터보차저? 그게 뭔가요?

낮은 배기량의 차량을 더 높은 배기량의 차량으로 만들 수 없을까?
이런 역할을 해줄 수 있는 것이 바로 과급기이다. 과급기 중에서도 최근 많은 차량에 장착되고 있는 터보차저에 대해 알아보자.
원래 자동차는 자연흡기 방식의 엔진을 사용해왔다. 자연흡기 엔진은 공기를 흡입하는 구멍으로 공기를 흡입해 에어클리너로 공기를 정화하여 엔진의 실린더로 들어가 연소가 되었다. 하지만 최근 연비개선과 매연감소, 특히 환경규제에 맞추기 위해서 웬만한 슈퍼카들도 터보차저를 장착하고 있다. 물론 차량의 성능 개선을 위해 장착하는 경우도 있다. 이러한 터보차저를 알아보고자 한다.

 

터보차저의 기원

터보차저는 비행기에 사용되던 것으로 비행기가 고공으로 올라갔을 때 공기의 밀도가 낮아져서 출력이 저하되는 것을 막기 위해서 개발되었다. 이 원리를 적용해 차량의 출력을 높이는 데 사용하여 지금은 대부분의 차량에 사용되고 있다.

 

 

터보차저의 구조는 생각보다 단순하다. 우선 터보차저 내부에는 임펠러와 터빈이 각각 반대편에 장착된 구조를 가지고 있고 임펠러 하우징과 터빈 하우징이 그 위를 덮고 있으며 공기의 흐름에 따라 원형으로 되어있다.
터보차저의 원리는 간단히 설명하면 배기가스의 힘으로 보다 많은 공기를 빨아들이는 것이다. 배기가스의 힘은 우리가 상상할 수 없을 만큼 빠른 속도를 지니고 있다. 배기가스는 초고온의 엄청난 압력변화로 인해서 음속이상의 속도로 실린더를 빠져나와 밖으로 이동하게 된다. 이 힘으로 터빈을 돌리게 된다. 실린더에서 연소 되어 실린더를 빠른 속도로 빠져나온 배기가스는 배기 매니폴드를 통해 이동하게 되는데 이때 배기 매니폴드와 터빈이 연결되는 통로가 좁아져 배기가스의 흐름을 더 빠르게 만들어준다. 다음으로 배기가스는 터빈 하우징으로 들어가 터빈을 돌리게 된다. 빠른 속도로 돌아가는 터빈의 힘은 같은 축에 연결되어있는 반대편의 임펠러를 같이 고속으로 돌리게 된다. 임펠러는 터빈이 돌아가는 힘으로 많은 양의 공기를 빨아들이게 된다. 임펠러를 지나 흡기 매니폴드로 이동할 때 통로가 넓어지면서 속도에너지가 압력에너지로 변환하면서 공기가 압축이 된다. 압력을 가해 압축된 공기는 주변의 뜨거운 배기관과 압축열로 인해서 높은 열을 지니고 있는데 이 열을 식히기 위해서 인터쿨러로 들어가 공기를 식혀 실린더 내부에 들어가게 된다. 실린더 내부로 들어가 기존의 흡입 공기량 보다 더 많은 공기량이 들어가 더 큰 폭발력을 만들어내게 되는 것이다. 

 

터보차저의 원리에서 볼 수 있듯이 임펠러가 빨아들인 흡입 공기는 주변의 뜨거운 배기관의 열기와 압축열로 인해서 높은 온도를 가지게 되는데 만약 이 뜨거운 흡입 공기가 실린더 내부로 그대로 들어가게 될 경우 온도가 높아져 낮아진 밀도로 체적 효율이 낮아지고 혼합기의 온도가 높아져 점화시기보다 일찍 발화가 되어 노킹 (knocking) 현상이 발생하게 된다.
이 현상을 줄이기 위해서 인터쿨러를 사용하게 된다. 인터쿨러를 간단히 설명하자면 흡입공기를 식혀주는 장치로 이를 식히는 방법은 두 가지로 나누어진다.

 

※여기서 잠깐!
노킹 (Knocking)이란?
내연기관의 실린더 내에서 본래의 점화 혹은 착화 지점에서 연소되지 않고 더 일찍 연소되어 피스톤의 기존 위치보다 낮은 곳에서 운동에너지를 받게 된다. 이때 피스톤이 운동에너지를 내려가는데 사용하고도 남아 좌우로 흔들리며 내려가는 현상이다. 좌우로 부딪히면서 망치로 두드리는 소리가나서 노킹 현상이라고 한다.
노킹현상이 일어나면 출력이 저하되고 피스톤이 손상되거나 피스톤과 실린더가 붙기도 한다.

 

-공랭식 인터쿨러: 공랭식은 라디에이터와 같은 외부에 근접하게 장착이 되며 인터쿨러에 바깥에서 들어오는 공기나 주행풍을 압축하여 순환하는 냉각 방법이다.
-수냉식 인터쿨러: 수냉식은 냉각수를 인터쿨러로 순환시켜 식히는 방법으로 물의 열용량이 큰 이점을 이용하여 냉각 시키는 방법이다.

