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슈퍼차저 엔진
슈퍼차저 엔진(Supercharger engine)은 크랭크 샤프트의 동력에 의해서 구동되는 과급기를 말한다. 차량의 성능을 향상시킬 수 있고, 고출력으로 높일 수 있는 장점이 있다.
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개요[편집]
슈퍼차저 엔진은 엔진의 출력축으로부터 벨트 등을 통해 동력을 공급받아 컴프레서를 구동하여 공기를 압축하여 엔진에 공급한다. 슈퍼차저는 과거 산업용으로 처음 개발되었으나 이후 항공기를 거쳐, 지금은 자동차에 사용되고 있다. 슈퍼차저 엔진의 기본적인 개념은 1848년 영국에서 고안되었으며, 1916년에 다임러가 항공기 엔진에 슈퍼차저를 장착하고 테스트를 하기 시작했다. 이후 1921년 메르세데스-벤츠가 베를린 모터쇼에서 슈퍼차저 엔진을 장착한 6/20hp와 10/35hp를 선보이면서 자동차의 과급기로 자리잡기 시작했다.[1] 자동차에 본격적으로 도입되기 시작한 것은 1920년대 미국 뒤젠버그(Duesenberg) 자동차에 최초로 상용화되어 현재에 이르고 있다. 슈퍼차저의 장점은 엔진으로부터의 배기를 이용하는 배기 터빈식의 과급기인 터보차저에 비해 스로틀(액셀)에 대한 반응이 뛰어나고, 저회전 상태에서 과급 효과가 높다. 또, 오토매틱 트랜스미션 차량에 알맞은 과급 시스템이라는 평가도 있다. 다만, 항상 압축기를 구동하고 있기 때문에 엔진의 효율이 떨어지며, 고회전에서의 출력이 터보차저에 비해 뒤떨어지는 등의 단점이 있다. 부품 수나 기계 가공이 많이 필요하여 비용이 높아지며, 중량·부피도 크다. 또한 터보차저의 성능과 효율이 크게 높아짐에 따라, 터보차저에 비해 사용 빈도가 낮은 편이다. 하지만 일부 고성능 자동차 및 스포츠카에서는 사용되고 있으며, 미국에서는 여전히 널리 사용되고 있다. 또한 터보차저의 지연 현상을 보완하기 위해, 터보차저와 함께 사용되는 경우도 존재한다.[2][3]
방식[편집]
원심식[편집]
원심식은 원심식 압축기를 이용해 과급하는 방식이다. 주로 항공기용 왕복기관에 사용된 방식이며, 자동차용으로도 사용되는 경우가 있다. 원심식 압축기는 임펠러(공기를 가압하는 날개)를 작동시켜 공기를 압축시키는 방식으로, 터보차저의 원리와 유사하다. 다만, 터보차저가 배기가스의 흐름이 터빈을 구동시킨다면, 원심식 슈퍼차저는 벨트로 연결된 엔진의 크랭크 샤프트의 회전력으로 구동된다.[1] 항공기는 공기 농도가 옅은 고공을 비행하기 때문에 과급기가 반드시 필요하다. 고도에 따라 과급기의 회전 속도를 바꿀 수 있는 것도 있는데, 이것은 2속으로 불린다. 또 고고도에서의 성능을 높이기 위해 복수의 과급기를 가지는 것도 있어, 첫 번째 과급기로 압축된 공기를 한층 더 두 번째 단에서 압축하는 방식은2단 과급이라고 부른다. 첫 번째와 두 번째 과급기 사이에 압축되어 고온 고압이 된 공기를 중간 냉각기(인터쿨러)로 냉각하는 엔진(영국 롤스로이스-멀린)이나, 슈퍼차저와 터보차저를 조합한 엔진도 존재했다.[2]
루츠 타입[편집]
