터보차저

터보차저(turbo-charger)

터보차저(turbo-charger)는 자동차의 출력과 토크를 높이면서 연비 향상에 도움을 주는 엔진 보조장치이다. 내연기관의 출력을 증대시키기 위하여 배기가스를 이용해 터빈을 회전시키면, 동일 축에 설치된 송풍기가 회전하면서 혼합 공기를 실린더 안으로 보내 압력을 높이는 원리다.

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개요

터보차저는 내연기관에서 발생하는 엔진의 배출가스 압력을 이용해 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용해 흡입하는 공기를 대기압보다 강한 압력으로 밀어넣어 출력을 높이기 위한 장치이다. 공기를 압축하면 온도가 높아지는데, 이 때문에 효율이 떨어지는 우려가 있어 인터쿨러와 함께 사용되는 경우가 많다. 초기에는 항공기 엔진을 위해 만들어진 기술이었지만, 오늘날에는 주로 자동차 엔진에 이용된다. 디젤엔진에 장착하는 터보차저는 비교적 구조와 설계가 간단해 최근 양산되는 디젤차들은 대부분 터보차저를 장착하고 있다. 우수한 연비에 대한 요구가 늘면서 배기량을 줄이는 다운사이징이 유행하며 가솔린차에도 사용빈도가 늘고 있다. 과거에는 모터스포츠 차량에도 대거 적용돼 일본 혼다(Honda)나 독일 포르쉐(Porsche) 등이 우수한 경기 결과를 내기도 했으나, 레이서의 안전을 보장하고 특정 기업의 독주를 막기 위해 터보차저는 포뮬러원(F1)을 비롯한 대부분 레이스에서 금지되었지만 포뮬러원의 경우 효율을 위해 다시 허용되었다. 터보차저가 탑재된 엔진은 같은 배기량의 자연흡배기 엔진에 비해 이론 상으로 더 높은 출력과 더욱 큰 최대토크, 그리고 더 높은 연소 효율을 가지게 된다. 그리고 비슷한 성능을 내는 대배기량 자연흡배기 엔진에 비해 배출가스의 양도 적다. 버려지는 배기가스의 에너지를 사용하는 것이기 때문에 에너지 효율 면에서도 이론 상으로 훨씬 유리하다.

등장 및 발전

사브 99 터보(Saab 99 turbo)

터보차저는 1925년에 스위스 엔지니어 알프레드 뷔치(Alfred Büchi)에 의해 최초로 발명되었다. 항공기가 고공으로 올라가면 공기밀도가 떨어져서 출력이 저하되는 것을 보충할 목적으로 제1차 세계대전 때 실용화되었으며 그후에는 항공기를 포함하여 전투기, 기차, 대형트럭 등에 장착되어 왔다. 1962년 미국의 자동차 회사인 올즈모빌(Olds Mobile)이 터보차저를 최초로 승용차에 장착해 제트파이어(Jetfire) 모델을 출시했다. 당시 올즈모빌은 터보차저의 높은 배기압력으로 발생될 수 있는 엔진의 미조정 폭발현상인 스파크 노크(spark knock)를 물 분사 시스템으로 방지하려 했지만, 이 시스템이 오히려 터보차저의 기능을 저하시켰다. 결국 올즈모빌의 터보차저는 시장에 정착하지 못하고 사라졌다. 사브(Saab)가 1976년에 글로벌 시장에 출시한 사브 99 터보(Saab 99 turbo) 차량에는 스파크 노크를 개선한 안정적인 터보차저가 장착되어 있었다. 이 모델은 터보차저를 달고 나왔던 다른 차종에 비해 엔진 출력이 월등히 높았고, 작동 방법이 간편해 속도를 즐기는 젊은 층에게 큰 인기를 끌었다. 터보차저를 장착한 자동차 중 처음으로 1979년 스웨덴 랠리에서 우승을 차지하기도 했다. 이렇게 레이싱카 또는 고성능 스포츠카에 응용되기 시작했다. 한편 슈퍼차저는 원래가 엔진 회전력으로 구동되기 때문에, 그에 의한 출력손실도 적지 않다. 그래서 제2차 세계대전 말에는 군용기에 배기압력으로 과급용 터빈을 돌리는 방식이 실용화되었다. 이것이 터보차저이다. 그 뒤에는 주로 미국에서 소형 프로펠러기나 레이싱카에서 쓰이다가, 1980년대에 들어와서 일반 자동차에도 급속히 보급되었다.

