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터보엔진
터보엔진(Turbo Engine)은 버리는 에너지를 재활용해 성능과 효율을 높인 엔진이다. 처음에는 비행기 엔진에 사용했지만, 이후에는 주로 자동차 엔진에 쓴다. 모든 내연기관은 배출가스를 내보낸다. 터보엔진은 이 배출가스를 그냥 버리지 않고, 터빈을 돌리는 데 사용한다. 이때 생기는 압축공기를 다시 연소실로 보내 출력을 높인다. 같은 배기량이라면 터보엔진의 성능이 일반 엔진보다 높다.[1]
터보차저
터보차저(Turbocharger)는 내연기관에서 필연적으로 발생하는 엔진의 배출가스 압력을 이용해 터빈을 돌린 후, 이 회전력을 이용해 흡입하는 공기를 대기압보다 강한 압력으로 밀어 넣어 출력을 놓이기 위한 기관이다. 공기를 압축하면 온도가 높아지는데, 이 때문에 효율이 떨어지는 우려가 있어 인터쿨러(Inter Cooler)와 함께 사용되는 경우가 많다. 최초는 항공기 엔진을 위해 만들어진 기술이었지만, 이제는 주로 자동차 엔진에 이용된다. 디젤 엔진에 장착하는 터보차저는 비교적 구조와 설계가 간단해 양산되는 디젤 자동차들은 대부분 터보차저를 장착하고 있다. 세계적으로 우수한 연비를 내는 자동차에 대한 요구가 늘면서 배기량을 줄이는 다운사이징이 유행하기 때문에 가솔린 차량에도 사용 빈도가 늘고 있다. 과거에는 자동차 레이스용 차량에도 대거 적용돼 일본 혼다나 독일 포르쉐 등이 우수한 경기 결과를 내기도 했으나, 레이서의 안전을 보장하고 특정 기업의 독주를 막기 위해 터보차저는 F1을 비롯한 대부분 레이스에서 금지되었지만 F1의 경우 효율을 위해 다시 허용됐다.[2]
- 작동 원리
배기관으로부터 폐기되고 있던 배기가스의 온도·압력 등의 에너지를 이용해 터빈을 고속 회전 시켜, 그 회전력으로 원심식 압축기를 구동하여 압축한 공기를 엔진 내부로 보내는 구조로 되어 있다. 이것에 의해, 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입·폭발시키는 것을 통해 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻게 된다. 일반적으로 기관회전수가 2,000rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압한다. 터보차저는 엔진의 기본 한계를 뛰어넘어 체적대비 출력 효율을 높이기 위한 목적이 있다. 자연 흡기 방식의 엔진에서는 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려오는 흡입행정 시 실린더 내부의 체적변화로 압력이 대기압 이하로 낮아지는 진공상태에서 공기와 연료의 혼합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다. 흡인된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 세지기 때문에, 연소합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다. 흡입된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 세지기 때문에, 연소 시로 공급되는 공기 양과 이에 따른 연료량은 엔진의 한계를 결정하는 중요한 요소가 된다. 터보차저는 달팽이 모양의 용기 안에 터빈과 가스 압축기(Compressor)가 하나의 축에 연결된 구조로 이루어져 있고, 배기 매니폴드에서 유입된 배기가스를 터빈 입구로 보내 터빈의 날개를 회전시킨다. 이 회전력으로 가스 압축기를 동작시키고, 가스 압축기는 공기를 압축해 엔진의 공기흡기구로 전달하게 된다. 압축된 공기는 더 많은 연료와 혼합되고 이 혼합기가 엔진 실린더 안으로 전달되어 엔진의 효율을 높이는 것이다. 터빈의 회전속도는 자동차용 가솔린 엔진 등 소형의 경우 200,000 Rpm 매분 20만 회전을 넘는 것도 있다. 8~900℃의 뜨거운 배기가스를 직접 받기 때문에 그 열에 의해 터빈이나 하우징이 붉게 발광할 정도이다.[2]
- 장점
- 터보차저가 장착된 엔진은 같은 배기량의 자연흡기방식 엔진보다 더 높은 고출력을 낼 수 있다.
- 자연흡기 방식 엔진과 슈퍼차저 엔진보다 더 높은 열효율을 가지고 있다. 터보차저 엔진은 과잉 배출되는 열과 압력을 버리지 않고 공기 압축에 이용하기 때문이다.
- 터보차저는 다른 과급 시스템에 비해 더 작고 가볍기 때문에 엔진 격납 실에 쉽게 장착될 수 있다.[2]
- 단점
- 맞지 않는 크기의 터보차저를 사용하면, 반응성이 떨어진다. 너무 큰 터보차저를 사용하면 가속 반응이 감소한다. 그러나 최대 출력은 더 높아진다.
