4기통 트윈 스크롤 싱글 터보차저는 어떻게 작동하나요?

4기통 트윈 스크롤 싱글 터보차저는 트윈 스크롤 기술과 싱글 터빈 디자인을 결합하여 성능을 개선한 터보차저 시스템입니다. 

엔진의 반응성과 효율성. 작동 원리를 단계별로 자세히 설명하면 다음과 같습니다. 1. 기본 구조: 터보차저 구성 요소

• 터빈: 엔진 배기가스에 의해 구동됩니다.

• 압축기: 터빈에 의해 구동되며 압축 공기가 실린더로 보내집니다.

• 트윈 스크롤: 터빈 입구는 두 개의 독립된 스크롤로 나뉘며, 이 스크롤은 서로 다른 실린더 배기 매니폴드에 연결됩니다.

2. 4기통 엔진의 배기 특성

• 점화 순서: 4기통 엔진은 일반적으로 1-3-4-2 순서로 점화되며, 인접한 실린더의 배기는 180° 간격으로 배치됩니다.

• 배기 펄스 간섭: 모든 실린더 배기가 동일한 파이프로 유입되면 인접한 실린더의 배기 압력파가 서로 간섭하게 됩니다. 

이로 인해 터빈 효율이 감소합니다("exhaust 맥박 interference"라고 함).

3. 트윈 스크롤의 유동분할 설계

• 그룹화된 실린더 연결: 두 개의 스크롤이 각각 두 그룹의 실린더를 연결합니다(예: 실린더 1+4는 한 그룹이고, 실린더 2+3은 또 다른 그룹입니다).

• 배기 펄스 분리: 각 실린더 그룹의 배기가 서로 상쇄되는 배기 압력파를 방지하기 위해 독립적인 스크롤로 들어갑니다. 

배기 에너지가 터빈으로 효율적으로 전달되도록 보장합니다.

4. 배기 에너지의 효율적 사용 • 펄스 터보차징 효과:

◦ 트윈 스크롤은 배기 펄스를 큰 간격으로 분리합니다(예: 4기통 엔진의 배기 간격은 180°). 

터빈이 지속적으로 높은 운동 에너지의 배기가스를 받을 수 있게 해줍니다.

◦ 싱글 스크롤과 비교했을 때, 트윈 스크롤은 저속에서도 더 높은 배기 속도를 유지할 수 있어 터보 랙을 줄일 수 있습니다.

5. 단일 터빈의 장점

• 구조가 간소화되었습니다. 단일 터빈은 트윈 터보 시스템보다 가볍고 비용이 저렴합니다.

• 폭넓은 속도 범위: 트윈 스크롤 최적화를 통해 단일 터빈은 저속에서는 빠른 반응을 달성하는 동시에 고속에서는 큰 유량 증가를 유지할 수 있습니다.

6. 워크플로우 예시(4기통 엔진을 예로 들어)

1. 배기 단계:

◦ 실린더 1이 작업을 완료하고 고온의 배기가스가 첫 번째 스크롤을 통해 터빈으로 흘러 들어갑니다.

◦ 크랭크샤프트가 180° 회전한 후, 실린더 4에서 배기가스가 발생하고 동일한 스크롤을 통해 터빈이 구동됩니다.

◦ 실린더 2와 3의 배기가스는 2번째 스크롤을 통해 터빈의 반대쪽을 교대로 구동합니다.

2. 터빈 구동:

◦ 두 세트의 교대 배기 펄스는 터빈 속도를 더 빨리 증가시키며, 특히 저속에서는 히스테리시스를 크게 줄여줍니다.

3. 섭취량 증가:

◦ 터빈은 압축기를 구동하여 압축 공기를 인터쿨러로 보내고, 냉각 후 실린더로 입력하여 연소 효율을 향상시킵니다.

7. 성능상의 이점

• 저속 토크 개선: 듀얼 스크롤 설계를 통해 터빈이 엔진의 1500~3000RPM에서 효율적으로 작동하여 저토크가 향상됩니다.

• 터보 지연 감소: 배기 펄스 분리로 터보 반응 속도가 슈퍼차저에 가까워졌습니다.

• 연료 경제성: 배기가스 규제를 충족하는 동시에 연소 효율을 개선합니다(터보 개입 전 농후 연소 감소 등).

8. 일반적인 응용 프로그램 시나리오

• 가정용 성능 자동차: BMW N20 엔진, 폭스바겐 EA888 3세대 등은 출력과 비용의 균형을 맞춥니다.

• 경제성과 스포티함의 균형: 선형적인 출력과 연료 효율성이 필요한 모델에 적합합니다.

요약 4기통 트윈 스크롤 싱글 터보차저는 싱글 터보 구조에서 트윈 터보에 가까운 응답 속도를 달성합니다. 

경량화와 저비용을 고려하면서 배기 펄스를 분산시키고 배기 가스 에너지 활용을 최적화합니다. 

이 디자인은 현대 터보차징 기술에서 성능과 실용성의 균형을 맞추기 위한 고전적인 솔루션입니다.