안티-랙 시스템

터보차저가 장착된 내연기관에서 안티-랙 시스템(ALS)은 자동차 경주나 성능 적용에서 터보 랙을 줄이는 방법이다. 이는 점화 시기를 지연시키고 추가 연료(때로는 공기)를 첨가하여 연소 효율의 내재된 손실을 터빈에서의 증가된 압력으로 상쇄시키는 방식으로 작동한다. 과도한 연료/공기 혼합물은 배기 밸브를 통해 빠져나가 뜨거운 배기 매니폴드에서 연소하여 터보차저를 가동시키고 더 높은 사용 가능한 압력을 생성한다.

 개요 
ALS는 1980년대 포뮬러 원에서 터보차저가 처음 도입되었을 때 연료 제한으로 인해 사용이 부적합해질 때까지 사용되었다. 이 기술은 나중에 랠리 자동차에서 흔해졌는데, 흡기구에 의무화된 제한판으로 인해 터보 랙이 증가했기 때문이다. 제한판은 흡기 압력의 상당한 감소를 초래한다. 주어진 부스트 레벨에 대한 압력 비율이 훨씬 높아지고, 터보차저는 제한이 없을 때와 동일한 부스트를 생성하기 위해 훨씬 더 빠르게 회전해야 하므로 터보 랙이 크게 증가한다.

ALS는 공기 바이패스를 필요로 하며, 일반적으로 두 가지 방법 중 하나로 이루어진다. 첫 번째 방법은 스로틀을 우회하여 엔진에 공기를 공급하는 스로틀 공기 바이패스를 사용하는 것이다. 이는 외부 바이패스 밸브이거나 스로틀을 12-20 도 약간 여는 솔레노이드일 수 있다. 두 번째 방법은 충전 공기(터보 컴프레서와 흡기 밸브 사이의 가압된 흡기 공기)를 배기 매니폴드로 직접 공급하는 바이패스를 사용하는 것이다.

 종류 
 스로틀 바이패스 
스로틀 바이패스 또는 "스로틀 킥" 시스템은 점화 시기 지연 및 약간의 연료 농후화(주로 냉각을 제공하기 위함)와 결합된다. 일반적으로 점화는 ATDC 35-45°에서 발생한다. 이 늦은 점화는 실린더 내 가스의 팽창이 거의 없으므로 배기 밸브가 열릴 때 압력과 온도가 높게 유지된다. 동시에 크랭크축에 전달되는 토크량은 매우 적다(엔진이 계속 작동하기에 충분한 정도). 더 높은 배기 압력과 온도, 그리고 증가된 질량 유량은 터보차저를 고속으로 회전시키기에 충분하다. 스로틀이 다시 열리면 점화 및 연료 분사는 정상으로 돌아온다.

ALS 작동 중 많은 엔진 구성 요소가 극한 온도와 고압 맥동에 노출되므로, 이러한 종류의 시스템은 엔진, 터보차저 및 배기 매니폴드에 큰 스트레스를 가한다. 온도 문제 외에도 제어되지 않는 터보 속도는 터보차저를 빠르게 파괴할 수 있다. 대부분의 응용 분야에서는 냉각수 온도가 110–115 °C에 도달하면 과열을 방지하기 위해 ALS가 자동으로 비활성화된다.

 흡기 바이패스 
흡기 바이패스 밸브와 함께 작동하는 ALS는 공기를 배기 매니폴드로 직접 공급하여 엔진에서 부분적으로 연소된 가스와 혼합하고, 이를 다시 점화시켜 터보를 가동시킨다. 이러한 시스템은 위에 설명된 스로틀 바이패스 시스템보다 더 정교하게 만들 수 있다.

이 유형의 초기 시스템 중 하나는 페라리 F1 팀이 1980년대에 사용했다. 이 유형의 안티-랙 시스템의 또 다른 잘 알려진 적용은 1995년 세계 랠리 선수권 대회 버전의 미쓰비시 랜서 에볼루션 III와 토요타 셀리카 GT-Four (ST205)에 있었다. 이 시스템은 ECU에 의해 작동되는 두 개의 압력 밸브로 제어되었다. 레이싱 버전 외에도 안티-랙 시스템의 배관은 일반 도로용 셀리카 GT-Four WRC 호몰로게이션 모델에도 설치되었지만, 시스템 자체는 비활성화되었고 배관과 밸브는 호몰로게이션 목적으로만 존재했다. 후기 일본 시장 미쓰비시 랜서 에볼루션 모델(IV부터 IX까지)에서는 SAS(보조 공기 시스템)를 수정하여 안티-랙을 제공할 수 있다. 프로드라이브 P2 프로토타입은 더 현대적이고 정교한 흡기 바이패스 시스템을 사용한다.

