터보차저 작동 원리가 뭔지 궁금하셨나요? 터보차저 작동 원리와 인터쿨러 및 웨이스트 게이트에 이어 터보차저 단점과 그에 따른 3가지 해결 방안을 살펴본 후 전동화 터보차저 등 전기차와 결합한 내용까지 정리하였으니 아래의 내용에서 자세히 알아보시기를 바랍니다.
터보차저는 엔진의 성능을 급격하게 올릴 수 있는 중요한 기술 중 하나로 현대 자동차 산업에서 굉장히 중요한 기술입니다.
터보차저는 엔진이 혼자 힘으로 빨아당길 수 있는 공기의 양보다 더 많은 양의 공기를 강제적으로 밀어 넣어서 연소 효율을 높일 수 있는 슈퍼차저의 한 종류입니다.
따라서 터보차저 기술은 현재 엄격해진 배출가스 규제와 더불어 조금이나마 연비를 더 좋게 만들기 위해 다양한 모습으로 변화해 오고 있는데요.
그렇다면 터보차저 작동 원리는 무엇인지 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
1. 터보차저 작동 원리
터보차저 작동 원리의 핵심 내용은 엔진에서 버려지는 배기가스의 에너지를 다시 활용하여 새로운 에너지를 만드는 것으로 터빈 휠과 컴프레션 휠이라는 두 개의 휠에서 주로 이루어집니다.
이 두 개의 휠은 하나의 축에 연결되어 있으며 이 축을 중심으로 함께 회전하게 됩니다.
그리고 엔진 실린더 내부에서 연소하고 남은 뜨겁고 높은 압력의 배기가스는 터빈 하우징으로 들어오게 되는데 이때 들어온 배기가스가 터빈 휠의 날개를 높은 속도로 밀어내면서 터빈 휠을 회전시킵니다.
그러면서 터빈 휠의 회전력은 연결된 축을 통해 반대쪽에 있는 컴프레션 휠로 전달되는데 이때 컴프레션 휠은 마치 환풍구처럼 공기를 빨아 당기는 역할을 하고 그 후에는 공기를 압축시킨 후 엔진의 흡기 매니폴드 쪽으로 밀어 넣습니다.
이때 압축된 공기는 평소 자연 흡기 엔진이 빨아 당기는 양보다 훨씬 더 많은 양을 실린더에 제공하며 그 공기 양에 비례하여 더 많은 연료를 분사할 수 있게 됩니다.
따라서 이러한 일련의 과정을 통해 엔진의 배기량을 높이지 않으면서 출력 성능을 높일 수 있고 작은 엔진으로도 큰 엔진의 성능을 충분히 낼 수 있어 엔진의 크기를 줄이는 것에 크게 이바지할 수 있습니다.
2. 터보차저 보조 장치
터보차저를 사용할 때 필요한 보조 장치 중 하나로 인터쿨러가 있습니다.
사실 터보차저가 공기를 압축하는 과정에서 어쩔 수 없이 공기는 뜨거워질 수밖에 없습니다.
하지만 이렇게 뜨거워진 공기는 밀도를 낮춰 실린더 내부로 들어가게 되는 산소를 줄이게 되며 노킹 현상이라는 비정상적인 연소를 발생할 위험을 높이게 됩니다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 터보차저에서는 인터쿨러라는 보조 장치를 터보차저와 엔진 흡기 매니폴드 사이에 끼워서 터보차저를 통해 높은 온도로 압축된 공기의 온도를 낮출 수 있습니다.
인터쿨러를 통해 공기의 온도를 낮추게 되면 다시 밀도가 높아져서 더 많은 산소를 넣을 수 있기 때문에 최종적으로 엔진의 출력 손실과 노킹 위험을 줄일 수 있으며 압축 효율을 높여 성능을 높일 수 있습니다.
3. 터보차저 압력 제어 기술
터보차저가 높은 속도로 돌아가면서 어쩔 수 없이 RPM이 높아지게 되며 그로 인해 배기가스의 양과 압력 또한 높아질 수 있습니다.
하지만 이렇게 높아진 배기가스 압력은 터빈의 회전 속도를 지나치게 높여서 터보차저에 내구성을 떨어뜨리거나 엔진 실린더 내부 압력을 높여 엔진의 내구성 또한 낮출 수 있습니다.
그렇기 때문에 이런 터보차저 문제점을 해결하기 위해 웨이스트 게이트라는 압력 제어 기술을 사용하게 됩니다.
웨이스트 케이트는 터빈 휠로 가는 배기가스 중 일부를 다른 방향을 돌려서 대기나 배기 라인 밑으로 빼내는 바이패스 밸브 역할을 수행하게 됩니다.
이때 엔진 제어 장치라고 불리는 ECU는 흡기 압력 센서 등을 통해 과급 압력을 실시간으로 측정하는데 만약 압력이 너무 높아지게 된다면 ECU는 웨이스트 게이트를 작동시켜 배기가스를 터빈 쪽이 아니라 우회 통로로 보내게 됩니다.
