터보차저

내위키

외부의 공기를 강제로 빨아들여서 엔진에 더 많은 공기를 밀어넣기 위한 과급장치의 일종. 배가가스가 배출되는 통로에 터빈을 달아서 가스가 분출되는 힘으로 터빈을 돌리고, 이 터빈과 샤프트로 연결된 흡기 쪽 임펠러가 회전하면서 진공청소기처럼 공기를 강제로 끌어들이는 원리다. 원래는 프로펠러 항공기 엔진을 위해 개발되었다. 높은 고도에서는 공기 밀도가 점점 낮아지므로 연소에 필요한 공기를 얻기 위해서는 압축이 필요한데, 그 방편으로 개발된 것이 터보차저.

엔진 동력의 일부를 터빈을 돌리는데 이용하는 슈퍼차저와 비교하면 엔진 동력을 빼앗지 않는다는 장점이 있다. 물론 배기가스의 원활한 흐름에 장애가 되므로 배압이 생기지만 기본적으로는 그냥 배기구로 나가서 낭비되는 가스의 운동에너지를 재활용하는 것이므로 슈퍼차저보다는 효율이 좋아서 여러 과급방식 중에 가장 널리 쓰이고 있다. 과거에는 고성능을 필요로 하는 엔진이나 디젤엔진 위주로 많이 쓰였지만 최근에는 일반 승용차 엔진에도 많이 쓰인다. 특히 연비를 중시하는 경향이 강해지면서 엔진배기량은 줄이는 대신 터보차저로 효율을 높이는 다운사이징이 자동차업계의 유행이 되어 가고 있다. 예를 들어 고급 승용차의 대명사로 통하는 메르세데스-벤츠의 S600은 예전에는 이름처럼 6,000 cc 자연흡기 엔진이 들어갔지만 지금은 5,500 cc 트윈터보 엔진이 들어간다.

1 인터쿨러

터빈을 돌려 강제로 공기를 빨아들이다 보면 터빈이 돌아가는 과정에서 열이 생긴다. 축에서 생기는 마찰열도 있을 것이고, 고회전역에서는 분당 1만 회전을 넘어갈 정도로 빠르게 돌아가는 터빈과 공기가 부딪쳐서 생기는 마찰열도 있다. 터보차저는 엄청나게 뜨거은 배기가스의 힘을 이용해서 터빈을 돌리는 것이므로 배기가스의 열이 일부 전달되면 더더욱 뜨거워진다. 그 결과 타빈 주위의 온도가 쑥쑥 올라가고 흡입되는 공기도 뜨거워진다. 공기의 온도가 올라가면? 밀도가 낮아진다. 그러면 터보차저의 효과가 반감된다. 이를 만회할 목적으로 공기를 식히는 장치가 인터쿨러다. 터빈으로 쭉쭉 뽈아들인 공기를 바로 엔진으로 보내기 전에 인터쿨러로 보내서 온도를 떨어뜨림으로써 공기 밀도를 높이는 것. 라디에이터로 냉각수나 오일의 온도를 떨어뜨리는 것처럼 인터쿨러도 빨아들인 공기를 차량 앞쪽으로 보내서 외부 공기로 냉각시킨 뒤 엔진으로 밀어넣는다.

2 터보래그

터보차저가 제구실, 즉 공기를 후루룩 후루룩 빨아들여 왕창 공급해 주는 효과를 내려면 터빈이 어느정도 속도 이상으로 돌아줘야 한다. 그렇지 않으면 충분한 과급 효과도 내지 못하면서 배기 쪽에 걸리는 배압 때문에 전반적인 효율이 되려 떨어진다. 엔진 회전수가 일정 수준에 이르지 못하면 오히려 엔진의 성능이 자연흡기 엔진보다도 못한 현상이 일어나며 이러한 구간을 터보래그라고 한다. 터보차저의 가장 큰 단점이라 할 수 있는 터보래그를 줄이기 위해서 여러 가지 기술들이 개발되었다. 최근에는 터보래그는 거의 신경 안 써도 될 정도로 문제가 거의 해소되었다.

  • 트윈 터보 : 용량이 작은 터빈을 병렬로 두 개 장착하는 방식. 용량이 작으면 그만큼 빨리 돌리는 데 들어가는 힘도 작으므로 회전수가 낮아도 터빈을 빨리 돌릴 수 있다. 실린더 수가 많은 엔진은 배기구를 두 개 사용하는 경우가 있으며 이 때에도 트윈 터보가 쓰인다.
  • 가변 터보 : 임펠러를 돌리는 배기가스의 통로가 변화하도록 만든 것으로 회전수가 낮을 때에는 통로를 좁게 만들어서 배기가스가 빠져나가는 속도를 높임으로써 터빈을 빨리 돌게 한다.
  • 트윈 스크를 터보 : 터빈을 돌리는 배기가스의 통로를 두 개 만든 것. 예를 들어 6기통 엔진이라면 1, 3, 5 실린더용 통로와 2, 4, 6 실린더용 통로 두 개가 있는데, 이렇게 하면 여러 실린더의 배기가스가 하나의 통로로 합류하는 과정에서 배압 때문에 상쇄되는 에너지가 줄어들어서[1] 저회전역에서도 터빈 속도를 빠르게 할 수 있다.
  • 전기 터보 : 엔진 회전수가 낮을 때에는 전기 모터가 터보를 돌려주다가 회전수가 일정 이상이 되면 배기가스로 터빈을 돌린다.

3 각주

  1. 여섯 개 실린더가 하나로 합쳐질 때와 두 개로 합쳐질 때 어느 쪽이 병목현상이 덜할지를 생각해 보면 이해하기 쉽다.