자동차 신기술 #5 - 터보 차저 (Turbo Charger) Part 1

 

 

 

지난 글에서 공기 공기 과급 장치에 전반적인 설명을 했고, 오늘은 그 중에서도 터보 차저(Turbo Charger)에 대해서 자세히 다뤄볼까 한다. 요즘 가솔린 엔진의 대세는 역시 T-GDI(Turbo-charged GDI) 엔진이기 때문에.

 

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2013/01/06 - [띠띠빵빵/자동차 신기술] - 자동차 신기술 #4 - 공기 과급 장치 (터보차저&슈퍼차저)

 

2012/12/20 - [띠띠빵빵/자동차 신기술] - 자동차 신기술 #3 - 가솔린 직분사 엔진 (GDI engine) Part 1

2012/12/12 - [띠띠빵빵/자동차 신기술] - 자동차 신기술 #2 - Camless Engine (Electro-Hydraulic Valve control)

2012/12/06 - [띠띠빵빵/자동차 신기술] - 자동차 신기술 #1 - Dual Injection

 

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앞서 터보 차저의 작동 매커니즘과 장단점에 대해서 설명을 했다.

무엇보다 가장 큰 단점인 터보 랙(Turbo-lag)을 어떻게 해결하느냐가 앞으로 터보 차저가 해결해야 할 부분이다. 그래서 지금까지 다양한 방법의 기술이 개발되었으며 계속 진행중이다.

 

1) 2단 터보 차저 (2-Stage Turbo-charger)

 

2단 터보 차저는 말그대로 2개의 차저를 장착한 시스템을 말하는 것으로, 저속형과 고속형 터보 차저 2개를 장착해서 저속 및 고속 운전 영역에서 과급 효율을 극대화하는 것이 목적이다.

 

아래는 Opel사의 2단 터보 차저 시스템에 대한 그림과 설명으로써 간단히 요약하면 다음과 같다.

작은 차저와 큰 차저 2개의 차저를 이용하여 낮은 엔진 rpm에서는 작은 차저만 과급에 사용을 한다. 이 때 큰 차저는 단지 바이패스(bypass) 통로일 뿐 과급에는 관여하지 않는다.

바로 터보 랙이 발생할 수 있는 저속에서 작은 차저를 사용하여 과급의 효과를 얻기 위함이다.

 

그리고 부스트 역치(boost threshold) 이상의 엔진 rpm에 접어들면 배기 쪽 밸브 (exhaust flap)을 조금 열어서 큰 차저의 과급이 활용한다. 하지만 작은 차저의 비중이 큰 차저보다 크며 큰 차저는 보조 역할을 담당한다.

 

이제 고속이 되면 배기 쪽 밸브를 완전히 열어서 큰 차저만으로 과급을 하게 된다. 그 이유는 엔진 스피드가 올라가면서 배기가스 유량이 많아지기 때문에 더 많은 배기를 통과시켜야 하기 때문이다.

 

 

 

 

아래 FEV사의 시험 결과를 살펴보면, 3.5L 자연흡기식 엔진의 토크 성능 곡선이 1.8L 터보차저 엔진보다 다소 높은 수준이지만, 1.8L 2단 터보차저 엔진의 경우에는 오히려 3.5L 자연흡기식 엔진을 뛰어넘는 성능을 보여준다. 그리고 우측에는 NEDC 모드로 배기 시험 결과로써 3.5L 자연흡기식 엔진을 100%로 봤을 때 1.8L 2단 터보차저 엔진은 CO2가 17% 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

 

FEV, Inc (2010 SAE World Congress)

 

 

 

 

2) 트윈 차저 (Twin charger)

 

트윈 차저는 슈퍼 차저와 터보 차저 2개의 차저를 장착한 시스템이다.

구조는 간단해서 아래 그림과 같이 슈퍼 차저와 터보 차저를 직렬로 연결되어 있으며, 슈퍼 차저는 전자기 클러치(Electromagnetic clutch)에 의해서 구동 혹은 분리되도록 제어가 가능하도록 되어 있다.

 

구동 매커니즘은 위에서 언급한 2단 터보 차저와 비슷하다.

저속에서는 슈퍼 차저만으로 과급을 하고, 1500rpm 이상이 되면 슈퍼 차저, 터보 차저 2개 모두를 구동시켜 약 2.5bar까지 과급을 할 수 있다. 그리고 3500rpm 넘어서면서 오직 터보 차저만으로 과급을 하며, 연비를 위하여 슈퍼 차저는 전자기 클러치를 이용하여 기계적 체결을 해제하여 분리시킨다.

 

실제 Volkswagen사의 1.4L 트윈터보 엔진은 2.3L 자연흡기식 엔진의 성능 수준이며 20%의 연비 향상 효과를 얻을 수 있었다.

 

 

Volkswagen 1.4L TSI engine