루츠 타입(Roots)은 1860년 산업용 용광로 송풍기를 제작하던 루츠 형제의 성을 딴 것이다. 루츠 블로어라고도 불린다. 이후 1900년에 다임러가 특허를 받은 엔진의 과급기로 사용했다. 2개 혹은 3개의 날개를 가진 로터 2개를 수직으로 맞물리게 한 뒤 회전시키면, 상단의 로터는 시계 방향, 하단의 로터는 시계 반대방향으로 돌게 된다. 이를 통해 흡기 기관의 상단부와 하단부에서 공기를 동시에 밀어 올려 고압으로 압축하는 방식이다.[1] 구조는 단면이 누에고치형인 이엽식(二葉式)이며, 가공이 간단하기 때문에 주로 사용되었다. 현재는 비틀어진 삼엽식(三葉式)이 주로 사용된다. 이엽식과 삼엽식에서는 각각 흡기, 토출 부위가 다르다. 이튼(Eaton)에서는 사엽식도 개발하고 있다. 내부 압축이 없고 고압 과급에 적합하지 않지만, 이전에는 2단 과급도 레이스용 엔진에는 사용되었다. 이 방식이 기계식 슈퍼차저에 잘 사용되는 이유는 과급기에서의 로스를 줄이기 쉽기 때문이다. 팬을 이용한 방식과는 달리, 공기의 흡입측과 토출측이 항상 완전히 나누어지는 구조로 되어 있기 때문에 정지 상태에서도 토출측의 고압 공기가 흡입 측으로 새지 않는다. 이 구조는 회전수와 토출 용적이 모든 회전역에서 거의 비례하여, 엔진의 필요 흡기 용량과 일치시키는 것이 쉽고 낭비가 생기지 않는다. 여기에서 배기류는 어느 쪽이든 버리는 에너지이기 때문에, 그냥 돌려도 문제가 되지 않는 터보차저와는 발상이 다르다. 반대로 터보차저는 배기가스가 충분히 나올 때까지 과급기가 동작하지 않기 때문에, 터빈 임펠러와 압력 임펠러로 불리는 팬을 돌리는 구조로 하여 정지하고 있는 상태에서도 공기가 자유롭게 흐르도록 되어 있다. 방식마다 최적회된 구조를 선택한 결과라고 할 수 있다.[2]
베인 타입[편집]
베인 타입(Vane, 관)의 슈퍼차저는 관 안에 작은 지름의 로터를 한쪽 방향으로 쏠리도록 장착한다. 이를 회전시키면 원심력에 의해 내부 로터가 원통 벽면으로 쏠리면서 공기가 압축되는 원리로, 마치 로터리 엔진과 작동 방식이 비슷하다. 다만, 압축기 내부와 로터의 마찰이 심해 내구성이 약한 단점이 있다. 1930년대 영국 MG 모터스의 자동차 등 일부 기종에만 장착된 바 있다.[1]
리숄므 타입[편집]
리숄므 타입(Lysholm)은 산업용으로 사용되던 것을 마쓰다(Mazda)의 밀러 사이클 엔진(Miller Cycle Engine)용으로 개량하여 자동차에 적용시킨 것이다. 트윈 스크류 슈퍼차저라고도 불리는 이 방식은 영미권에서 애프터마켓을 통해 장착되는 경우가 많은 과급 장치다. 이는 하우징 내에 긴 스크류 형태의 로터 2개가 맞물려 있는 구조다. 로터의 끝부분에 공기가 공급되면 스크류 로터가 반대 방향으로 작동하는데, 이때 공기가 서서히 압축되며 전면으로 이동하는 것이다. 이는 소음과 열효율 면에서 이점을 갖는다.[1][4]
특징[편집]
장점[편집]
- 반응성
슈퍼차저는 어느 구간이든 자연흡기 수준의 출력 반응성을 낼 수 있어서 상대적으로 쉽게 운전할 수 있다. 엔진 구동축에서 에너지를 뺀다고 해도 공기를 과급해서 연소효율을 높이므로 중회전까지는 큰 손해를 보지 않아서 높은 출력과 빠른 응답성을 요구하는 튜닝을 할 때 많이 선택하는 방식이다.