*한가지 다른 방법으로는 실린더 밖에 냉각수를 흐르게 하여 실린더 내부의 온도를 낮춰 노킹 현상을 줄이는 방법도 있다.

위에서 설명한 원리와 같이 원래 들어가는 공기량보다 더 많은 양을 흡입하여 엔진에 공급하게 된다. 이에 실린더에는 기본 공기량보다 더 많은 공기량이 들어가게 되는데 이로 인해서 실린더 안에서는 더 강력한 압축을 하게 되고 더 큰 폭발력을 얻게 된다.
예를 들어 설명하자면 2,000cc의 같은 배기량의 N/A 엔진과 터보차저 엔진이 있다고 하자. 여기서 같은 배기량을 가졌지만 터보엔진은 터보차저로 인해서 2,000cc보다 더 많은 양의 공기를 흡입 할 수 있다.

터보 랙은 터보차저의 느린 반응속도에 의해 발생하는 것으로 엔진회전이 빠를 때 터보차저가 공기를 충분하게 압축할 때보다 엔진회전이 느릴 때 터빈의 속도가 감소하여 출력이 상대적으로 감소하는 현상을 말하며 액셀러레이터의 반응과 관계가 있다. 액셀러레이터를 밟다가 늦추게 되면 엔진의 스로틀이 닫히게 되고 배기가스가 줄어들게 되면서 터빈의 회전속도도 낮아지게 된다. 터빈의 회전속도가 낮아지면서 임펠러는 흡입 공기를 충분히 압축시키지 못하게 된다. 이로인해 터빈은 오히려 배기가스의 흐름에 방해가 되고 엔진 회전 속도는 느려져 출력이 떨어지게 된다. 이 현상은 특히 빠른 회전 속도의 엔진 상태가 아닌 낮은 회전속도의 엔진상태에서 주로 벌어지는 현상이다. 만일 저속으로 터보 랙이 발생 중인 상태에서 차량의 액셀러레이터를 밟게 되면 엔진 회전수가 빨라지면서 터빈 또한 빠르게 돌아 출력이 갑자기 높아지면서 차량이 울컥거리는 현상이나 차량의 움직임을 통제하기 어려워 질 수도 있다.
 

 

터보 랙 (Turbo lag)을 줄이는 방법은?

터보 랙을 줄이는 방법은 날개 각도를 조절하여 배기가스의 속도가 느릴 때와 빠를 때에 따라서 어떤 회전 속도에서도 임펠러가 충분한 압력을 만들게 하는 VGT(주로 디젤엔진에 사용)와 2개의 배기관을 만들어 배기가스의 양에 따라서 다른 크기의 통로를 통해 흐르면서 배기가스의 힘으 차이를 상쇄 시켜주는 트윈 스크롤 (Twin-scroll)이나 배기가스의 흐름을 통로의 변경으로 터빈을 향하는 배기가스의 양을 조절하는 가변식 터빈이 대표적이다.

내구성

터보차저에서 특히 터빈 휠은 약 900℃의 고온에 노출되어 있다. 또한 1분간 약 10만~ 16만회나 되는 고속으로 회전하기에 튼튼하고 특히 열에 강한 재료인 세라믹으로 제작이 된다. 터빈과 임펠러를 잇고 있는 축은 매우 빠른 속도로 돌기에 굉장한 열이 발생하게 되는데 윤활 역할도 있지만 열을 식히기 위해서 엔진오일이 순환하게 된다.

 

단점

앞서 얘기했듯이 터보 엔진은 공기를 식혀야하는 인터쿨러 등의 장치로 복잡한 구조를 가져야하고 터보랙과 같은 터보차저 자체의 문제를 가지고 있다. 이러한 단점 이외에 흡기과정이 여러 단계를 거쳐야해 그 길이가 길어지기 때문에 스로틀의 반응에 영향을 줄 수 밖에 없다. 이로 인해 많은 운전자들이 자연흡기 엔진에 대한 그리움을 표하기도 하며 자연흡기 엔진의 반응속도는 터보차저가 따라 잡을 수 없다는 얘기를 한다.

 

결론적으로...

터보차저는 환경을 생각하는 앞으로의 자동차 산업에 있어서는 유용하게 사용될 것이 분명하다. 하지만 터보차저는 터보래그와 열이 많이 발생해 생기는 노킹 현상 등 많은 문제점을 보완했지만 아직은 완벽하지 않다. 열의 순환과 공기 역학적 구조를 이용한 냉각방식과 압축열을 내리기 위한 인터쿨러를 없애고 매니폴드 자체에 냉각기능을 넣는 등에 대한 노력이 있으면 충분히 터보는 엔진의 성능을 올리고 적은 배기가스로 환경을 보호 할 수 있는 최고의 과급기로 거듭날 것이다. 세계에서 가장 빠른 자동차는 터보를 4개나 장착하고 있지 않은가?

 

 

글: editor GB (lgb03@naver.com)
사진출처: 각 사진 하단 표시
카테고리: 자동차 원리 이야기
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