트윈터보(Twin turbo)에 대하여<명준 Turbo ATD>

트윈터보(Twin turbo)는 터보차저 2개의 작동방식에 대한 이야기입니다. 

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중국산, 모조터보,중고터보는 취급하지 않습니다.

 

트윈 터보차저의 사용은 효율성과 엔진모양의 문제입니다.

 

일반적으로 작은 엔진은 당연히 2개의 터보를 효율적으로 구동하기에 충분한 배기가스를 생성하지 않기 때문에 단일 터보를 사용하는 것이 더 좋습니다.  

대형 엔진의 경우 대형 터보차저 1개 대신 소형 터보차저 2개를 사용하는 것은 소형 터보차저가 터보랙 적기 때문에 부드러운 출력상승이 이루어지므로 고급승용차의 경우 승차감에 미치는 영향이 큽니다.

 

*하지만 최근에는 이런 상식이 터보차저와 제어기술의 발달로 많이 무너지는 경향입니다.

 

터보차저가 본격적으로 자동차에 도입이 된 초창기 1998년 스바루는 2.0 리터 복서 엔진에 트윈 터보를 사용했습니다. 반면에 다른 많은 자동차 제조업체들은 2.5 리터 이상의 배기량으로 트윈터보를 사용했습니다.  

터보차저의 기술이 발전함에 따라 오늘날의 터보차저는 과거보다 훨씬 낮은 관성 및 터보 지연(터보랙)을 구현합니다. 결과적으로 단일 및 트윈 터보 사이의 사용되는 배기량의 임계값도 거의 무의미해지고 있습니다.  

예를 들어, BMW는 2009년에 직렬 6기통 3.0 리터엔진은 트윈 터보(N54)에서 단일 터보(N55)로 변경했습니다.

  최고출력과 토크값이 조금 변화가 있지만 엔진 응답성이 저하되지 않았습니다. 그러나 M과 같은 고성능 버전의 경우 BMW는 여전히 필요한 마력을 제공하기 위해 트윈 터보를 계속 사용합니다.

 

엔진모양에 따라 트윈 터보의 사용이 어쩔수 없는 경향이 있습니다.  

V 형 및 복서 엔진의 경우 모든 실린더를 단일 터보 차저에 연결하는 것이 골칫덩이가 될 수 있습니다. 트윈 터보는 쉽게 문제를 피할 수 있습니다. 하나의 터보는 오직 하나의 실린더 뱅크만을 제공해야하기 때문에 한쪽면의 뱅크에 가깝게 배치 될 수 있습니다. 결과적으로 터보라인을 크게 단축 할 수 있어 엔진설계시 많은 공간을 절약 할 수 있습니다. 또한, 짧은 터보라인은 터보 지연을 줄입니다. 따라서 거의 모든 V 형 및 복서 엔진은 트윈 터보 엔진을 채용하고 있습니다.

 

*디젤엔진의 경우 V형엔진임에도 불구하고 엔진상단의 가운데 대형터보차저 1개를 장착하는 경우가 있습니다.(벤츠, 아우디계열등)

 

이런 형태는 단점이 많지만 엔진공간을 줄이는 역할을 합니다. 더우기 디젤엔진의 경우 가솔린엔진에 비해 엔진블록이 크며 EGR등 부수적으로 장착이 되는 부품이 많기 때문입니다.

 

  트윈터보 배열에는 병렬, 순차 및 2단계 가변 트윈터보의 기본 3 가지 유형이 있습니다.

 

1. 병렬 트윈 터보(Parallel Twin-turbo)

 

가장 단순한 트윈 터보 배열은 병렬 트윈 터보입니다. 두 터보는 동시에 독립적으로 작동합니다. 시장에 나와있는 대부분의 트윈 터보는 이 유형입니다.

 

V형엔진 병렬 트윈 터보

 

 

직렬엔진 병렬 트윈 터보

 

BMW의 N54 트윈 터보 스트레이트6은 3 개의 인접한 실린더에 의해 공급되는 각각의 터보를 가지고 있습니다. 두 터보의 압축 가스는 6 개의 실린더에 모두 연결됩니다. 그것은 마세라티 디자인과 본질적으로 동일하며, 곧바로 엔진에 적용됩니다.

