터보, 터보. 많이 들어보셨지만 구체적으로는 알지 못하셨다면 오늘 쉽고 자세하게 한번 알아볼께요.
터보란
자동차는 연료를 폭발시켜 그 힘으로 앞으로 움직입니다. 그러기 위해서는 연료와 공기가 필요하고 불을 붙여야겠죠. 그 역할을 엔진이 하고, 이 때 필요한 공기는 자연적으로 엔진으로 들어가게 끔 했습니다. 그래서 이런 방식의 엔진을 자연흡기엔진 (Naturally Aspirated engine) 이라고 불렀구요. 줄여서 N/A 엔진이라고도 합니다. Aspirate 라는 단어는 흡입하다라는 뜻이니, 영어로도 자연스럽게 흡입하는 엔진이라는 뜻입니다.
터보차져(Turbo Charger)
터보는 같은 연료로 더 많은 힘을 얻기 위해 공기를 더 많이 공급해서 출력을 증가시키는 방식입니다. 이러한 장치를 과급기라고 하는데 한자를 풀이해보면 공기를 공급한다는 뜻이고, 영어로는 Charger 입니다. 그래서 사람들이 흔히 '터보'라고 부르는 것은 '터보차져'를 줄여서 부르는 겁니다.
기술의 유래
터보 기술의 아이디어와 논의는 벤츠 창업자 중 한사람인 Gottlieb Daimler 와 디젤 엔진 개발자인 Rudolf Diesel 릉 통해 진행되었지만, 터보차저의 특허를 처음 등록한 사람은 스위스 태생의 엔지니어 Alfred Büchi 입니다. 그 이후 차량보다는 선박과 비행기에 먼저 쓰이고 그 이후 자동차에 적용 되게 되었습니다. 비행기 엔진에 먼저 적용되었던 이유 중에 하나는 1차 대전과 맞물려 항공기엔진 기술 발전이 필요했기 때문이고, 고도가 높아질수록 기압은 낮아지고, 연료의 연소를 위한 산소량 또한 적어지므로 엔진의 출력이 떨이지는 환경적인 배경이 있기 때문이었습니다.
원리
연료가 엔진 내부에서 연소 이후 밖으로 배출되는 가스의 힘을 이용해서 필요한 공기를 더 많이 공급하여 출력을 높이는 방식입니다. 터보차저는달팽이집 모양의 두 부품이 서로 맞닿아있는 형상으로 되어있어요(컴프레서와 터빈).
구성
공기의 흐름을 위해 내부는 비어있고, 바람개비 같은 두개의 휠이 막대기로 고정이 되어있어서 한쪽이 돌아가면 다른쪽도 돌아가게 설계가 되어있습니다. 즉 빠져나가면서 돌아가는 바람개비(터빈 휠)가 반대방향으로 설치된 다른쪽 바람개비(컴프레서 휠)를 돌려 더 많은 공기를 빨아드리게 하는거죠.
실린더에서 연소 이후 생성되는 배기가스는 섭씨 900도의 온도와 높은 압력을 가지고 있어서 거의 음속 만큼 빠른 속도로 배출이 됩니다. 이 어마어마한 속도 에너지를 위에서 비유한 바람개비(컴프레서 휠)를 통해 운동에너지로 전환시켜주는 것입니다. 이때 터빈휠은 최대 분당 200,000회 가량도 회전한다고 합니다. 터보차져에서 배출되는 배기가스가 나오는 부분을 터빈이라고 하고, 엔진으로 공기를 넣어주는 부품을 컴프레서라고 합니다.
작동 과정
따라서 연소에 필요한 공기는 터빈으로 들어가서 실린더에서 연소된 후 파이프(배기 매니폴드)를 따라 배출되며 이 과정에서 터빈 휠과 컴프레서 휠을 회전시키게 됩니다. 이 과정을 반복하며 차량이 움직이게 됩니다.
차를 움직이는 힘은 엔진에서 연소되는 폭발력인데, 그 힘을 더 강하게 하려면, 더 많은 양의 연료를 연소시키면 됩니다. 그렇다면 실린더의 용량이 더 커져야하고 연료와 공기를 더 많이 넣어주면 됩니다. 하지만 그렇게 하기 위해서는 엔진의 크기도 더 커져야하고 그에 따라 차량의 무게 또한 증가합니다. 여기서 이 실린더의 크기를 차량의 배기량(CC)라고 합니다.
공기 중에는 대략 21% 의 산소가 있고, 공기의 양을 늘려주면 산소의 양도 늘어나게 되고, 연소도 그에 비례해서 더 많이 이루어지게 되므로 그 폭발력이 증가하게 됩니다. 터보차저를 개발한 기술자들은 이 원리를 이용한 것입니다.
인터쿨러(InterCooler)
터보의 기술은 공기를 빠르게 엔진으로 흡입시켜주는거라고 했습니다. 그런데 한가지 문제가 있습니다. 공기를 빠르게 흡입시키면 이동 속도는 증가하지만 온도가 상승하게 됩니다. 이렇게 뜨거워지면, 팽창을 하게되고 실린더에 공급되는 공기의 양은 줄어들게 됩니다.
