[논문]트윈 스크롤 터보과급기에서 정상유동의 터빈 효율 분석

정진은; 전세훈

doi:10.5762/kais.2020.21.11.765

트윈 스크롤 터보과급기에서 정상유동의 터빈 효율 분석
Turbine Efficiency Analysis of Steady Flow in a Twin Scroll Turbocharger 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.765 - 770

정진은 (한국기술교육대학교 기계공학부) , 전세훈 (한국기술교육대학교 대학원 기계공학과)

초록
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터보과급기는 엔진에 장착하여 연비를 개선하는 효과적인 장치로 디젤엔진과 가솔린엔진 모두에서 광범위하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 승용차용 가솔린엔진에 장착되는 트윈 스크롤 터빈 터보과급기에서 정상유동의 등엔트로피 터빈 효율을 분석하였다. 자체 설계 제작한 저온 테스트 벤치를 사용하여 정상상태의 압력과 온도, 질량유량을 측정하였다. 테스트 벤치는 공기 압축기, 트윈 스크롤 터빈, 온도 및 압력 측정장치 등으로 구성되었다. 실제 승용차용 엔진에서 주로 사용되는 중저속 엔진 작동 영역에 해당하는 터보과급기 회전속도 60,000 rpm에서 100,000 rpm 의 범위에서 측정을 수행하였다. 이 회전속도 범위에서 등엔트로피 터빈 효율은 0.53에서 0.57의 값을 보였다. 이때 블레이드 속도비은 0.71에서 0.84까지, 팽창비는 1.24에서 1.72의 범위에서 변화하였다. 효율은 블레이드 속도비와 팽창비가 증가하면서 감소하는 경향을 보였다. 그리고 트윈 스크롤 중 스크롤 A 또는 B 만 작동하는 경우에 대한 실험을 수행하여 결과를 스크롤 A와 B 모두 작동할 때와 비교하였다. 60,000 rpm에서는 스크롤 B를 사용한 경우, 그리고 100,000 rpm에서는 스크롤 A를 사용한 경우 높은 효율을 보였다. 따라서 본 연구에 사용한 트윈 스크롤 터빈은 효율적으로 작동하고 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The turbochargers used widely in diesel and gasoline engines are effective devices to reduce fuel consumption and emissions. In this study, the isentropic turbine efficiency of the steady flow in a twin-scroll turbocharger for the passenger vehicle gasoline engine was analyzed. The cold gas test bench was designed and made. The pressure and temperature of the inlet and exit of the turbine were measured at 60,000, 70,000, 90,000, and 100,000rpm under the steady-state flow. The isentropic turbine efficiency was calculated. The efficiency was the range of 0.53 to 0.57. The BSR and expansion ratio were changed from 0.71 to 0.84 and from 1.24 to 1.72, respectively. The isentropic turbine efficiency decreased with increasing BSR and expansion ratio. The operation of only scroll A or B was compared with that of the twin-scroll turbine. The isentropic efficiency of using only scroll B was higher than those of only scroll A at 60,000rpm. The isentropic efficiency of using only scroll A was higher than those of only scroll B at 100,000rpm. Therefore, the twin-scroll turbine used in this study is operating effectively in the wide speed range.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Twin scroll turbocharger
그림 Fig. 2. Schematic of experimental apparatus
표 Table 1. Specifications of sensors
표 Table 2. Experimental conditions
표 Table 3. Turbocharger speeds and compressor pressure ratio
그림 Fig. 3. Photos of twin scroll and single scroll
그림 Fig. 4. Isentropic efficiency of twin scroll turbine according to the blade speed ratio
그림 Fig. 5. Isentropic efficiency of twin scroll turbine according to expansion ratio
그림 Fig. 6. Comparison of isentropic efficiencies of twin scroll and single scroll turbine according to the blade speed ratio
그림 Fig. 7. Comparison of isentropic efficiencies of twin scroll and single scroll turbine according to expansion ratio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실제 차량의 주로 사용되는 중저속 엔진 작동 구간에 해당하는, 터보과급기 회전속도 60,000 rpm에서 100,000 rpm의 범위에서 트윈 스크롤 터보과급기의 성능을 평가하기 위한 테스트 벤치를 제작하였다. 이를 이용하여 정상 상태에서 터빈의 등엔트로피 효율을 측정하고 분석하였다.

