공기 엔진으로 사용을 시작했다.^[51] 1930년대에는 항공기 엔진용 과급기에 2단 변속 장치가 개발되어 항공기 운용의 유연성을 높였지만, 제조 및 유지보수의 복잡성은 증가했다.

고도가 높아짐에 따라 대기밀도가 감소하기 때문에, 항공기 엔진에서는 종종 과급기와 터보차저가 사용되어 왔다. 예를 들어, 약 9144.00m 고도에서의 공기 밀도는 해수면의 1/3이며, 따라서 자연흡기 엔진에서 연소될 수 있는 연료량도 1/3로 줄어들어 출력이 크게 감소한다.^[32] 과급기는 공기를 압축하여 인위적으로 공기 밀도를 높인다.

과급기는 일반적으로 고고도(공기 밀도가 낮은 곳)에서 특정 부스트량을 생성하도록 설계되기 때문에, 저고도에서는 과급기의 크기가 과도할 수 있다. 과도한 부스트 레벨을 방지하기 위해 저고도에서는 흡기 매니폴드 압력을 모니터링하는 것이 중요하다. 항공기가 상승하고 공기 밀도가 감소함에 따라, 주어진 고도에 대한 최대 안전 출력 레벨을 얻기 위해 스로틀을 점진적으로 열 수 있다. 스로틀이 완전히 열리고 엔진이 여전히 정격 출력을 생성하는 고도를 ''임계 고도''라고 한다. 임계 고도 이상에서는 과급기가 감소하는 공기 밀도를 완전히 보상할 수 없기 때문에 엔진 출력이 감소한다.

저고도에서는 고고도보다 흡입 공기가 더 따뜻하다는 문제가 있다. 더 따뜻한 공기는 특히 과급 또는 터보차저 엔진에서 엔진 노킹이 발생할 수 있는 한계를 낮춘다. 지상에서 흡입 공기를 냉각하는 방법에는 인터쿨러/애프터쿨러, 항폭발제 분사가 있다.

제2차 세계 대전 중의 군용기용 왕복기관은 기본적으로 원심식 과급기에 터보차저가 더해진 형태이다. 영국 전투에서 롤스로이스 머린 엔진으로 구동되는 스핏파이어와 허리케인 전투기는 대부분 1단 단일 속도 과급기를 장착했다.^[28][29] 1942년에는 롤스로이스 머린 61 항공기 엔진에 애프터쿨링이 있는 2단 2속도 과급이 적용되었다.^[30][29]

과급기는 1900년대 중반과 2차 세계 대전 중에 널리 사용되었지만, 현대 피스톤식 항공기에서는 대부분 사용되지 않는다. 이는 고온과 경량 합금으로 인해 터보차저가 과급기보다 효율적이고, 움직이는 부품이 적어 유지보수가 적기 때문이다.^[31]

6. 문제점

슈퍼차저로 공기를 압축하면 온도가 올라가는 문제가 발생한다. 내연 기관에서 흡입되는 공기의 온도는 엔진 성능을 제한하는데, 온도가 너무 높아지면 자연 발화나 노킹 현상이 발생하여 성능이 떨어지고 엔진이 손상될 수 있다.^[6] 이러한 현상은 주변 공기 온도가 높거나 부스트 압력이 높을수록 심해진다.

하지만 옥탄가가 높은 연료는 자연 발화 및 폭발에 더 강하므로, 슈퍼차저의 부스트량을 늘려 엔진 출력을 향상시킬 수 있다. 1930년대 미국에서 개발된 100옥탄 항공 연료는 고성능 항공기 엔진에 더 높은 부스트 압력을 사용할 수 있게 했고, 이는 여러 항공기의 속도 기록을 크게 향상시키는 결과를 가져왔다.

1940년 초, 영국 왕립 공군에 100옥탄 연료가 공급되면서 고옥탄 연료는 군사적으로도 활용되기 시작했다.^[7][8] 제2차 세계 대전 동안 옥탄가를 높이는 것은 항공기 엔진 개발의 핵심 과제였으며, 이후에는 최대 150옥탄 등급의 연료가 개발되기도 했다. 이러한 고옥탄 연료 덕분에 롤스로이스 '머린 66' 및 다임러-벤츠 'DB 605 DC'와 같은 항공기 엔진은 최대 2000hp의 출력을 낼 수 있었다.^{[9][10][11][12]}

참조

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