- 부스트 역치(Boost Threshold)가 있다. 터보차저가 부스트를 시작하려면 엔진이 어떤 엔진 회전수까지 도달해야 한다. 배출가스의 양이 충분치 않으면 정지되어 있는 터보 프로펠러를 돌리기가 어렵기 때문이다.
- 운전자가 가속페달을 밟은 후 터보엔진이 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는데, 이를 터보랙(Turbo-Lag)이라 한다. 이 현상이 발생하는 이유는 과급기에서 과급이 되는 정도까지 배기가스를 공급해 줄 때만 터보의 기능을 하기 때문이다.
- 터보차저는 자연흡기방식 엔진보다 부품 비용이 더 든다.
- 자동차 경주에 있어서 부스트 역치는 단점으로 작용한다. 가속이 시작되어 터보엔진이 동작하기 전까지 엔진 출력의 크기를 예상할 수 없다. 이때 오버스티어 현상을 일으키기도 한다.[2]
장단점
장점
- 다운사이징 : 터보엔진의 핵심은 바로 과급기이다. 터보엔진의 작동방식은 우선 엔진이 뿜어내는 배기가스를 이용해 터빈과 과급기를 돌린다. 배기가스의 흐름으로 터빈을 돌리고 이 힘으로 과급기를 통해 흡인되는 공기를 추가로 더한다. 이로 인해 연료가 연소되는 효율을 높이게 된다. 따라서 같은 연료를 사용하면서 출력이 높아지고, 엔진의 효율이 올라가게 된다. 터보엔진은 같은 연료를 이용하면서 더 많은 공기로 더 큰 효율을 올린다. 일단 배기량이 같으면 출력이 자연 흡기엔진보다 높고, 엔진이 저회전을 할 때에도 토크를 높일 수 있다. 그래서 가솔린 엔진도 디젤엔진 수준의 토크를 발휘할 수 있게 된다. 같은 성능을 상정할 때에는 자연 흡기엔진에 비해 배기량을 낮출 수 있는 다운사이징이 가능하다. 이 모든 것들이 추가적으로 공기를 흡입하도록 만들어 연료의 연소 효율을 높이는 것에서 파생하는 효과들이다.[3]
- 환경규제 : 터보엔진은 본래 연료효율을 높여서 더 강한 출력을 내기 위해 만들어졌다. 그리고 저회전에서 토크를 높여 더 큰 힘을 발휘하는 쪽으로 발전해왔다. 이와 함께 강력해진 환경규제가 물리면서 환경규제에 대응하기 위한 방안으로써 사용이 되고 있다. 배기량을 낮춰서 높은 성능을 내기 때문에 더 적은 오염물질을 배출하면서도 원하는 성능을 낼 수 있다는 것이 터보엔진의 가장 큰 강점으로 꼽힌다.[3]
- 소음 : 터보엔진 차량은 슈퍼차저 엔진에 비해서 소음이 적다. 편안하고 조용한 주행을 할 수 있다.[4]
단점
- 유지비 : 터보엔진은 터보엔진은 배기가스를 그대로 배출하지 않고 터빈을 돌리는 데 쓴다. 터보차저가 바로 이 역할을 수행한다. 더불어 압축공기 온도가 높아 효율이 떨어지는 것을 예방하는 인터쿨러도 필요하다. 그래서 설계나 제작에 들어가는 비용도 증가하고, 고장의 가능성도 높다. 제조 공정 중 가공정밀도 수준도 상당하기 때문에 고장이 났을 때 수리하는 비용도 높다. 엔진의 무게가 늘면서 차지하는 공간도 늘어나기 때문에 자동차를 설계하는 데 있어서도 애로사항이 발생한다. 설계, 제작에 상상이상의 많은 비용이 들어간다. 그냥 어렵다는 정도가 아니라 더 정교한 기술과 비싼 소재가 필요하다. 700도 이상의 고온인 배기가스를 다시 활용하기 때문에 이에 버티기 위해 비싼 소재를 사용해야 한다. 그리고 주행 중 화재 사건 등에서 드러났듯이 정밀하게 제작하지 않으면 대량의 리콜을 해야 하는 것은 물론이고 운전자에게도 위해를 가할 수 있다. 그래서 만들기도 어렵고, 비용도 비싸다.[3]
- 정비 : 터보엔진은 추가적으로 여러 부품을 장착해 엔진구조가 복잡하다. 때문에 정비할 때도 자연흡기 엔진보다 기술이 더많이 요구된다. 엔진오일을 비롯한 부품 교체 주기도 짧다. 특히 높은 열효율이 필요한 터보엔진 특성상 내구성 문제는 숙명과도 같다. 높은 열이 부품에 부하를 줄 수 있고, 열을 처리하는 과정에서도 여러 문제가 발생할 수 있다. 자연흡기 엔진은 흡기 온도가 지나치게 치솟는 일이 없기 때문에 고속 영역에서 엔진이 퍼지는 일이 드물다.[1]