 안티랙-인접 시스템 

 터보차저 바이패스 
때로는 댄 컬킨 밸브 또는 D-밸브라고도 불리며, 스로틀 바디 바로 앞에 대형 단방향 체크 밸브를 삽입하여 스로틀 바디 입구에 음압이 발생하는 동안 공기가 터보, 인터쿨러 및 차징 파이핑을 우회할 수 있도록 하는 방식이다. 이는 꾸준한 공기 공급을 가능하게 하여 더 많은 연료를 연소시키고 터빈을 구동한다. 인터쿨러 하우징에 양압이 도달하는 즉시 밸브는 닫힌다. 이는 진정한 안티-랙 시스템이라기보다는 빠른 스풀 시스템에 가깝기 때문에 다른 ALS 시스템에 통합될 수 있다.

질량 공기 유량 센서 (MAF)와 함께 사용할 경우, 체크 밸브는 MAF를 통해 공기를 흡입하여 적절한 공기-연료 비율을 유지해야 한다. 속도-밀도 구성에서는 필요하지 않다.

 점화 지연 & 연료 방출 
많은 프로그래밍 가능한 엔진 제어 장치 (ECU)는 런치 또는 변속 시 터보를 스풀링하기 위해 설계된 "안티-랙" 기능을 제공한다. 위에서 언급한 터보 바이패스와 마찬가지로, 이는 진정한 안티-랙 시스템이라기보다는 빠른 스풀 시스템이다(그리고 다른 시스템과도 결합될 수 있음). 그러나 이는 진정한 ALS에 더 가깝다.

자동차가 런치 준비가 되어 rpm 발사 위치에 있을 때, 일부 ECU(스위치 또는 추가 스로틀을 통해)는 점화를 상당히 지연시키고 훨씬 더 많은 연료를 추가하도록 프로그래밍될 수 있다. 연소 이벤트는 엔진이 공기/연료 혼합물을 실린더 밖으로, 터빈에 더 가깝게 밀어낼 때 발생하여 터빈이 낮은 rpm에서 스풀업되거나 평소보다 훨씬 더 많은 부스트를 런치 rpm에서 생성하게 한다.

일부 소프트웨어는 또한 완전 스로틀 변속 시 클러치 입력을 통해 이 "안티-랙" 기능을 작동시켜 변속 간에도 효과적으로 작동하도록 할 수 있다. 다른 유형의 안티-랙과 마찬가지로, 이러한 유형의 안티-랙을 과도하게 사용하면 연소실 거의 (또는 완전히) 외부에서 공기/연료 혼합물이 자발적으로 연소하여 발생하는 고압으로 인해 터빈 휠, 배기 매니폴드 등에 손상을 입힐 수 있다. 백파이어 또한 발생할 수 있다.

이러한 형태의 "안티-랙"은 전개방 스로틀에서만 활성화되므로 잘 작동하는 경향이 있으며, 이때 더 많은 공기가 엔진으로 들어갈 수 있다. 결과적으로, 위에서 설명한 보조 공기 시스템 또는 바이패스와 결합하지 않는 한 부분 또는 닫힌 스로틀에서는 잘 작동하지 않거나 전혀 활성화되지 않는다.

 MGU-H 

최신 포뮬러 원 엔진은 터보차저 V6 엔진에 추가 하이브리드 시스템이 장착된 형태이다. 하이브리드 시스템은 두 개의 전동 발전기 (MGU)로 구성된다: "전동 발전기 장치 - 운동" (MGU-K)과 "전동 발전기 장치 - 열" (MGU-H). 터보 랙을 거의 완전히 제거하기 위해 차량의 온보드 배터리에 저장된 전력이 MGU-H에 부분적으로 공급되어 컴프레서 터빈을 회전시킨다. 이는 터보 시스템이 거의 즉시 최대 부스트 압력에 도달하도록 하여 터보 랙을 효과적으로 제거한다.

정상적인 레이스 조건에서는 엔진 rpm이 증가하고 배기 가스가 원하는 부스트 압력을 유지할 수 있게 되면 전기 모터 입력이 점차 줄어든다. 예선 랩이나 때로는 레이스 전체에서 전략적으로 엔진이 고rpm으로 작동 중일 때에도 MGU-H에 전력을 공급할 수 있다. 이를 통해 배기 가스가 웨이스트게이트를 통해 터보를 우회할 수 있다. 이는 저장된 에너지 수준을 희생하여 출력을 5-10% 증가시킨다고 한다.

MGU-H는 또한 터빈을 회전시키는 데 사용되는 전기 모터를 터보 시스템 자체에 의해 회전시켜 전력을 생성하는 데 사용될 수도 있으며, 이를 "하베스팅"이라고 한다. 이 시나리오는 배기 가스가 터보를 통해 전달되고 터보 시스템이 기존 방식으로 작동할 때 발생한다. 하베스팅은 전체 출력에 손실을 가져오지만, 트랙의 최고 출력 수준이 필요 없는 구간(예: 직선 구간 끝 또는 특정 코너 사이)에서 수행되거나, 생성된 전력을 배치할 수 있는 구간에서 해당 트랙 구간의 토크 손실이 만회된다는 계산이 확인되면 전체 랩 타임 단축을 위한 순이득을 가져온다.

 각주 

 출처 



분류:엔진 기술
분류:터보차저