 

 

2. 순차 트윈 터보(Sequential Twin-turbo)

 

터보 지연을 줄이기 위해 일부 제조업체는 순차 트윈 터보를 선택합니다. 낮은 엔진 속도에서 모든 제한된 양의 배기 가스가 터보 중 하나를 주행하도록 유도되어 다른 유휴 시간을 남겨 둡니다. 따라서 첫 번째 터보가 더 빠르게 스풀링 될 수 있습니다. 배기 흐름이 두 터보 모두를 구동하기에 충분한 양에 도달하면 두 번째 터보가 개입하여 최대 부스트 압력에 도달하는 데 도움이 됩니다. 전환은 엔진 관리 시스템에 의해 제어되는 바이 패스 밸브에 의해 구현됩니다.

 

 

순차 트윈 터보는 두 개의 터보가 모든 실린더에 연결되어야하므로 매우 복잡한 파이프 연결이 필요합니다.

  많은 공간을 차지할뿐만 아니라 긴 파이프라인등 구조의 복잡성으로 인해 복서형엔진외에는 사용을 하지 않다가 랜드로버가 다시 3.0과 4.4디젤엔진에 사용을 하게 됩니다. 

 

3. 2 단계 가변 트윈 터보(2-Stage Variable Twin-turbo)

 

최근에 이르러 터보지연(TURBO LAG)문제는 저관성 소형터빈이나 트윈스크롤터보와 같은 기술 덕분에 가솔린 엔진에서는 대부분 해결되었습니다.  

 

그러나 디젤 엔진은 또 다른 문제입니다.  

디젤엔진은 가솔린 엔진에 필적하는 동력을 생산할 수 있지만 더 높은 과급 압력을 필요로 하므로 가솔린엔진보보다 큰 터보차저가 필요합니다.  

큰 터보가 터보지연을 초래한다는 것은 말할 필요도 없습니다. 더욱이 디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 훨씬 낮은 rpm에서 작동하는 경향이 있습니다.

이는 낮은 rpm에서 터보에 공급할 배기 가스가 적다는 것을 의미합니다. 결과적으로 터보 지연 문제는 더욱 악화됩니다.

 

이런 문제를 해결하기 위해 엔지니어는 디젤 엔진용으로보다 정교한 트윈 터보 엔진을 개발한 배경이 되며 해결책으로 나온것이 2 단계 가변 트윈 터보입니다.

 

2 단 변속 트윈 터보는 2004 년 BMW 535d에서 최초로 생산되었습니다. 이 시스템은 BorgWarner에 의해 개발되었지만 Garrett-Honeywell과 같은 다른 제조업체들도 나중에 중요성을 알고 개별합니다.

 

아래사진에서 보면  

535d의 터보 시스템은 매우 콤팩트하며 직렬 6기통엔진의 폭을 많이 차지하지 않으면서 효율적으로 부스트를 확보합니다.  

두 터보 사이를 연결하는 파이프가 매우 짧다는 장점이 있습니다.

또한 엔진출력이 단일터보를 사용하는 530d 보다 출력이 윌등하면서도 1500rpm에서 부터 최대 토크를 발생시킴으로서 응답성(빠른 스풀 상승)이 매우 뛰어납니다.

 

다른 트윈 터보 시스템과는 달리, 2 단계 가변 트윈 터보는 크기가 다른 터보를 사용합니다.

낮은 rpm의 스풀 업과 작은 터보의 빠른 회전을 위한 1차터보는 더 높은 회전수를 처리합니다. 1차터보에서 밀어올린 압력이 또 다른 2차터보 (그러므로, "2 - 단계")에 의해 더 밀어올리도록 두 터보가 연결이 됩니다. 

 

(작동방식)

1800 rpm 미만:

배출 플랩이 닫힙니다. 모든 배기 가스가 이 단계에서 모든 과급 압력을 제공하는 소형 터보를 구동합니다. 대형 터보는 공회전하고 압축에 기여하지 않습니다.

 

1800 ~ 3000 rpm:  

대형 터보가 이제 작동하게 되어 두 터보가 함께 작동합니다. 부하에 따라 배기 플랩이 점점 열리고 양쪽 터보에 배기가스가 공급됩니다.

대형터보는 공기를 미리 압축하여 인터쿨러에서 냉각시키고 작은 터보에서 높은 부스트 압력으로 상승시킵니다.  

