현대적 터보차저는 어떻게 지연현상이 일어나지 않을까?
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현대적 터보차저는 어떻게 지연현상이 일어나지 않을까?
  • 아이오토카
  • 승인 2019.05.08 10:11
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'뜨거운 쪽'의 팽창하는 배출가스에서 나오는 에너지가 '차가운 쪽'의 압축기를 구동해 엔진으로 들어가는 공기를 강제로 압축한다

 

터보차저 기술은 지난 수십 년에 걸쳐 발전해 왔다. 응답이 느릴지언정, 싼 값에 높은 출력을 얻을 수 있는 장치에서 그보다 훨씬 더 중요한 존재로 거듭난 것이다. 터보차저는 모든 내연기관에서 배출가스를 줄이는 데 주도적 역할을 함으로써 새로운 성격을 부여받고 있다.

 

터보차저 덕분에 이루어진 다운사이징은 가솔린 엔진의 경우, 출력과 토크를 희생하지 않으면서도 배출가스는 적게 내놓으면서 더 작고 가벼우며 더 효율적인 것으로 만든다. 또한, 디젤 엔진에서는 연료밀도가 낮고 공기량이 풍부한 연소에 필요한 엄청난 양의 공기를 불어넣기도 한다.

 


처음에는 엔진이 자연흡기 방식이어서 공기를 불어넣는 데 대기압에 의존했다. 따라서 자연흡기 엔진으로 더 큰 출력과 토크를 내는 궁극적 방법은 배기량을 키우는 것이었다. 그래서 '큰 배기량을 대신할 것은 없다'는 유명한 미국 격언이 생겼다. 압력을 가해 공기를 엔진으로 불어넣으면 더 많은 연료를 태울 수 있고, 따라서 더 많은 에너지를 낼 수 있다.

 

공기 펌프를 미화한 표현인 터보는 배기와 흡기 시스템 사이에 걸쳐 있다. 운전자가 액셀러레이터를 밟으면, 엔진으로부터 과열된 배출가스가 폭발적인 힘으로 터보의 '뜨거운 쪽’으로 쏟아져 나온다. 배출가스가 맹렬하게 쏟아내는 에너지는 너무 과격해서, 안에 있는 터빈을 몇 천분의 1초 만에 최대 30만rpm까지 회전속도를 높일 수 있다.

 


압축기 케이스의 '차가운 쪽'에서는 임펠러가 차가운 공기를 빨아들이고, 인터쿨러를 거쳐 엔진으로 그 공기를 밀어 넣는다. 아무 일도 아닌 것처럼 들리겠지만, 실제로는 그렇지 않다. 엔진이 터보차저 때문에 생기는 배기 배압을 극복하는 데에는 대가를 치러야 하지만, 엔진이 만들어낼 수 있는 추가 출력은 훨씬 더 높다.

 


운전자가 액셀러레이터에서 발을 뗄 때 원하지 않는 부압을 줄이기 위해, 일반적으로 웨이스트게이트(wastegate)와 재순환 또는 '덤프'(dump) 밸브라는 두 개의 밸브가 있다. 웨이스트게이트는 배출가스가 터빈을 피해 지나칠 수 있게 하고, 흡기 쪽에 있는 덤프 밸브가 동시에 열려 흡기 시스템의 압력을 낮춘다. 운전자가 액셀러레이터를 다시 밟으면, 두 밸브가 모두 닫히고 부압이 회복된다.

 


오늘날의 터보는 대단히 세련되어졌다. 더 작은 회전부품의 낮은 관성, 첨단 베어링, 영리한 터빈 및 임펠러 공기역학 덕분에 지연 즉 터보랙은 최소화되었다. 다른 형태의 것들도 등장했다. 트윈스크롤 터보에서는 엔진에서 나오는 배출가스가 두 개의 흐름으로 갈라져 달팽이 껍질처럼 생긴 터빈 하우징 안 두 개의 분리된 '회전부분'으로 공급된다. 최상의 효과를 얻기 위해 배출가스 맥동을 활용함으로써 반응이 개선되었다.

 


가변 터빈 지오메트리(VTG) 터보차저는 배출가스의 에너지가 가장 많이 줄어드는 저회전 영역에서 지연현상을 줄이는 데 훨씬 더 효과적이다. 그러나 값이 더 비싸고, 몇몇 예외를 제외하면 아직까지는 주로 디젤 엔진에 국한되어 쓰인다. 복잡한 내부 구조가 온도가 낮은 디젤 엔진의 배출가스에 더 잘 견디기 때문이다.

 


응답성을 개선하는 방법으로 훨씬 더 비싼 것은 두 개의 터보차저로 이루어진 시퀀셜 터보 시스템으로, 큰 것은 높은 출력을 위해, 작은 것은 저회전 때의 응답성을 높이기 위해 쓰인다.

 

비용절감에 도움을 준 트윈 스크롤 터보 

 

 

BMW는 지난 2011년에 당시로서는 새로웠던 2.0L 터보 엔진에 트윈스크롤 터보차저 기술을 처음 선보였다. 그 기술은 비용을 줄이기 위해 (강판으로 만든) 조립식 배기 매니폴드를 쓴 것이 특징이었다. 그보다 더 뛰어난 점은, 트윈스크롤 터보가 가변 터빈 지오메트리 터보의 뛰어난 응답성이라는 장점을 더 낮은 값으로 구현했다는 사실이다.


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