작동원리

터보차저는 정식적으로 배기 터빈구동식 과급기라 부르며, 엔진에서 배출되는 가스의 힘을 이용하여 터빈을 회전시켜 같은 회전축에 설치되어 있는 컴프레서에 의해 공기를 압축하여 실린더로 보내는 시스템이다. 작은 장치를 설치하는 것만으로 엔진의 출력이 대폭 증가하지만 엔진의 회전속도가 낮을 때는 배기에너지가 적기 때문에 터빈의 회전속도를 순간적으로 높이는 것이 불가능하여 회전속도의 상승이 지연되는 경향이 있다. 이 때문에 액셀러레이터 페달을 밟아도 곧바로 회전속도가 상승되지 않아 엔진의 응답성이 나빠지는 경우가 있는데 이것을 터보랙(turbo lag)라 한다. 래그(lag)는 시간의 어긋남, 지연을 뜻한다. 터보차저는 터보와 슈퍼차저를 합성하여 만든 단어로 터빈과 여기에 직결된 컴프레서로 구성되어 있어 배출가스의 에너지로 터빈 휠을 회전시키고 컴프레서에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낸다.

터보차저의 본체는 블레이드가 설치된 터빈 휠과 컴프레서 휠을 1개의 축에 연결하고 각각을 하우징으로 둘러싼 간단한 구조로 배기 매니폴드 집합부의 근방에 위치한다. 에어클리너로 이물질을 제거한 공기는 터보차저로 이동되어 컴프레서로 압축된 뒤 공기온도가 상승되기 때문에 인터쿨러로 냉각시킨 후 스로틀 밸브를 경유하여 엔진으로 들어간다. 배출가스는 터보차저로 보내져 터빈 휠을 회전시키지만 휠의 회전속도에 의해 과급압이 지나치게 높아지지 않도록 사전에 설정된 압력 이상이 되면 배기 바이패스 밸브가 열려 여분의 배기가스가 배출되도록 한다. 터보 장착이 많은 OHC와 DOHC 엔진은 크로스 플로(cross flow)로 되어 있는 것이 일반적이며, 실린더 헤드의 한쪽 방향으로 혼합기가 들어가고 다른 방향으로 배출되기 때문에 공기는 일단 배기 측의 터보차저로 이동되어 그곳에서부터 흡기 측으로 끌려가는 것으로 도중에 인터쿨러까지 추가되면 엔진룸 내는 에어 튜브로 가득하게 된다. 터빈 휠은 최고 900℃라는 고온의 배기가스에 노출되어 있고 1분간 10만~16만 회나 되는 고속으로 회전하기 때문에 튼튼하고 가벼우며, 열에 강한 재료가 사용되는데 세라믹을 적용한 것도 있다. 터빈 휠이 작고 가벼우면 관성력이 그만큼 작아지기 때문에 터보랙도 작아져 엔진 회전속도의 상하 응답성은 좋지만 고속회전시의 과급압이 낮아진다. 또한 터빈 휠이 커지게 되면 반대의 현상이 발생하기 때문에 엔진의 배기량에 알맞은 크기가 선정되고 있다. 컴프레서 휠은 알루미늄으로 만들어진 것이 일반적이다. 두 개의 휠을 연결한 로터 샤프트는 고온이 된 터빈 휠을 지지하여 초고속으로 회전하므로 엔진오일을 다량으로 보내어 냉각과 윤활을 동시에 한다. 고속으로 회전하고 있는 엔진을 갑자기 정지시키면 이 부분이 과열하여 소착되는 경우도 있다. 따라서 터보엔진을 잠시 아이들링 상태로 유지한 후 정지시키는 것이 좋은 것은 이 때문이다.

특징

장점

터보차저가 장착된 엔진은 같은 배기량의 자연흡기 방식 엔진보다 더 고출력을 낼 수 있다. 다른 과급시스템에 비해 더 작고 가볍기 때문에 엔진 격납실에 쉽게 장착될 수 있다는 점도 터보차저의 장점이다.

내구성

터보차저는 내구성이 매우 좋다. 자연흡기식방식 엔진과 슈퍼차저 엔진보다 더 높은 열효율을 가지고 있는데, 이는 터보차저 엔진이 과잉 배출되는 열과 압력을 버리지 않고 공기압축에 이용하기 때문이다. 특히 터빈 휠은 약 900도의 온도에 노출되어 있다. 1분간 약 10만~16만 회나 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.