- 간단한 구성
원심식 슈퍼차저의 경우, 배기를 건드릴 필요 없이 적당한 자리에 브라켓을 걸어서 차저를 장착한 뒤에 벨트를 하나 더 걸고, 인테이크 파이프와 연결하면 끝나기 때문에 구성이 간단하다. 터보차저는 터보차저 본체와 터보 전용의 배기 매니폴드와 배기 파이프, 길고 긴 과급라인과 인터쿨러를 설치해야 하는 복잡한 구성을 거치는 것에 비하면 상당히 간단하다고 볼 수 있다. 또한, 인터쿨러도 그닥 큰 것을 필요로 하지 않는다. 하지만 본체의 크기가 큰 로브나 스크류 타입의 경우는 엔진베이가 넓거나 제조사에서 기성품으로 볼트온킷이 나오는 경우가 아니면 작업이 많이 어려워지는데, 특히 본체가 서지탱크에 장착이 되어야 하므로 공간 제약이 커진다. 여기에 터보와 달리 서지탱크 용량도 직접적인 영향을 미치기 때문에 더욱 제약이 커진다. 이런 경우 원심식 슈퍼차저를 장착하거나 머슬카처럼 보닛을 자르고 장착한다.
- 내구성
슈퍼차저는 슈퍼차저 제조사 자체에서 10만 마일(16만 키로) 워런티를 보장할 정도로 상당히 좋은 내구성을 자랑한다. 이에 비해, 터보차저는 불과 적산거리 10만 키로 내외에서 뻗는다. 슈퍼차저는 기본적으로 같은 풍량의 터보차저보다 크기가 거의 2배 정도 크고, 15만~20만 rpm 정도로 회전하는 터보차저에 비해 슈퍼차저의 회전속도는 고작 15분의 1 수준인 1~2만 rpm 정도인 경우가 대부분이다. 게다가 터보차저는 회전속도만 높은 게 아니라 뜨거운 배기가스 속에서 회전속도를 내는 것이기 때문에 베어링에게는 상당한 악조건이다. 또, 엔진오일을 같이 사용하는 터보차저와는 달리 슈퍼차저는 오일 저장탱크가 엔진오일 라인과는 독립되어 따로 설치된다. 오일 순환량이나 슈퍼차저 본체 자체가 머금고 있는 오일량도 터보차저에 비해 엄청나게 많고, 터보에 비해서 상대적으로 부스트압을 나지막히 쓰는 경우가 대부분이다. 마지막으로 슈퍼차저 자체의 스트레스나 부하 등은 그다지 크지가 않기 때문에 내구성이 매우 훌륭하다.
- 세팅의 용이성
슈퍼차저는 구동 풀리 직경을 바꾸는 것만으로 과급량을 조절할 수 있다. 다만 너무 작은 풀리를 걸 경우 슈퍼차저 베어링과 기어박스에 무리가 가거나, 벨트 텐셔너의 한계를 넘어설수 있으니 적당한 크기를 써야 한다.[5]
단점[편집]
치명적인 단점은 여러 방면에서 효율이 떨어진다는 점이다. 슈퍼차저는 엔진의 동력을 이용해 과급기를 구동시키는 만큼 일정 수준 이상의 배기량과 최고 출력이 뒷받침되어야 한다. 수년 전부터 대세로 자리잡은 다운사이징 터보차저 엔진과는 방향이 다른 셈이다. 또한 고배기량, 고출력 엔진에 잘 어울리면서도, 높은 엔진 회전수에서 출력 손실이 발생하는 것도 약점이라 할 수 있다. 2010년대 초반, 현대자동차그룹의 제네시스가 4.6리터 타우 엔진에 슈퍼차저를 적용할 계획으로 미국 시카고 모터쇼에 선보인 바 있으나 실제 생산으로 이어지지는 못했다. 대신 현대자동차는 5.0리터와, 3.8리터의 자연흡기 엔진에 주력하고 있다. 또한, 슈퍼차저의 블로어 회전수는 엔진의 회전을 활용하는 까닭에, 10만rpm대에 달하는 터보차저의 터빈 대비 1/10 미만에 그친다. 이는 내구성은 확보할 수 있으나, 과급 압력을 높이는 데는 한계가 있어 원하는 만큼 최대 토크의 증대를 구현하기는 어렵다. 