큰 터보의 후원 압력은 여전히 작은 터보의 후원 압력보다 낮기 때문에 체크 밸브는 닫힌 채로 남아 있습니다.

 

 

3000 rpm 이상:  

큰 터보만이 공기를 압축합니다. 작은 터보보다 더 많은 공기를 통과 할 수 있기 때문입니다. 배기 플랩은 이제 완전히 열리고 전체 배기 가스는 최대 터보를 통과하여 최대의 부스트를 생성합니다.  

체크 밸브는 대형 터보의 가스 흐름에 의해 열립니다.  작은 터보는 우회합니다.

 

4. 트윈 스크롤 터보(Twin-scroll turbo)

 싱글터보이지만 트윈터보처럼 작동합니다.

 

트윈 스크롤 터보개념을 처음 사용한 차종은 1989년 Mazda RX-7 Mk2입니다. 

트윈스크롤터보는 4 기통과 6 기통 엔진에서만 사용이 됩니다.  

BMW는 아마도 이 기술을 가장 많이 사용한 제조사입니다.  

1.6 리터 미니 엔진 , 2.0 리터 4 기통 가솔린엔진, 3.0 리터 N55 직렬 6기통, 그리고 4.4 리터 V8 엔진에 트윈 스크롤 터보를 사용했습니다.

 

트윈 스크롤 터보을 사용하는 이유는 빠른 응답과 높은 효율입니다.  

종래의 단일 터보 배열은 배기터빈과 모든 배기매니폴드를 동시에 연결하지만, 트윈스크롤터보는 2 개의 분리된 경로로 분할이 되어 있습니다.

 

예를 들면 일반적인 4 기통 엔진에서 실린더 1과 4는 한 경로에 결합되고 실린더 2와 3은 다른 경로에 결합됩니다. 2 개의 배기 흐름은 터빈 블레이드와 부딪치며, 터빈 하우징과 일체로 된 벽에 의해 분리되기 때문에 독립적으로 터빈 블레이드에 충돌한다. 이것은 2 개의 배기 흐름이 서로 간섭하는 것을 방지하게 되는 역할을 합니다.

 

 웨스트게이트의 배출부분이 2개의 구멍이 있는 트윈스크롤터보

 배기가스의 간섭을 피하는 것이 왜 그렇게 중요하나면

 

아래그림을 보면  

한 실린더의 일반적인 배기 펄스를 보여줍니다. 배기 밸브가 열리면 고온의 배기 가스가 연소실에서 빠져 나와 고압 펄스가 발생합니다. 맥박은 빠르게 빠져 나가고 압력도 빠르게 떨어집니다. 펄스의 끝부분 꼬리는 부압(대기압보다 낮음)이 발생합니다. "오버랩"기간 동안 흡기 밸브가 열리면 압력이 다시 감소합니다. 마지막으로 배기 밸브가 닫히고 배기매니폴드의 압력이 안정화됩니다.

 

 

위의 그림은  한 실린더의 경우에 한정된 그림입니다.

이제 4 기통 엔진이 있다고 가정 해 봅시다. 모든 실린더의 배기 펄스를 합치면 다음과 같이 많은 간섭을 발견 할 수 있습니다.

특히, 각각의 양의 펄스는 부분적으로 겹침 기간으로 인한 음압에 의해 상쇄가 되고  결과적으로 펄스의 강도가 감소되고, 터빈은 스풀 업에보다 긴 시간이 걸리게 됩니다.이다. 따라서 이러한 간섭은 터보 차저의 응답에 좋지 않습니다.

    

따라서 

 실린더 1 + 4의 배기 가스를 실린더 2 + 3에서 분리하기 위해 트윈 스크롤 터보차저를 사용하면 간섭이 거의없는 두 개의 펄스 스트림을 얻을 수 있습니다.

결과적으로, 펄스는 강하고 터빈 스풀업을 일찍 얻을수 있습니다.

 

간섭이 없기 때문에 일반적인 터보에서는 불가능한 더 큰 밸브 오버랩을 사용할 수 있습니다. 밸브 오버랩이 커지면 더 나은 청소 효과가 나타납니다. 흡입 밸브와 배기 밸브가 모두 열리면 배기 흐름이 신선한 공기를 연소실로 흡입하고 잔류 배기 가스를 제거하는 데 도움이됩니다. 따라서 연소실은 차가운 "고품질의"공기로 채워지고 체적 효율을 향상시킵니다.

