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터보차저
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. 과거는 모터스포츠 차량에도 대거 적용돼 일본 혼다나 독일 포르쉐 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.
작동원리
터보차저는 배기관으로부터 폐기되고 있던 배기가스의 에너지(온도·압력)를 이용해 터빈을 고속 회전시켜, 그 회전력으로 원심식 압축기를 구동하여 압축한 공기를 엔진 내부로 보내는 구조로 되어 있다. 이 과정에서 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입 및 폭발시키는 것을 통해 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻게 된다. 일반적으로 기관회전수가 2000rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압한다. 터보차저는 엔진의 기본 한계를 뛰어넘어 체적대비 출력 효율을 높이기 위한 목적을 가지고 있다. 자연흡기 방식의 엔진에서는 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려올 때 실린더 내부의 체적변화로 압력이 대기압 이하로 낮아지면서 공기와 연료의 혼합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다. 흡입된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 커지기 때문에, 연소실로 공급되는 공기 양과 이에 따른 연료 양은 엔진의 한계를 결정하는 중요한 요소가 된다. 터보차저는 달팽이 모양의 용기 안에 터빈과 가스압축기가 하나의 축에 연결된 구조로 이루어져 있고, 배기 매니폴드에서 유입된 배기가스를 터빈 입구로 보내 터빈의 날개를 회전시킨다. 이 회전력으로 가스압축기를 동작시키고, 가스압축기는 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 200,000rpm(매분 20만 회전)를 넘는 것도 있다. 뜨거운 배기가스(8~900℃)를 직접 받기 때문에 그 열에 의해 터빈이나 하우징이 붉게 발광할 정도다.[1]
특징
장점
터보차저가 장착된 엔진은 같은 배기량의 자연흡기 방식 엔진보다 더 고출력을 낼 수 있다. 자연흡기식방식 엔진과 슈퍼차저 엔진보다 더 높은 열효율을 가지고 있는데, 이는 터보차저 엔진이 과잉 배출되는 열과 압력을 버리지 않고 공기압축에 이용하기 때문이다. 다른 과급시스템에 비해 더 작고 가볍기 때문에 엔진 격납실에 쉽게 장착될 수 있다는 점도 터보차저의 장점이다.[1]
내구성
터보차저는 내구성이 매우 좋다. 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.[2]
다운사이징
신차는 다운사이징 엔진이 대세를 이루고 있다. 이런 다운사이징의 핵심은 터보차저이다. 터보차저 엔진은 흡입공기를 최적화해 완전연소가 가능하게 한다. 다운사이징하더라도 출력손실이 없을 뿐더러 이산화탄소 배출량과 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.[3] 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.[4]
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.[1]
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.[2]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 〈터보차저〉, 《위키백과》
- ↑ 2.0 2.1 Kilowhat, 〈터보차저? 그게 뭔가요?〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-02
- ↑ 손진석 기자, 〈터보차저, 다운사이징 엔진의 핵심…성능·연비 최적화 ‘라이트 사이징' 추세〉, 《뉴스웍스》, 2020-07-04
- ↑ 이혜영 기자, 〈현대위아, 작고 강한터보차저 양산〉, 《경남도민일보》, 2015-05-14
참고자료
- 〈터보차저〉, 《위키백과》
- 이혜영 기자, 〈현대위아, 작고 강한터보차저 양산〉, 《경남도민일보》, 2015-05-14
- Kilowhat, 〈터보차저? 그게 뭔가요?〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-02
- 박병하 기자, 〈다운사이징의 핵심, 터보차저〉, 《모토야》, 2019-01-22
- 손진석 기자, 〈터보차저, 다운사이징 엔진의 핵심…성능·연비 최적화 ‘라이트 사이징' 추세〉, 《뉴스웍스》, 2020-07-04
같이 보기