제안 방법

1) 트윈 스크롤 터보과급기의 성능을 측정할 수 있는 테스트 벤치를 설계 제작하였다.
4) 트윈 스크롤 중 하나의 스크롤 만을 사용하여 실험을 진행하여 등엔트로피 터빈 효율을 산출하고 트윈 스크롤을 사용하는 터보과급기의 결과와 비교하였다. 스크롤 A는 100,000 rpm에서 높은 효율을 보였고, 스크롤 B는 60,000 rpm에서 높은 효율을 보여 트윈 스크롤 터보과급기에서는 넓은 회전 속도 영역에서 좋은 효율을 보이고 있다.
Fig. 3.과 같이 트윈 스크롤의 경우 밸브를 모두 개방하고 터빈 양측으로 압축 공기를 공급하면서 실험을 진행하였고, 싱글 스크롤의 경우 한쪽의 관을 순차적으로 닫고 각각 스크롤에 대한 실험을 수행하였다.
실험은 저속 영역을 대표하는 60,000 rpm과 70,000 rpm을 선정하였고, 저속에서 중속으로 넘어가는 영역을 고려하여 90,000 rpm과 100,000 rpm을 선정하였다. Table 3.와 같이 각각 터보과급기의 회전수를 고정하고 목표로 잡은 압축기 압력비의 최소, 최대 범위 내에서 압력비를 변경하며 실험을 수행하였다.
본 연구에 사용된 트윈 스크롤 터보과급기에 대하여 터빈 스크롤 A와 B의 입구 압력, 온도, 질량 유량률을 측정한다.
본 연구에서는 볼 베어링이 적용된 2.0 L 가솔린 엔진용 트윈 스크롤 터보과급기를 대상으로 Waste-gate는 완전히 닫힌 상태에서 냉각수는 사용하는 않고 실험을 진행하였다. 실험 조건은 다음 Table 2.
2. 와 같이 공기 압축기(air compressor), 터빈 A 스크롤과 B 스크롤, 터빈부 측정 장치, 압축기 부 측정 장치로 구성되며 각각의 입구와 출구에 압력, 온도 센서들을 장착하였다. Table 1.
따라서 저속 구간에서의 터빈 한계 성능 및 마찰 성능에 대한 평가가 불가능하다[7,8]. 이러한 관점에서 본 연구에서는 터빈 한계 성능 및 마찰 성능 관점에서 중요한 저속 구간에 대하여 저온 가스 실험(cold gas test) 방법을 활용하여 열전달의 영향을 최소화하면서 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 실제 차량의 주로 사용되는 중저속 엔진 작동 구간에 해당하는, 터보과급기 회전속도 60,000 rpm에서 100,000 rpm의 범위에서 트윈 스크롤 터보과급기의 성능을 평가하기 위한 테스트 벤치를 제작하였다. 이를 이용하여 정상 상태에서 터빈의 등엔트로피 효율을 측정하고 분석하였다.
제어를 통해 목표 압축기 회전수를 도달하도록 터빈공급 유량을 조절하였다. 이때 압축 배압 밸브를 조절하여 압축기의 압축비를 변화시켰다.
트원 스크롤 터보과급기의 성능을 측정하기 위한 테스트 벤치를 설계 제작하고 정상 유동에서 터빈에 들어가는 압력과 온도, 질량유량을 측정하고 등엔트로피 터빈 효율을 산출하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

이때 압축 배압 밸브를 조절하여 압축기의 압축비를 변화시켰다. 압축비가 작은 오차 내에서 고정될 때 터빈과 압축기에 대한 데이터를 수집하였다.

성능/효과

2) 승용차용 엔진에서 주로 사용되는 터보과급기 회전 속도 60,000 rpm에서 100,000 rpm 까지의 영역에서 트윈 스크롤 터보과급기의 등엔트로피 터빈 효율을 산출하였다.
3) 트윈 스크롤 터보과급기의 효율은 0.53에서 0.57의 값을 보였다. 이때 블레이드 속도비가 0.
이러한 결과는 터빈의 등엔트로피 효율 감소와도 연계된다. 60,000 rpm에서 스크롤 B를 사용한 과급기의 효율이 스크롤 A를 사용한 효율에 비해 4.6%까지 높은 값을 보이나, 회전수가 증가함에 따라 이 값은 감소하다가 100,000 rpm에서는 스크롤 A를 사용한 과급기의 효율이 스크롤 B를 사용한 경우 효율과 비교하여 1.4%까지 높아지는 결과를 보이고 있다. 이것은 터빈 하우징 내부의 볼류트(volute) 형상의 차이와 이에 따른 유체의 터빈 블레이드 진입 각도 및 위치 차이 등으로 인해 스크롤 A와 B의 팽창비 및 효율의 차이가 발생하기 때문이다.
이것은 터빈 하우징 내부의 볼류트(volute) 형상의 차이와 이에 따른 유체의 터빈 블레이드 진입 각도 및 위치 차이 등으로 인해 스크롤 A와 B의 팽창비 및 효율의 차이가 발생하기 때문이다. 따라서 스크롤 A는 고속 회전에서 높은 효율을, 스크롤 B는 저속 회전에서 높은 효율을 갖도록 설계되어, 스크롤 A와 B를 동시에 사용하는 트윈 스크롤 터빈을 사용하는 터보과급기는 높은 효율을 얻을 수 있음을 보이고 있다.
그러므로 싱글 스크롤(single scroll) 터보과급기에 비해 터보 래그(turbo lag) 현상이 감소하며, 관로의 단면적을 축소하여 엔진의 저속 영역에서 배기 가스의 유속을 증가시켜 반응성이 좋다. 따라서 응답 성능을 개선하여 저속에서 고속까지 넓은 운전 영역에서 토크 증대를 실현하므로 연비가 개선되고 유해배출물이 저감되는 결과를 보이고 있다.

후속연구

5) 본 연구를 통해 개발된 장치는 트윈 스크롤 터보과급기 성능 평가 시스템에 사용될 것이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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