 

 

5. 크로스 뱅크 터보차징(Cross-bank turbocharging )

 병렬형터보차저의 효율성을 높이기 위해 흡기매니폴더를 새로운 관점에서 설계를 한 형식   

 

2008년에 BMW는 코드명 N62의 새로운 트윈 터보 V8을 출시했습니다.  

이 엔진은 통상적인 생각과는 다르게 비정상적인 흡배기 배열을 가지고 있습니다. 뜨거운 배기매니폴드가 V-valley 안쪽에 있고 흡기매니폴드는 양쪽에 있습니다. 이러한 배치는 엔지니어가 단열 및 냉각 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울여야합니다(문제가 사실 많이 발생...).

 

엔진폭 보다 콤팩트하게 만드는 장점이 있습니다. 그러나 급진적인 변화의 주된 이유는 간결함이 아닌 새로운 크로스 - 뱅크 터보 차징 기술과의 호환성입니다.

 

   

사진참조  

비통상적으로, BMW V8은 배기매니폴드와 트윈터보가 엔진의 V-valley 안쪽에 장착

배기 매니 폴드는 작지만 정교합니다. 터보가 쌍둥이 트윈스크롤

 

배기 매니 폴드 연결 그림 :

   

실린더 1과 6은 제 1 트윈 - 스크롤 터보의 스크롤 중 하나에 연결, 다른 스크롤은 실린더 4와 7에 연결됩니다.

실린더 (2, 8)는 제 2 트윈 - 스크롤 터보의 스크롤 중 하나에 연결, 다른 스크롤은 실린더 3과 5에 연결됩니다.

 

각 터보는 기존의 트윈 터보와 달리 두 실린더 뱅크에 의해 공급됩니다. Cross-bank turbocharging 라고 부르는 이유입니다. 

또한 배기 매니 폴드와 터보차저가 V-valley 내부에 위치해야하는 이유이기도 합니다. 엔진 외부에 장착 된 경우 크로스 뱅크 배기매니폴드는 너무 길고 복잡하기 때문에 엔진무게가 증가할 뿐 아니라 터보랙이 발생합니다.  

 

일반적인 V8 엔진의 분사 순서는 1 - 5 - 4 - 8 - 6 - 3 - 7 - 2입니다. 모든 실린더의 배기가스를 합치면 다음과 같은 펄스 열이 생깁니다.  

아래 그림처럼 많은 간섭을 보여줍니다. 각 펄스는 선행 펄스의 음의 꼬리에 의해 부분적으로 오프셋됩니다. 이는 결과 펄스의 강도를 감소시켜 터보 응답을 방해합니다.

 

 

V8 엔진에 단일 터보 차저를 장착하지 않으므로 위의 그래프는 비현실적입니다. 공정한 비교는 트윈터보 장치에 대해 이루어져야합니다.

이 경우 실린더 1, 2, 3 및 4는 동일한 터보 차저에 연결됩니다. 결과 펄스열은 다음과 같습니다.

 

위에서 두 가지 문제를 볼 수 있습니다 : 

1) 펄스 1과 4, 펄스 3과 2는 물론 펄스 2와 1 사이에도 여전히 많은 간섭이 있습니다. 펄스 3과 4만이 간섭을 방지하기에 충분히 넓은 간격을 두고 있습니다.  

결과적으로 펄스의 세기가 감소된다.

 

2) 펄스 사이의 간격이 일정하지 않습니다. 즉, 180º - 270º - 180º - 90º. 즉, 펄스열은 일정한 주파수에서 작동하지 않습니다.  

이는 터빈의 속도를 높이는데 도움이되지 않습니다.

    

명백하게 터보는 같은 뱅크의 실린더에 의지해서는 배출 흐름이 일정하게 흐를수 없음을 알수 있습니다.  

이를 보완하기 위해 생긴 개념이 Cross-bank turbocharging 개념입니다.

 

실린더 1, 4, 6 및 7을 함께 연결한 배치를 고려하면 다음과 같은 펄스 스트림을 얻을 수 있습니다.

 

 하지만 이것도 일정한 주파수를 가지고 있지만, 간섭은 여전히 너무 많아 실제로는 기존의 4 기통 엔진의 주파수와  동일합니다.