이는 특히 디젤 엔진의 과급 방식으로 슈퍼차저보다 터보차저가 선호되어 온 이유이기도 하다. 디젤 엔진은 불꽃에 반응하지 않지만 300~400℃ 정도의 조건에서 자연 착화하는 경유의 성질을 이용한다. 이 온도는 압력이 높을수록 쉽게 구현된다. 또한 과급 장치로부터 실린더에 전달되는 압축기의 양이 많을수록 적은 연료로도 큰 폭발을 일으킬 수 있어 연비 상승의 효과가 있다. 최근 2~3년 사이 디젤게이트로 인해 다소 디젤 엔진의 인기가 주춤해졌지만, 과급을 통한 다운사이징과 연비 및 효율 개선, 이산화탄소 감축 등에 디젤 엔진과 터보차저의 공이 큰 것은 사실이다.[1]
활용[편집]
슈퍼차저는 터보차저가 갖지 못한 매력을 가진 과급장치이다. 따라서 일부 자동차 제조사들은 슈퍼차저를 다양한 방식으로 활용하기도 한다. 대표적으로 슈퍼차저와 터보차저를 결합한 트윈차저 엔진을 꼽을 수 있다. 트윈차저는 1985년 란치아의 델타 S4 스트라달레와, 이를 기반으로 하는 랠리카에 처음으로 적용되었다. 트윈차저 엔진은 낮은 엔진회전 영역에서 과급 능력이 우수한 슈퍼차저가 초반 가속을, 높은 엔진 회전영역에서는 과급 효과가 높은 터보차저가 후반 가속을 담당하는 방식이다. 덕분에 낮은 배기량에도 강한 최대 토크를 고르게 구현할 수 있다. 하지만 제작 단가 및 고장 시 수리비가 비싸다는 단점이 있다. 현재 트윈차저를 적용하는 자동차로는 볼보 S60 폴스타와 폭스바겐 골프가 있다. S60 폴스타의 트윈차저 엔진은 직렬 4기통 2.0리터(1,969cc)에서 367hp(6,000rpm)의 최고출력과 47.9kg∙m(3,100~5,100rpm)의 최대 토크를 뿜어낸다. 골프는 직렬 4기통 1.5리터(1,498cc)를 기반으로 150hp(5,000~6,000rpm)의 최고 출력과 25.4kg∙m(1,500~3,500rpm)의 최대토크를 발휘한다. 2017년 8월, 마쓰다는 새로운 방식의 트윈차저를 특허로 내놓았다. i-엘루프(i-Eloop)라 불리는 이 기술은 회생제동에너지 시스템으로 얻은 동력을 일렉트릭 슈퍼차저와 에어컨 등의 전자기기를 구동하는 것이다. 특히 일렉트릭 슈퍼차저는 구동과 동시에 최대 토크를 발휘하는 전기모터와 결합돼, 동력 손실 없이도 과급이 가능하다. 더군다나 마쓰다의 일렉트릭 슈퍼차저는 트윈터보 시스템과 결합되기 때문에, 한 단계 발전한 트윈차저라 할 수 있다.[1]
차이점[편집]
터보차저와 슈퍼차저는 기본적으로 동일한 목적으로 만들어진 기구지만, 결정적인 차이점이 있다. 터보차저는 압축기의 구동에 배기가스의 힘을 사용하지만 슈퍼차저는 엔진의 동력을 직접 사용하기 때문이다. 슈퍼차저는 엔진 크랭크샤프트 쪽에서 벨트나 체인으로 엔진 동력의 일부를 사용해 흡기 쪽에 달린 터빈을 돌리는데 쓴다. 터빈으로 공기를 강제로 빨아들인다는 방식에서는 터보차저와 기본 원리가 같다.[3]
각주[편집]
참고자료[편집]
- 〈과급기〉, 《나무위키》
- 〈슈퍼차저〉, 《위키백과》
- 〈슈퍼차저〉, 《엔진은 이렇게 되어 있다》
- VIEW H, 〈아직 죽지 않았다! 슈퍼차저 자세히 살펴보기〉, 《네이버 포스트》, 2017-10-20
- 모토야편집부, 〈터보와는 다르다 슈퍼차저〉, 《모토야》, 2019-04-08
같이 보기[편집]
