I. STC 과급시스템의 구성 및 원리
STC(Sequential TurboCharging) 기술은 두 개 이상의 터보차저를 통합하여 병렬로 작동하는 고급 터보차징 기술입니다. 디젤 엔진의 부하와 속도가 증가함에 따라 이러한 터보차저는 미리 정의된 작동 조건에 따라 순차적으로 활성화됩니다[1]. 이 기술은 특히 저속, 고부하 조건에서 엔진의 효율성과 경제성을 크게 향상시키는 동시에 전체 출력 및 배기가스 배출 성능을 최적화하는 것을 목표로 기존 디젤 엔진과 터보차저 간의 매칭 및 성능 문제를 해결합니다.
1. STC 과급시스템 구성
STC는 대형 선박, 대형 차량, 산업용 디젤 엔진에 주로 사용되는 에너지 효율적인 고성능 과급 기술입니다.
PA6 추진 디젤 엔진은 STC 제어 시스템과 단계별 과급을 위한 2개의 병렬 1단계 배기가스 터보차저로 구성된 이 기술을 사용합니다.
PA{0}}STC 디젤 엔진의 배기가스 터보차저 2개 중:
- A열의 배기 매니폴드에 직접 연결된 것이 1차 터보차저 역할을 하며, 이를 A열 터보차저라고 합니다.
- B열의 배기 매니폴드에 연결된 것은 B열 터보차저로 알려진 제어식 터보차저 역할을 합니다.
디젤 엔진이 작동하는 동안 배기 가스는 흡입 공기를 압축하여 흡입 압력과 온도를 높이는 1단계 배기 가스 터보차저 중 하나 또는 둘 다를 구동합니다. 이 과정을 통해 연소효율이 향상되고 디젤엔진의 출력과 효율이 향상됩니다.
STC 제어 시스템은 공압식 버터플라이 밸브 4개, STC 컨트롤러, 버터플라이 밸브 감지 솔레노이드 밸브 박스로 구성됩니다. 디젤 엔진 속도, 부하 및 배기 온도와 같은 중요한 매개변수를 지속적으로 모니터링합니다. 이러한 매개변수를 기반으로 시스템은 터보차저의 작동을 제어합니다. 구체적으로:
- 가스 밸브는 B컬럼 터보차저의 터빈 입구에 설치됩니다.
- 에어 밸브는 B컬럼 터보차저의 압축기 출구에 설치됩니다.
- 압축기 출구와 터빈 입구 사이에 바이패스 밸브(터보차저 서지 방지용)가 설치됩니다.
- 블로우오프 밸브(저온 환경에서 과도한 실린더 압력을 방지하기 위해)는 엔진 전단 흡기 시스템에 설치됩니다.
STC 컨트롤러는 터보차저 속도, 부스트 압력, 디젤 엔진 속도, 연료 랙 위치 및 연료 랙 제로 위치에 대한 데이터를 수집하는 제어 시스템의 핵심 구성 요소입니다[2]. 이는 4개의 버터플라이 밸브의 개폐를 제어하여 필요에 따라 B컬럼 터보차저를 연결하거나 해제할 수 있도록 하여 다양한 부하 조건에서 디젤 엔진의 성능 요구 사항을 충족합니다.
2. 배기가스 터보차저의 작동 원리
PA6-STC 디젤 엔진의 배기가스 터보차저는 배기가스 터보차저의 단면도(그림 1)에 표시된 것처럼 기본적으로 원심 압축기와 배기가스 터빈으로 구성됩니다. 이러한 구성 요소는 동일한 메인 샤프트에 장착되어 분당 수만 회전 이상의 회전 속도에 도달할 수 있는 고속 회전 기계와 같은 기능을 합니다.
STC 과급 시스템의 작동 원리는 디젤 엔진 실린더에서 배출된 고온, 고속 배기 가스가 노즐 링을 통해 비수냉식 터빈 입구 하우징으로 들어가 팽창하는 것과 관련이 있습니다. 이러한 팽창은 열 에너지를 기계 에너지로 변환하여 터빈을 회전시키고, 결과적으로 동축 압축기 임펠러를 회전시킵니다. 배기 가스는 대기로 방출되기 전에 수냉식 터빈 출구 하우징에 의해 냉각됩니다.
압축기는 흡입 시스템을 통해 신선한 공기를 흡입하여 압축합니다. 압축된 고속 공기는 추가 가압을 위해 디퓨저를 통과한 다음 냉각 및 감압을 위해 인터쿨러를 통과합니다. 마지막으로 냉각된 공기는 디젤 엔진 흡기 매니폴드로 들어가 실린더에 공급되어 과급 목적을 달성합니다. 이 과정을 통해 디젤 엔진은 더 많은 공기를 흡입하고 더 많은 연료를 연소할 수 있어 출력과 열 효율이 향상됩니다.
3. STC 제어 시스템의 기본 원리
STC 과급 시스템은 STC 과급 시스템의 개략도인 그림 2에 설명된 것처럼 1TC(단일 터보차저)와 2TC(이중 터보차저)의 두 가지 기본 모드로 작동합니다.
디젤 엔진이 저부하에서 작동할 때는 가스 밸브와 공기 밸브가 닫힙니다. 이 상태에서는 A컬럼 터보차저만 활성화되고, B컬럼 터보차저는 닫힌 밸브에 의해 격리되어 비활성 상태를 유지합니다. 이 구성을 1TC(단일 터보차저) 작동 모드[3-4]라고 합니다. 이 모드 동안 A-컬럼 및 B-컬럼 실린더의 배기 가스는 A-컬럼 터보차저의 작동 요구 사항을 충족하기에 충분하여 저부하 조건에서 주 엔진의 최적 성능을 보장합니다. 이는 저부하에서 추진 디젤 엔진의 출력과 연료 효율을 향상시키는 동시에 배기 온도와 연료 소비율을 감소시킵니다.
엔진이 고부하 조건에 도달하면 가스 밸브와 공기 밸브가 열려 이전에 유휴 상태였던 B 컬럼 제어 터보차저가 A 컬럼 터보차저와 병렬로 맞물릴 수 있습니다. 이로 인해 A-컬럼 및 B-컬럼 터보차저가 동시에 병렬로 작동하게 되며, 이는 2TC(듀얼 터보차저) 작동 모드로 지정됩니다. 디젤 엔진의 부하와 속도가 낮은 수준에서 높은 수준으로 증가하고 사전 설정된 임계값에 도달하면 시스템은 1TC 모드에서 2TC 모드로 전환됩니다. 반대로 부하와 속도가 감소하면 시스템은 2TC에서 1TC 모드로 다시 전환됩니다. 바이패스 밸브와 블로우오프 밸브는 디젤 엔진의 특정 작동 조건이나 1TC와 2TC 모드 사이의 전환 중에 활성화됩니다.