이를 다시 극복하기 위해 트윈 스크롤 터보를 사용하여 문제를 해결할 수 있습니다. 배기 가스를 2 개의 그룹, 즉 실린더 1 + 6 및 실린더 4 + 7로 분할함으로써, 아래의 그림을 얻을 수 있습니다.

 일정한 주파수와 더불어 거의 간섭이 없습니다!

 

이상하게도 BMW 크로스 뱅크 터보 차져 V8은 뛰어난 로우 엔드 응답 및 고효율로 유명합니다.

M5의 경우 최대 토크는 1500rpm에서 5750rpm에서 균일하게 생기며 출력곡선이 매우 매끄럽습니다.

오르지 크로스 뱅크 터보차징 시스템 덕분입니다.

 

 

5. 터보 + 과급기(Turbo +Supercharger )

 

많은 사람들이 알고 있듯이, Supercharger는 로우 엔드 출력에는 좋지만 하이 엔드 효율에는 미치지 못하는 반면에 Turbocharger는 하이 엔드에서 강력하게 작동하지만 로우 엔드는 작동이 되지 않습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 과급기와 터보 차저를 함께 사용하는 꿈을 꾸었습니다. 1985 년 Lancia는 이러한 복잡한 시스템을 그룹 B 랠리경기에서 Delta S4에 채용을 하였습니다. 모터 레이싱의 성공에도 불구하고 Lancia는이 기술을 결코 시리즈 생산에 투입하지 못했습니다.

 

이후 1988 년에 닛산이 1.0 리터 엔진에 Turbo +Supercharger 사용하여 110 ps의 경량 마력을 생산했습니다.

 

복잡한 시스템으로 인해 거의 이런 방식이 채택이 되지 않다가 2005년에 이르러서야 폭스바겐은 1.4 리터의 TSI엔진에 다시 사용을 하게 됩니다.

 

170 마력으로 2.3 리터 자연 흡기 엔진과 비슷했지만 연료 소비는 20 퍼센트를 덜 소모합니다. 이 엔진은 골프, 폴로, Scirocco 및 Audi A1에서 광범위하게 사용되었습니다. 이것은 최초의 터보 + 과급기 대량 생산입니다.

 

 

 

Supercharger와 터보 차저가 직렬로 연결되어 있습니다.

 

1500rpm에서 Supercharger와 터보차저에서 모두 약 2.5bar의 동일한 부스트 압력을 제공합니다.

(터보 차저가 혼자서 일 했더라면, 그것은 같은 회전 속도로 단지 1.3bar만을 제공)

 

회전수가 높을수록 Supercharger의 효율이 떨어집니다. 따라서 바이 패스 밸브가 Supercharger에서 나오는 압을 서서히 감압합니다.

 

3500 rpm에서부터 터보 차저가 모든 부스트 압력에 기여하므로 Supercharger가 전자기 클러치에 의해 분리되어 엔진의 동력을 빼앗지 않게 됩니다.

   

뛰어난 파워와 취급 용이성을 자랑하지만 패키지는 놀라울 정도로 컴팩트합니다. 유일한 단점은 높은 비용입니다. 예상 할 수 있듯이 터보 차져시스템보다 훨씬 많은 엔진제작비용이 듭니다.

 

최근의 터보 차저가 저rpm에서의 응답성이 많이 개선함에 따라 점차적으로 사용이 들어들다가 최근 VOLVO가 이 시스템을 다시 사용하고 있습니다.

 

6. 터보+전자식터보(electronical turbo)

 가장 최근의 형태로서 아직 검정의 문제가 남아 있습니다.

  단일터보의 사용시 가장 큰 문제는 터보랙입니다. 이를 보완하기 위해 전자식터보를 보조터보로 사용하게 됩니다.

즉 저rpm영역은 전자식터보가 담당하고 고rpm영역은 터보차저가 부스트를 담당합니다.

 

아우디가 먼저 상용화를 하고 뒤를 이어 벤츠등에서 사용을 하고 있습니다.

 

 

 

electronical turbo

 

 

 

Audi의 EPC 엔지니어링

 

  차량 중앙에있는 48V 리튬 이온 배터리를 사용하여 새로운 전자식터보에 전원을 공급하는 것뿐만 아니라 자동차의 전자 장치가 영향을받지 않도록 별도의 안정화장치를 부착합니다.