그래서 이렇게 뜨거워진 공기를 다시 냉각 시킨 후 엔진에 공급해주기 위한 장치를 설치하게 됐고, 이 부품을 인터 쿨러라고 부릅니다. 이동 하는 넓은 면적에 노출시켜 온도를 낮춰주는 겁니다. 뜨거운 면을 넓은 접시에 놓는것처럼요. 공기가 이동할수 있는 여러개의 얇은 관을 직사각형 형태로 만들어서 설치합니다.
엔진 공간이 협소할 경우 차량 본네트(Hood)에 공기 흡입구를 만들고 윗부분에 설치하기도 하고, 냉각을 위해 공기를 이용하는 방식과 액체를 이용하는 방식으로 나눠집니다.
공기가 압력이 중가하면 온도가 상승하는 이유는 공기는 분자로 구성되어 있고, 이 분자는 각각 운동에너지를 갖고 있습니다. 압축이 되면 분자들이 좁은 공간에 밀집되면서 충돌이 많아지게 되고, 더 빠르게 움직여 열이 발생하며 온도가 상승하게 됩니다(이를 압축열이라고 합니다).
장점
터보차저 기술의 장점이라면 위에서 언급했듯이, 같은 연료로 더 많은 출력을 이끌어낼수 있다는 것입니다. 터보차저가 탑재되지않은 자연흡기에 비해서 약 60% 정도 효율을 높일수 있기 때문에, 1.6 리터 터보엔진은 2.4리터 자연흡기 엔진과 같은 출력을 낼수 있고, 연비 또한 15% 정도 높아지게 됩니다. 전 세계적으로 지구 온난화 방지를 위해 각국이 이산화탄소 배출을 줄이려는 노력에 맞춰서 새로 출시되는 차량은 대부분 터보엔진을 형식으로 이루어져있고, 하이브리드와 전기차와 맞물려 내연기관 자동차들이 탑제하는 마지막 기술이 되고 있습니다.
단점
엔진에 공급되는 공기의 흐름을 만들어내야 하기 때문에 자연흡기 엔진에 비해서 추가적인 부품 및 터보랙현상(Turbo lag) 등이 단점으로 지적되고 있습니다. 또한 터빈 휠내 부에는 베어링과 오일이 있고, 엔진이 작동되는 동안 고열인 상태에서 엔진을 꺼버리면 베어링에 있던 오일이 굳어버려서 엔진의 수명에 문제가 있기 때문에 과거에는 정차후 몇분간 그 열을 식힌 후에 시동을 꺼야했는데, 최근에는 기술의 발달로 후열이 필요 없다고 하지만, 이 부분은 아직 논쟁이 있습니다. 또한 최대의 효율을 내기 위해서는 엔진 마다 적정한 압축비(기체가 피스톤에 의해 압축되는 비율)가 있는데, 공기가 너무 뜨거운 상태로 연소실로 유입이 되면 압력이 높기 때문에 공기 입자가 서로 마찰되거나 피스톤과의 마찰열로 인해 점화플러그가 작동하기 전에 미리 폭발해버리는 비정상 연소 현상인 노킹(Knocking)이 발생 할수 있고, 이 경우 정해진 행정에 맞춰서 폭발이 일어난 것이 아니기 때문에, 진동과 금속을 두드리는듯한 소음이 발생합니다.
터보랙(Turbo lag)
엔진회전수가 낮을 때는 공기의 압축량이 충분하지 않아 가속 페달을 밟아도 공기의 양이 충분해질때까지 차가 잘 나가지 않는 현상을 말합니다. 엔진 회전수는 높아지고 소음은 커지는데, 차는 몇 초 후에 앞으로 가게 됩니다. Lag이란 단어는 지연되다, 뒤쳐지다라는 뜻입니다.
이를 해결하기 위해 터보차저를 하나 더 설치하는 트윈터보(Twin-turbocharged) 방식과 한개의 터빈에 두개의 유입구를 만들어 저속구간에서는 좁은 통로로 유속을 빠르게 하여 반응 속도를 빠르게 하고 고속구간에서는 유입량을 늘려서 출력을 올리는 트윈 스크롤 터보차저(Twin Scroll Turbo Charger) 방식, 저속에서는 슈퍼차져, 고속에서는 터보차져를 이용하는 하이브리드 터보(Hybrid Turbo), 전기모터를 장착해 초반에 부족한 출력을 보완하는 기술, 그리고 배기가스의 양이나 유속에 따라 터빈 날개 형상을 바꿔서 신린더에 공급되는 양을 조절하여 엔진의 낮은 회전 영역에서도 출력을 뒷받침해주는 가변용량 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger) 혹은 가변 노즐 터빈차져(VNT) 등 다양한 기술들이 있습니다.
관리
위에서 언급했듯이, 터보차저의 경우 터빈 내의 베어링이 매우 고온상태로 엔진 오일이 순환하므로 엔진 오일을 주기에 맞춰서 교체해주는 것이 필수입니다. 오일만 제때 교체해줘도 많은 부품의 손상을 막을 수 있으며, 차량을 오래 타는데 가장 기본적이고도 중요한 관리법입니다. 그리고 예열과 후열의 경우 자동차 메뉴얼을 참조하셔서 지켜주시면 되고, 급가속 및 무리한 과속은 엔진의 각 부품에도 무리가 가니 이점 참고하시길 바랍니다.
도움이 좀 되셨나요? 오늘은 터보에 대해 알아보았는데요, 다음엔 터보의 단점을 보완한 여러가지 다른 터보 방식에 대해서도 알아보겠습니다.