따라서 웨이스트 게이트를 통해 터빈의 회전 속도를 일정하게 유지하며 엔진이 안정적으로 제 기능을 수행할 수 있게 도와줍니다.
현재 웨이스트 게이트는 공압식 액추에이터라고 불리는 기계식과 전자식으로 발전하고 있는데 현재는 기계식보다 전자식 웨이스트 게이트가 더 대중적으로 많이 사용되고 있습니다.
4. 터보차저 단점
하지만 이런 터보차저에서도 큰 문제점이 존재하는데 그중에서 가장 큰 터보차저 단점은 터보 렉입니다.
터보 렉은 운전자가 가속 페달을 밟아도 터보차저에서 충분한 압력을 만들어 내기까지 지연이 발생하는 것을 의미합니다.
터보 렉이 발생하는 이유는 낮은 속도 구간에서 배기가스의 양이 충분하지 않기 때문에 터빈의 회전 속도가 느리게 되고 이에 따라 컴프레셔에서 필요한 압축 공기를 제때 공급하지 못해 발생하게 됩니다.
그렇기 때문에 현재 터보차저 기술은 이 터보 렉 현상을 줄이며 엔진의 민첩성을 높이는 방향으로 점차 진화하고 있습니다.
5. 터보차저 해결 방안
1) 가변 지오메트리 터보차저
첫 번째 터보차저 해결 방안은 VGT라고 불리는 가변 지오메트리 터보차저나 VNT라고 불리는 가변 노즐 터보차저를 통해 터보 렉을 줄이는 것입니다.
VGT와 VNT는 터빈 하우징 내부에서 베인이라고 불리는 가변 블레이드를 설치하여 배기가스의 유입 통로 모양을 실시간으로 바꿀 수 있습니다.
터보 렉의 주된 원인인 낮은 속도에서 이 가변 블레이드의 간격을 좁게 하여 배기가스가 움직이는 속도를 높이는데 이때 빠르게 이동하는 배기가스는 적은 양으로도 효율적으로 터빈을 회전시킬 수 있어 낮은 RPM에서 부스트 압력을 빠르게 만들 수 있습니다.
또한 높은 속도에서는 이와 반대로 가변 블레이드의 간격을 넓혀서 배기가스의 흐름을 원활하게 하여 지나치게 압력이 높아지는 현상을 예방하며 최대 출력을 유지할 수 있습니다.
따라서 VGT는 낮은 속도부터 높은 속도까지 모든 RPM 구간에서 가장 최적의 과급 효율을 추구하여 터보 렉을 제거함과 동시에 토크 곡선을 평평하게 만들 수 있습니다.
그로 인해 VGT는 현재 디젤 엔진에서 주로 많이 사용되며 현재는 높은 배기가스의 온도를 견딜 수 있는 내열 소재의 발전으로 가솔린 엔진 일부에서도 사용되고 있습니다.
2) 트윈 스크롤 터보차저
두 번째 터보차저 해결 방안은 트윈 스크롤 터보차저로 이는 배기 매니폴드와 터빈 하우징을 스크롤이라고 불리는 두 개의 독립된 통로로 분리하여 설계하는 것입니다.
예를 들어 4기통 엔진의 경우 폭발 순서가 서로 겹치지 않게 1번 실린더와 4번 실린더 그리고 2번 실린더와 3번 실린더의 배기가스 흐름을 분리하는 것입니다.
물론 일반적인 터보차저에서는 배기행정 중에 배기밸브가 열리면서 발생하는 압력이 다른 실린더의 흡기 행정에 영향을 주어 효율을 낮추는 배기 간섭 현상이 발생할 수 있습니다.
하지만 트윈 스크롤 터보차저는 이런 배기 간섭 현상을 최소화하면서 각 실린더에서 나오는 배기 펄스의 에너지 손실 없이 각 터빈 휠에 전달하여 엔진 응답성을 높일 수 있습니다.
따라서 이 트윈 스크롤 터보차저를 통해 하나의 터보차저를 사용하면서 마치 두 개의 터보차저를 사용하는 것처럼 낮은 속도의 토크와 높은 속도의 출력을 동시에 향상시킬 수 있습니다.
3) 순차적 트윈 터보
세 번째 터보차저 해결 방안은 순차적 트윈 터보로 소형 터보와 대형 터보처럼 크기가 다른 두 개의 터보차저를 직렬로 연결하는 것입니다.
낮은 속도 구간에서는 우선적으로 작은 크기의 터보만 작동하여 적은 배기량으로도 충분히 빠르게 회전할 수 있어 터보 렉을 줄일 수 있습니다.
그리고 일반적인 속도 구간에서는 작은 크기의 터보와 큰 크기의 터보가 동시에 작동하여 출력을 높일 수 있습니다.
반면, 높은 속도 구간에서는 대형 터보만 작동하고 작은 터보는 건너 뛰어 높은 출력을 유도할 수 있습니다.