다운사이징

신차는 다운사이징 엔진이 대세를 이루고 있다. 이런 다운사이징의 핵심은 터보차저이다. 터보차저 엔진은 흡입공기를 최적화해 완전연소가 가능하게 한다. 다운사이징하더라도 출력손실이 없을 뿐더러 이산화탄소과 질소산화물 배출을 줄일 수 있다. 다운사이징은 기본적으로 배기량과 기통 수는 줄이되, 출력을 그대로 유지해 연비를 높이는 방법이다. 직분사 등 다양한 엔진 제어 기술이 더해지기도 하고, 과거 자연흡기 대배기량에 주로 사용되었던 6기통 이상의 엔진을 4기통 이하의 작은 배기량으로 바꾸면서 터보차저를 함께 사용하는 방법을 사용하고 있다. 과거의 엔진은 4000rpm이라는 높은 회전수에서 최대토크를 발휘했지만, 지금의 터보 엔진은 1500~4500rpm의 낮고 넓은 영역에서 최대토크를 발휘한다. 이는 결국 다운사이징과 터보차저로 인한 결과다. 터보차저 엔진은 동급 엔진에 비해 출력과 토크가 높기 때문에 차량응답성이 좋아 운전의 재미를 줄 뿐 아니라 같은 출력을 내면서도 엔진의 배기량은 줄일 수 있어 약 15%의 연비개선 효과도 기대할 수 있다.

단점

터보차저의 가장 큰 단점은 자연흡기방식 엔진보다 부품 비용이 더 든다는 것이다. 또한 맞지 않는 크기의 터보차저를 사용하면 반응성이 떨어진다는 것도 단점이다. 너무 큰 터보차저를 사용하면 최대 출력은 더 높아지지만 가속 반응이 감소한다. 부스트 역치(boost threshold)도 터보차저의 단점으로 언급된다. 터보차저가 부스트를 시작하려면 엔진이 어떤 엔진회전수까지 도달해야 한다. 배출가스의 양이 충분치 않으면 정지되어 있는 터보 프로펠러를 돌리기가 어렵기 때문이다. 자동차 경주에 있어서 부스트 역치는 단점으로 작용한다. 가속이 시작되어 터보차저가 동작하기 전까지 엔진 출력의 크기를 예상할 수 없다. 이때 오버스티어 현상을 일으키기도 한다. 많은 단점에도 터보차저의 가장 큰 장점으로 꼽히는 것은 터보랙이다. 터보랙은 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는 현상을 일컫는다. 이 현상이 발생되는 이유는 과급기에서 과급이 되는 정도까지 배기가스를 공급해 줄 때만 터보의 기능을 하기 때문이다.

터보랙

터보랙은 터보차저의 느린 반응속도에 의해 발생하는 것으로, 엔진회전이 빠를 때 터보차저가 공기를 충분하게 압축할 때보다 엔진회전이 느릴 때 터빈의 속도가 감소하여 출력이 상대적으로 감소하는 현상을 말한다. 엑셀러레이터의 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 모하게 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 터보랙이 발생 중인 상태에서 차량의 액셀러레이터를 밟게 되면 엔진 회전수가 빨라지면서 터빈 또한 빠르게 돌아 출력이 갑자기 높아지면서 차량이 울컥거리는 현상이나 차량의 움직임을 통제하기 어려워질 수도 있다. 터보랙을 줄이는 방법은 1) 날개 각도를 조절하여 배기가스의 속도가 느릴 때와 빠를 때에 따라서 어떤 회전속도에서도 임펠러가 충분한 압력을 만들게 하는 가변 지오메트리 터보차저(VGT) 2) 2개의 배기관을 만들어 배기가스의 양에 따라서 다른 크기의 통로를 통해 흐르면서 배기가스의 힘의 차이를 상쇄시켜주는 트윈스크롤 터보차저 3) 배기가스의 흐름을 통로의 변경으로 터빈을 향하는 배기가스의 양을 조절하는 가변식 터빈차저 등이 대표적이다.

형태

터보차저는 터빈의 개수나 배치, 혹은 형태에 따라 몇 가지 다른 형태가 존재한다. 터빈의 개수에따라 싱글 터보(single turbo)와 트윈 터보(twin turbo), 그리고 배기가스가 유입되는 경로의설계를 달리한 트윈스크롤 터보(twinscroll turbo) 등으로 나눌 수 있다.

싱글터보

싱글터보는 말 그대로 터빈과 스크롤이 1개만 존재하는 형태의 터보차저를 말한다. 싱글 터보는 일반적으로 통용되는 고정 지오메트리 터보차저(fixed geometry turbo-charger)의 형태가 가장 많이 나타난다. 고정 지오메트리 터보차저는 말 그대로 공기가 흐르는 경로의 직경이 고정되어 있는 형태다. 배기가스의 양이 과도한 경우에는 웨이스트게이트(wastegate)를이용하여 불필요한 배기가스를 빼낸다. 다른 방식에 비해 구조가 간단하고 가격 면에서 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다. 반면 성능과 효율 면에서는 다른 방식에 비해 부족한 편이다. 또한 배기가스의 양이 상대적으로 부족한 저회전 영역에서 터보의 동작이 지연되는, 이른 바 터보랙 현상이 발생하기 쉽다. 저회전역의 토크를 중시하는 디젤엔진에서는 일반적인 고정 지오메트리 터보가 가진 불리함을 해결하기 위해, 가변 지오메트리 터보차저(variable geometry turbocharger, VGT)를 채용하는 경우도 있다. 가변 지오메트리 터보차저는 공기가 흐르는 경로를 상황에 따라 넓히거나 좁힐 수 있도록 설계된 터보차저로, 배기가스의 양과 압력이 제한된 상황에서도 충분한 압력을 유지할 수 있어, 과거 유로 3~4시절부터 대한민국 자동차 업계에서도 상당수가 사용된 바 있다.

