터보차저엔진 원리

터보차저엔진 원리

터보 엔진과 전기모터 결합한 ‘에너자이저’

배기량이 큰 자연흡기 엔진을 적은 배기량의 터보차저나 슈퍼차저 등의 과급기를 이용해 배기량이 적은 엔진으로 대체하는 ‘엔진 다운사이징’은 기름은 적게 먹고 대기오염 물질은 적게 내뿜지만 힘은 세다. ‘엔진 다이어트’라 부르는 이유도 여기에 있다. 엔진 다운사이징은 터보 엔진이 이끌고 있다. 터보 엔진의 핵심인 터보차저는 군사 기술이다.

 

제1차 세계대전 당시 항공기가 고공비행을 할 때 공기 밀도가 낮아져 출력이 떨어지는 것을 막기 위해 인위적으로 엔진에 공기를 밀어 넣은 것에서 시작됐다. 공기를 압축시켜 엔진 속으로 보내는 터보차저가 있어야 같은 배기량보다 높은 출력을 발휘할 수 있다. 대신 터보 엔진도 배기량에 영향을 받는다. 배기량이 적은 터보 엔진은 출력을 높이는 데 한계가 생긴다. 차체 무게, 성능, 배기량의 ‘함수 관계’를 치밀하게 계산해야 한다. 하이브리드(HV) 시스템은 터보 엔진이 배기량을 키우지 않더라도 힘을 더 낼 수 있는 기회를 제공했다. 전기 구동모터가 뒷심을 발휘하게 지원해서다.

 

5월 출시된 기아 K8 하이브리드가 가장 좋은 사례다. ‘뒷심 충전’을 통해 힘 좋고 연비도 좋은 팔색조 매력을 발산한다. K8 하이브리드는 1.6 스마트스트림 터보 엔진과 전기모터로 힘을 낸다. 최고출력은 180마력, 최대토크는 27㎏. m다. 기존 K7 2.4 하이브리드 장착 엔진은 각각 159마력, 21㎏. m다. 1.6 터보가 최고출력은 13%, 최대토크는 29% 향상됐다. 여기에 구동모터 효율을 높이고 12V 보조배터리 통합형 고전압 배터리를 적용해 차체 중량을 줄였다. 이는 연비 향상으로 이어졌다.

 

복합연비(17인치 휠 기준)는 18㎞/ℓ로 K7 하이브리드(16.2㎞/ℓ)보다 11% 개선됐다.

K8은 두 가지 동력원을 통해 시스템 총 출력 230마력, 합산 토크 달하는 성능을 갖췄다. K8 2.5 가솔린 모델은 최고출력이 198마력, 최대토크가 25.3㎏. m다. 3.5 가솔린 모델은 300마력, 36,6kg.m다. K8 하이브리드는 배기량이 1598㏄에 불과한 엔진을 달았지만 터보와 구동모터로 3000㏄ 가솔린 엔진에 버금가는 힘을 낸다. 하이브리드 모델답게 연비도 좋다. ‘팔색조’ 매력을 발산한다.

 

배기가스로 구동되는 엔진의 과급기(過給器)를 말하며, 터보차저는 슈퍼차저(supercharger)와 그것을 구동하는 터빈을 조합한 장치이므로 양자를 합쳐서 터보라고도 한다.

종래의 대기로 버려져 있던 배기 에너지를 배기 통로에 마련된 터빈의 회전력으로 변화시켜서 회수하고, 압축기의 흡기계에 마련된 압축기에 의해서 혼합 가스의 충전 효율을 높이고 출력 및 연료비를 향상한다.

고출력을 하기 위해서는 충전 효율을 될 수 있는 한 크게 하는 것이 바람직하지만 무과금 엔진에서는 여러 가지 개선을 시행해도 85∼90% 정도가 최대이다.

그러나 터보차저를 장착해서 공급해 주면 100% 이상 200% 정도까지의 충전 효율을 얻는다.
충전 효율이 크다는 것은 단위 시간에 연소하는 혼합 가스의 양이 많아지는 것이므로, 당연히 출력은 크게 향상한다.

더욱이 과급기는 원래 대기 중에 버리던 배기 에너지를 이용하고 있기 때문에 엔진의 효율은 개선되어 연비 성능도 향상된다.

 

터보차저는 터보(Turbine)와 슈퍼차저(過給機)를 합성하여 만든 단어로 터빈과 여기에 직결된 컴프레서(空氣壓縮機)로 구성되어 있어 배출가스의 에너지로 터빈 휠을 회전시키고 컴프레서에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낸다.

 

터보차저의 본체는 블레이드(Blade)가 설치된 터빈 휠(Turbine Wheel)과 컴프레서 휠(Compressor Wheel)을 1개의 축에 연결하고 각각을 하우징으로 둘러싼 간단한 구조로 배기 매니폴드 집 합부의 근방에 위치한다.

 

에어클리너로 이물질을 제거한 공기는 터보차저로 이동되어 컴프레서로 압축된 뒤 공기 온도가 상승되기 때문에 인터쿨러(Inter Cooler)로 냉각시킨 후 스로틀 밸브를 경유하여 엔진으로 들어간다. 배출가스는 터보차저로 보내져 터빈 휠을 회전시키지만 휠의 회전 속도에 의해 과급 압(過給壓)이 지나치게 높아지지 않도록 사전에 설정된 압력 이상이 되면 배기 바이패스 밸브(Waste Gate Valve)가 열려 여분(餘分)의 배기가스가 배출되도록 한다.

 

터보 장착이 많은 OHC와 DOHC 엔진은 크로스 플로(Cross Flow)로 되어 있는 것이 일반적이며, 실린더 헤드의 한쪽 방향으로 혼합기가 들어가고 다른 방향으로 배출되기 때문에 공기는 일단 배기 측의 터보차저로 이동되어 그곳에서부터 흡기 측으로 끌려가는 것으로 도중에 인터쿨러까지 추가되면 엔진룸 내는 에어 튜브로 가득하게 된다.

터보차저
터빈 휠은 최고 900℃라는 고온의 배기가스에 노출되어 있고 1분간 10만~16만 회나 되는 고속으로 회전하기 때문에 튼튼하고 가벼우며, 열에 강한 재료가 사용되는데 세라믹을 적용한 것도 있다.

 

터빈 휠이 작고 가벼우면 관성력이 그만큼 작아지기 때문에 터보 래그도 작아져 엔진 회전 속도의 상하 응답성(應答性)은 좋지만 고속 회전 시의 낮아진다.

 

또한 터빈 휠이 커지게 되면 반대의 현상이 발생하기 때문에 엔진의 배기량에 알맞은 크기가 선정되고 있다. 컴프레서 휠은 알루미늄으로 만들어진 것이 일반적이다.

 

두 개의 휠을 연결한 로터 샤프트는 고온이 된 터빈 휠을 지지하여 초고속으로 회전하므로 엔진 오일을 다량으로 보내어 냉각과 윤활을 동시에 한다. 고속으로 회전하고 있는 엔진을 갑자기 정지시키면 이 부분이 과열하여 소착(燒着)되는 경우도 있다. 따라서 터보 엔진을 잠시 아이들링 상태로 유지한 후 정지시키는 것이 좋은 것은 이 때문이다.