자동차 신기술 #4 - 공기 과급 장치 (터보차저&슈퍼차저)

 

 

 

 

 

 자동차 업계의 치열한 기술 경쟁에 핵심은 자동차의 연비와 성능에 있다.

 

 성능은 엔진 배기량에 크게 영향을 받는다고 봤을 때, 동일한 성능을 낼 수 있는 배기량이 작은 엔진을 만들 수 있다면 연비와 성능의 두 마리 토끼를 잡을 수 있다. 이런 관점에서 최근의 신기술 개발의 주류가 엔진 다운사이징이라고 볼 수 있다. 그리고 그 중심에 과급 장치(차저, Charter)가 있다.

 

이번 포스팅에서는 바로 과급 장치의 종류에 대해서 살펴보고자 한다.

 

* 자동차 신기술 관련 이전 글

 

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 과급 장치의 목적은 말그대로 공기를 더 넣어주기 위함이다.

 기본적으로 엔진은 흡기 밸브가 열렸을 때, 흡기 포트와 실린더 간의 압력차에 의해서 들어갈 수 있는 공기량이 제한되어져 있다. 그 최대한으로 유입된 공기량으로 체적 효율(Volumetric efficiency)이 계산되며, 그것이 엔진 성능의 한계라고 보면 된다.

 

 하지만 과급 장치를 장착하면 실린더 내 공기량이 가압에 의해 더 들어갈 수 있게 되어, 결국 배기량은 똑같더라도 그 이상의 공기량과 연료량이 연소되어 성능 또한 향상된다.

 

 그럼 과급 장치의 종류에 대해서 알아보자.

 

 

1. 터보차저 (Turbo Charger)

 

 터보 차저는 기본적으로 아래 사진과 같은 구조로 이루어져있다. 연소되고 배기 매니폴드를 통해서 배기관으로 배출되는 배기가스의 에너지 (온도, 압력)를 이용하여 터빈을 회전시키고, 그 회전력을 흡기쪽에서 이용하여 하나의 축으로 연결되어 있는 컴프레서(compressor)가 신기(Fresh air)를 가압시키는 매커니즘으로 작동한다.

 

 

 

 아래 그림에서 자세히 살펴본다면, 각 실린더별 배기 매니폴드를 통과하는 배기가스가 하나의 배기관으로 모이고(①), 그렇게 모인 배기가스가 터빈을 돌려준다(②). 터빈의 날개를 돌리고 나온 배기가스는 그 후단의 촉매로 향하게 되고(③), 터빈과 연결과 컴프레서가 흡기 쪽에서 공기를 가압시켜준다(④).

 

 

출처 : 파퓰러사이언스

 

 연소 후 버려지는 배기가스의 에너지를 활용하기 때문에 터보

차저는 자연흡기식 엔진 그리고 슈퍼 차저보다 높은 열효율을 얻을 수 있다.  그리고 다른 과급 장치보다 작고 가벼워서 엔진룸 공간 활용에 용이하다.

 

 하지만 터보 랙(Turbo-lag)이라는 단점을 갖고 있다.

 터보 차저가 정상적으로 작동을 하기 위해서는 터빈의 날개를 돌려줄 수 있는 일정 배기 유량이 확보되어야 하는데, 그 일정 유량을 부스트를 위한 부스트 역치 (Boost threshold)라고 한다. 그리고 운전자가 가속 페달을 밟고부터 앞에서 언급한 일정 유량이 확보되기까지 시간 지연이 발생하는데 이것을 터보 랙이라고 한다.

그래서 터보 차저의 단점인 터보 랙을 보완하기 위하여 VGT (Variable Geometry Turbo-charger)나 트윈 터보 등  다양한 기술이 개발되고 있다. 이러한 터보 차저의 세분화되고 선행 개발 차원의 내용은 향후에 다뤄 볼까 한다.

 

 

2. 슈퍼차저 (Super Charger)

 

 슈퍼차저는 크랭크 샤프트의 동력에 의해 작동하는 과급기로써, 아래 사진과 같이 벨트로 연결되어 있는 구조로 되어 있다.

따라서 엔진 출력에서 봤을 때 부하(Load)로 걸리게 되고, 기계적으로 항상 연결되어 있기 때문에 엔진의 운전 모드에 상관없이 항시 작동하게 된다.

 

 따라서 터보 차저와 비교했을 때, 위에서 언급한 터보 랙에 상반되는 가속 페달에 대한 응답성이 좋고 저속에서의 과급 효과가 크게 나타난다.

 

 반면에 항시 벨트로 물려있기 때문에 열효율(연비) 측면에서 떨어지고, 엔진 고회전에서의 출력이 터보 차저보다 출력이 낮다. 그리고 엔진룸에서의 공간확보 및 비용 측면에서도 불리한 점을 갖고 있다.