트윈터보

트윈터보는 이름 그대로 2개의 터보차저를 사용하는 형태를 말한다. 통상적으로 트윈터보는 직경이 작은 터빈 1개와 큰 직경이 터빈 1개로 구성되는데, 작은 터빈은 배기가스의 압력이 상대적으로 부족한 저회전 영역에서 동작하고, 그보다 높은 회전수에서는 큰 터빈이 동작함으로써, 터보랙 현상을 억제하는 효과와 함께 더 높은 효율과 성능을 얻을 수 있다. 하지만 싱글터보에 비해 구조가 복잡하고 그만큼 단가가 높은 편이다. 이 외에도 3개 이상의 터보차저를 사용하는 경우도 있는데, 3개를 사용하는 경우에는 트리플(triple) 터보, 4개를 사용하는 경우에는 쿼드(quad) 터보로 일컫는다. 또한, 이와는 별개로, 같은 크기의 터보차저 2개를 평행하게 설치하여 저회전에서는 1개, 고회전에서는 2개를 순차적으로 가동시키는 형태도 존재한다. 이를 시퀀셜 트윈 터보(sequential twin turbo)라고 한다.

트윈스크롤터보

싱글터보와 트윈터보 외에 근래 들어 일부 제조사에서 사용되고 있는 트윈 스크롤 터보라는 형식도 존재한다. 트윈 스크롤 터보는 1개의 터빈에 배기가스가 지나는 경로에 해당하는 스크롤이 양쪽으로 2개가 장착된 터보차저를 말한다. 이러한 구조 덕분에 저회전 영역과 고회전 영역 모두를 하나의 터빈으로 아우를수 있으면서도 트윈터보에 비해 구조적으로 더 간단하다. 중량과 단가 면에서도 트윈터보에 비해 유리하다. 하지만 결국 1개의 터빈을 사용한다는 한계가 존재하여, 트윈터보에 비해서 성능 면에서는 다소 불리하다.

가변 지오메트리 터보차저

가변 지오메트리 터보차저는 터보랙을 줄이는 가장 대표적인 기술이다. 보통 약자인 VGT로 표기하며, 제조사에 따라 VNT, VTG, VVT라고 부르기도 한다. VGT는 크게 배기가스 양이나 유속에 따라 터보차저의 날개 형상이 달라져 공기압을 높이는 가변노즐방식, 배기가스 통로에 슬라이딩 노즐을 달아 배기흐름을 조절하는 슬라이딩 노즐방식이 있다. 후자의 경우 트윈스크롤 방식과 비슷한 개념이다. 그중 널리 쓰이는 가변노즐 방식의 경우 터빈에 베인이라는 가변식 날개가 달리고, 컨트롤 엑추에이터와 컨트롤 암을 이용해 이것을 닫거나 연다. 배기압이 낮은 중저속에서는 베인이 닫혀 배기압을 높인다. 고무 호스의 끝을 손으로 반 정도 막으면 물줄기가 세지는 것을 떠올리면 이해가 쉬울 것이다. 반대로 차의 속도가 높아 배기압이 충분하면 베인은 열려 있다. VGT를 장착하면 저속구간에서도 터빈이 힘차게 돌아 실린더에 충분한 공기가 들어가므로 터보랙 없이 안정된 주행이 가능하고, 연비 향상 및 오염물질을 줄이는 효과도 있다. VGT는 주로 저속에서 큰 힘을 내야 하는 디젤엔진에 사용된다. 회전수가 높아 배압이 크게 걸리고 배기가스 온도가 높은 가솔린 엔진에 VGT 방식을 쓰면 터보차저의 내구성이 훨씬 높아야 하는데, 그보다는 배기가스 흐름을 조절하는 방식이 비용이 적게 들기 때문이다. 하지만 포르쉐는 911 터보를 시작으로 박스터(Boxster)와 카이맨(Cayman)의 4기통 가솔린 엔진에 가변형 터빈을 도입함으로써 그간의 기술 한계를 극복했다.

참고자료

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같이 보기

• 엔진
• 터보엔진
• 슈퍼차저

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