- 터보랙 : 2020년에는 해결이 가능한 기술들이 개발이 되고 있긴 하지만 터보엔진에 제약이 되는 것 중 하나는 터보랙이라는 것이 존재한다는 것이다. 이건 자연흡기엔진을 선호하게 되는 이유이기도 하다. 자연흡기엔진은 가속페달을 밟는 순간 공기를 흡입해 엔진의 폭발로 이어진다. 하지만 터보엔진은 일정한 배기가스가 배출돼서 가급기를 정상적으로 돌릴 수 있게 되는 시간까지 충분한 성능을 발휘하지 못한다. 그래서 저회전에서는 엔진의 힘이 충분히 발휘되지 않는 터보랙이 발생하고 반응성이 떨어진다. 터보엔진 차량을 운전을 해보면 급가속을 해도 급가속의 느낌이 안 나고, 언덕에서는 가속을 하기 위해 억지로 페달을 깊고 길게 밟았다가 사고가 발생하기도 한다.[3]
- 엔진오일 관리 : 터보엔진은 일반 자연 흡기 엔진에 비해서 많은 열을 발생시키기 때문에, 엔진오일의 수명이 짧다. 그러기 때문에 지속적인 엔진오일 체크 및 교환을 해주어야 한다.[4]
터보 엔진 차량 관리 및 수명
터보엔진은 대부분의 차량 모델 라인업으로 갖추고 있다. 터보를 장착하게 되면 엔진의 크기는 최소화시키고 출력은 반대로 향상되게끔 한다. 이는 세계적으로 자동차 산업이 고효율, 친환경을 추구하기 때문이다. 최근 많은 자동차 메이커들이 친환경 PHEV차량 출시를 지속적으로 하는 것을 보면 알 수 있다. 과거 터보엔진의 차량들의 경우에는 예열과 후열이 필수적으로 요구되었다. 충분한 예열을 하지 않게 될 경우 윤활이 충분하게 되지 않아 터보의 원활한 성능을 발휘하지 못하게 하고, 수명은 자연적으로 짧아지게 만들었다. 하지만, 최근에 출시되는 터보 엔진의 챠랑의 경우에는 기술적으로 예열을 하지 않아도 터보에 손상을 가하지 않게끔 설계를 하여 예열과 후열은 예전처럼 문제가 되지는 않는다. 터보가 달린 상태로 팔게 되는 터보엔진의 차량의 경우에는 면밀한 검토를 통해 만들었기 때문에 문제가 될 가능성이 자엽흡기 차량과 비슷하다는 것이 전문가들의 견해이다. 국내 도입된 터보엔진을 장착한 모델은 악센트, 아반떼, i30, i40, 벨로스터, k3, k5, 스팅어, 크루즈 sm5, 말리부 등이 있다. 다만, 애프터마켓 터보를 차량에 단 경우에는 완성도가 떨어지는 부분이 있어, 안정성을 위해서 예후 열은 선택이 아니라 필수이다.[4]
- 엔진오일 : 자연흡기 차량에 비해서 높은 열을 발생시키는 터보엔진의 차량의 경우에는 엔진오일의 교체시기가 자연흡기 차량에 비해서 짭다. 예를 들면, 2000cc 자연흡기 LF 소나타의 경우에는 1만 5000km/12개월로 되어있으나, 2000cc 터보엔진의 경우에는 8000km/6개월로 되어있다.[4]
- 고급유 : 고급유를 넣지 않고 일반유를 넣어도 되는 터보엔진 차량이 많이 출시되었다. 하지만, 가능하다면 고급 휘발유를 넣는 것이 좋다. 고급 휘발유는 일반 휘발유에 비해서 옥탄가가 높다. 옥탄가가 높으면 비정상적 자연 착화 현상이 잘 일어나지 않게 되어, 노킹현상의 발생을 방지할 수 잇다. 또한, 고급 휘발유에는 엔진 마찰을 억제하는 저감제가 첨부되어 있어 엔진 소음 억제 및 엔진 내부 마찰로 인한 문제를 줄일 수 있다.[4]
- 가혹한 주행 : 터보엔진의 경우에는 흡기를 통해 압축된 공기로 출력을 발생시키는 것이기 때문에, 가혹한 주행을 할 경우 그로 인해 엔진에 고열을 발생시키고, 충분한 압축공기가 흡기로 들어가는 것을 방해한다. 결과적으로 이는 엔진 출력 저하로 이어지게 되고, 엔진오일의 수명을 짧게 할 뿐만 아니라 장기간적인 관점에서 엔진에 무리가 간다.[4]
각주
참고자료
같이 보기
