요즘 환경 오염 규제와 관련해서 자동차 배출가스 문제도 말들이 많았죠?
이에 각 나라의 자동차 제조사들은 배기량 다이어트, 일명 엔진 다운사이징에 초점을 두고 있는 추세입니다.
여기서 엔진 다운사이징으로 줄어든 배기량의 출력을 개선하는 데, 가장 중요한 역할을 한다고 해도 과언이 아닌 터보차저의 기술에 대해서 알아봅시다.
터보차저가 오늘날 다운사이징의 보조제 역할로써 다소 부드러운 느낌을 전해주지만, 원래 터보차저는 이미 빠른 자동차를 더욱 더 빠르게 해주는 극강의 튜닝파츠라는 사실을 언급하며 이야기를 시작해봅시다.
터보차저는 원래 항공기용 엔진에 사용되었다?
터보차저는 1860년대에 용광로에서 사용하기 위해 개발되었다는 소문도 있지만, 가장 처음 본격적으로 사용된 곳은 세계 1차 대전 항공기용 엔진이라고 합니다.
그중, 자동차용 터보차저는 1977년에 ‘SAAB’이라는 자동차 회사에서 항공기용 터보차저를 자동차에 도입하는 과정에서 개발되었다고 합니다.
빠른 자동차, 더 빠르게 해주는 ‘터보차저’란 대체 무엇일까?
터보차저는 과급기라고 불리기도 하며, 엔진 연소실에 많은 공기를 압축하여 강제로 주입하여 엔진의 효율을 좋게 하고 출력을 향상시킵니다.
일반적으로 가솔린 차량의 경우보다 디젤 차량에서 터보차저의 효과가 좋다고 알려져 있습니다. 이는 가솔린 차량보다 디젤 차량의 배기 온도가 낮고, 디젤 엔진이 공기를 압축하여 폭발시키는 원리로 엔진이 작동하는 것과도 밀접한 연관이 있습니다.
달팽이 모양의 터보차저는 어떻게 구성되어있을까?
흔히, 터보차저의 구성은 다음과 같습니다. 달팽이같이 생긴 2개의 하우징인 ‘터빈 하우징’과 ‘컴프레셔하우징’. 배기가스가 유입되는 쪽의 하우징이 터빈, 흡기 쪽으로 공기를 과급시키는 쪽의 하우징이컴프레셔라고 보면 됩니다.
그리고 축으로 연결된 2개의 프로펠러인 ‘터빈 휠’과 ‘컴프레셔 휠’로 구성됩니다. 이 프로펠러는 ‘임펠러’라고 불리기도 합니다.
터보차저는 어떠한 원리로 작동할까?
배기가스의 힘으로 작동하는 터보차저의 원리는 아래의 그림과 같습니다.
첫 번째, 엔진에서 폭발하고 배출되는 고온, 고압의 배기가스가 터빈 하우징으로 유입됩니다.
두 번째, 터빈 하우징으로 유입된 배기가스에 의해 터빈 휠을 회전함과 동시에 터빈 휠과 연결된 컴프레셔휠이 회전하게 됩니다.
세 번째, 터빈 휠을 회전시킨 뜨거운 배기가스는 배출되고 이와 동시에 컴프레셔휠이 회전하면서 발생한 압력으로 공기가 컴프레셔하우징으로 다량 흡입되게 됩니다.
마지막으로, 다량으로 흡입된 공기는 컴프레셔하우징을 거치며 압축되어 엔진으로 공급됩니다.
터보차저는 장점만 있다?!
터보차저는 일반 자연흡기 엔진보다, 많은 양의 공기가 압축되어 공급되기 때문에 출력을 대폭 향상시킬 수 있는 데는 이견이 없죠.
하지만, 터보차저는 일반적으로 두 가지의 단점이 존재합니다. 바로 ‘높은 열’과 ‘터보 랙’입니다.
단점 1. 높은 열
과급기에 의해 압축된 공기는 높은 열이 발생하게 되는데, 높은 온도의 공기는 엔진의 연소 효율을 낮춘다고 할 수 있습니다.
이 단점을 개선하기 위해 엔진에 유입되기 전, 터보차저에서 압축된 공기는 인터쿨러를 통해 온도가 낮춰진 상태로 유입되게 됩니다.
단점 2. 터보 랙
터보차저의 최대 단점으로 손꼽는 것은 바로, 터보랙 현상입니다.
터보랙 현상은 배기가스의 힘으로 작동되는 터보차저의 숙명과도 같은 단점입니다.
차량이 저속일 때, 엔진은 천천히 작동하고, 이에 따라, 엔진에서 배출되는 배기가스의 힘이 터보차저를 작동시킬 만큼 충분히 세지 못할 때 터보 랙 현상이 발생합니다.
따라서, 초반 가속이나 저속 주행에서 작동시간 지연 현상인 터보랙이 주로 발생한다고 할 수 있습니다.
대표적인 터보차저, 트윈터보 VS 트윈스크롤터보
두 개의 터보차저를 장착한 ‘트윈터보’
터보랙 현상을 줄이기 위한 기술에는 여러 가지가 존재합니다.
그 중 첫 번째로 가장 간단한 형태로서 다기통 엔진에 주로 적용되는 기술은 바로 트윈터보입니다. 바이터보라고도 불리는 이 녀석은 말 그대로 터보차저를 2개 장착합니다. 이때 대용량이 아니라, 비교적 크기가 작은 터보차저를 2개 달아 터보랙 현상을 줄이는 방법입니다.
터보차저를 앞쪽에 장착하느냐, 그리고 엔진 위쪽에 장착하느냐, 직렬로 그리고 병렬로 장착하느냐 등 인스톨하는 방식에 따라 각각 다른 이점을 갖게 됩니다.
트윈터보의 단점을 보완하는 ‘트윈스크롤터보’
앞서 말한, 트윈터보에는 한가지 단점이 있습니다.
터보차저가 2개 장착되는 만큼 많은 공간을 차지하고, 그 세팅이 비교적 복잡해지게 되죠. 하지만, 트윈스크롤터보에서 터보차저는 1개이지만, 배기를 불어내는 길은 2곳입니다.
또한 배기를 불어 내는 길이 2곳 이면, 배기 매니폴드의 길도 2곳이죠. 바로 1,4번 실린더의 배기/ 2,3번 실린더의 배기의 형태로 구성됩니다. 여기서, 1,4번 배기는 첫 번째 스크롤 / 2,3번 배기는 두 번째 스크롤을 통해 배기가스를 불어내게 됩니다.
이런 구조 때문에 트윈스크롤터보의 경우, 상대적으로 작은 스크롤을 통해 배기가스를 불어낼 수 있고 저속 구간의 낮은 압력, 낮은 속도의 배기가스 힘으로도 효율적으로 터보차저를 작동시킬 수 있는 거죠.
상대적으로 작은 스크롤을 통해 배기가스를 불어낼 수 있고 저속 구간의 낮은 압력, 낮은 속도의 배기가스 힘으로도 효율적으로 터보차저를 작동시킬 수 있는 거죠.
또한, 1,4번 / 2,3번의 형태로 배기가스를 불어 내기 때문에 1,4번/2,3번 간의 배기가스 간섭을 줄여, 역류나 와류현상 없이 효율적인 유동이 가능한 기술입니다.
앞서 설명한, 트윈터보와 트윈스크롤터보 외에도 많은 기술들이 존재합니다. 바로 WGT, VGT, e-VGT, 파워펄스와 같은 기술들입니다. 이 기술들에 대해서는 다음에 자세하게 알아보도록 합시다.이상 Team Kixx Man, 휠라이프였습니다.