따라서 순차적 트윈터보를 통해 각 속도 구간에 따라 일정한 토크를 유지할 수 있으며 터보 렉을 줄일 수 있다는 장점이 있지만 구조가 복잡하며 비용이 비싸다는 단점이 있습니다.
6. 터보차저와 전기차
1) 전동화 터보차저(E-Turbo)
E-Turbo라고 불리는 전동화 터보차저는 기존의 배기가스 구동식 터보차저에서 소형 전기 모터를 합친 것입니다.
터보 렉이 가장 심한 낮은 RPM 구간에서 배기가스의 에너지가 충분하지 않을 때 전기 모터가 컴프레션 휠을 강제로 회전시키기 때문에 즉각적으로 과급 압력을 만들어 낼 수 있습니다.
이로 인해 운전자가 가속 페달을 밟는 순간 터보 렉 없이 바로 즉각적인 부스트를 경험할 수 있습니다.
전기 모토는 일반적으로 48V 마일드 하이브리드 시스템의 배터리나 높은 압력의 배터리로부터 전력을 공급받아 작동합니다.
물론 높은 속도로 회전하는 배기가스의 에너지가 충분할 땐 전기 모터가 발전기처럼 전기를 회수하여 다시 에너지를 만들어 낼 수 있습니다.
그렇기 때문에 전동화 터보차저는 높은 성능의 자동차나 배기가스 규제가 심한 유럽 자동차 시장에서 하이브리드 차량에 많이 사용되는 기술 중 하나입니다.
2) 이중 스테이지 터보차징
일부 높은 성능의 디젤 엔진 차량이나 대형 엔진에서는 이중 스테이지 터보차징이 사용되는데 이 기술은 크기가 서로 다른 두 개의 터보차저를 직렬로 연결하는 것입니다.
낮은 속도에서는 크기가 작은 터보차저가 먼저 공기를 압축하며 그로 인해 압축된 공기가 다시 크기가 큰 터보차저로 들어가 총 2번 압축할 수 있습니다.
그로 인해 압축비를 높여 출력을 높일 수 있으며 엔진의 다양한 부분에서 안정적인 부스트 압력을 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
7. 터보차저 관리
물론 터보차저에서도 안정적인 성능 유지를 위해 지속적인 관리가 필요합니다.
특히 터보차저에 있는 터빈 휠은 최대 20만 RPM 이상 높은 속도로 회전하는데 이때 배기가스 온도는 무려 1,000도에 달하며 엔진 오일에 의해 다시 온도가 내려가면서 윤활됩니다.
따라서 엔진 오일의 품질과 교체 주기가 터보차저 관리의 핵심이라 볼 수 있기 때문에 가급적 차량 제조사에서 권장하는 좋은 엔진 오일을 사용하는 것을 추천해 드립니다.
그리고 터보차저를 사용하는 엔진은 오랜 시간 동안 높은 속도로 운전하는 경우 갑자기 엔진 시동을 끄는 것을 가급적 피해야 합니다.
만약 높은 속도로 계속 달리다 갑자기 시동을 끄게 되면 과열된 터보차저에 엔진 오일 공급이 중단되어 식지 못한 높은 열로 인해 엔진이 손상될 수 있습니다.
그렇기 때문에 가급적 1분 내외의 공회전을 통해 터보차저의 온도를 낮춘 후 시동을 끄는 것을 추천해 드립니다.
물론 요즘 나온 차량에는 터보 타이머 기능이 옵션으로 들어가 있거나 정밀하게 제작되어 운전자가 이것을 신경 쓰지 않아도 되도록 제작되어 나오고 있습니다.
그리고 인터쿨러와 연결된 흡기 호스나 웨이스트 게이트 등의 부품이 손상되면 과급 압력이 줄어들어 성능이 떨어질 수 있으니 정기적으로 카센터에 들러 점검받는 것을 추천해 드립니다.
8. 결론
지금까지 터보차저 작동 원리와 단점 및 문제점 그리고 해결 방안에 대해 자세히 알아보았습니다.
터보차저는 단순하게 출력만 높이는 부품을 넘어서 배출가스를 줄이는 것과 동시에 연비를 높일 수 있는 친환경 부품이라는 인식으로 다가오고 있습니다.
특히 가변 지오메트리와(VGT)와 전동 모터를 함께 사용하는 전동화 터보차저 기술을 통해 터보 렉을 줄이면서 엔진 효율성을 높이는 방법이 많이 사용되고 있습니다.
게다가 하이브리드 동력 장치의 결합과 ECU 제어 기술 등을 통해 터보차저는 앞으로 내연기관을 한층 더 발전시키는 중요한 기술로 거듭날 것입니다.
만약 GDI 엔진에서 LSPI 현상이 발생하는 이유나 MPI 엔진과 비교한 내용이 궁금하신 분들은 아래의 링크에서 자세히 알아보시기를 바랍니다.