터보엔진에는 근본적인 구조에서 발생하는 터보랙이 있습니다. 터보랙은 막상 자동차에 높은 출력이 필요할 때 사용하지 못하는 단점이 있습니다. 터보랙은 엔진의 회전수가 낮을 때 발생하는 현상이 터보랙입니다. 그러나 많은 연구원과 자동차 제조사들이 이를 극복하기 위한 많은 노력을 했습니다. 오늘은 터보랙이 무엇이고 이를 극복하기 위한 방법은 무엇이 있는지 알아보겠습니다.
1. 터보엔진(Turbo Charger Engine)의 터보랙(Turbo Lag)
터보랙은 터보엔진 자동차에서 출발부터 저속구간에서 엔진의 회전수가 낮을 때 배기의 압력이 높지 않아서 터빈을 충분히 돌려주지 못할 경우 흡입기에 공기의 압축량이 낮아서 터보의 성능을 발휘하지 못하는 현상입니다. 터보엔진은 엔진 배기의 압력으로 터빈을 돌리고 터빈의 회전력으로 흡기 쪽의 공기를 압축하여 실린더의 연소실에 넣어 주는 역할을 합니다. 결국 터보엔진은 흡기의 공기를 압축해야 하는 것이고, 이는 배기 쪽의 압력으로 동력을 얻습니다. 그래서 배기압력이 낮을 경우 흡입에서 높은 압력을 만들 수가 없습니다. 배기의 압력은 엔진의 회전수에 의존하게 됩니다. 그래서 엔진의 회전수가 낮은 출발 직후에는 터보가 작동하지 못하는 것입니다.
일반적으로 자동차는 출발할때 강력한 힘이 필요합니다. 출발 시에 자동차와 지면의 마찰력이 높을 것이고, 초반에는 많은 가속력이 필요하므로 힘이 많이 필요한 것입니다. 막상 필요할 때 힘을 발휘하지 못하고 엔진이 일정 회전수에 도달한 이후에 강력한 터보의 힘을 발휘합니다. 초반에 힘을 발휘하지 못하는 현상을 터보랙이라 합니다.
2. 터보랙의 극복방법
터보랙은 터보엔진이 본질적으로 가지고 있는 단점입니다. 그래서 일부부품을 개선하거나 문제점을 제거하기 위해서 극복되지는 않습니다. 많은 자동차 제조사도 이를 극복하기 위해서 많은 노력을 하였고, 다양한 시스템이 개발되었습니다. 대표적으로 터보차저에 전기모터를 장착하여 엔진작동 전에 전기모터를 사용하는 충분한 압력을 만들어 두는 "전기 터보" 또는 엔진 작동 전에 미리 압력을 쌓아두는 "트윈 터보" 등이 있습니다.
- 트윈 터보 : 자동차 트윈터보(Twin-turbocharged)란 두 개의 터보 차저가 엔진의 공기 흐름을 동시에 압축하여 엔진의 성능을 향상하는 시스템입니다. 일반적으로 단일 터보 차저 시스템에 비해 두 개의 터보 차저를 사용하므로 더 많은 공기를 압축할 수 있어 엔진 출력이 향상됩니다. 또한, 두 개의 터보 차저가 서로 대칭적으로 배치되어 있으므로 엔진의 반응성이 좋아지고, 각각의 터보 차저는 저속부터 고속까지 넓은 RPM 범위에서 최적의 압력을 생성할 수 있어 보다 폭넓은 성능을 발휘합니다.
- 터보 차저 크기 축소 : 터보 차저의 크기를 축소함으로써 작동 시작 시간을 단축시킵니다. 터빈의 크기를 작게 만듦으로써 전체적인 터보의 효과는 줄어들지만 초반에 반응성을 높게 만드는 것입니다. 터빈의 크기가 작으면 작은 배기가스의 압력으로 터빈을 힘차게 돌릴 수 있을 것이고, 그러면 흡입에서 공기의 압축이 쉬워질 것입니다. 그러나 작은 터빈의 크기로 공기의 압축량이 작을 것이고 터보로 인해 발생하는 동력 증가의 크기도 작을 것입니다.
- 전자식 터보: 터보 차저의 작동을 전자적으로 제어하여 터보랙을 최소화합니다. 제어를 해서 터보랙을 최소화 할 수 있지만 근본적인 터보랙을 막을 수는 없습니다.
- 가변형상 터보차저(VGT) : Variable Geometry Turbocharger의 줄임말 입니다. 주로 디젤 엔진에서 사용됩니다. VGT는 엔진 속도나 부하 조건에 따라 터보 차저의 유동량을 조절하여, 엔진의 성능을 최적화합니다. 이를 통해 저속에서 고속까지 넓은 RPM 범위에서 엔진 출력과 연료 효율성을 높일 수 있습니다. 일반적으로 VGT는 터빈 하우징에 있는 가변 송풍 날개(vane)를 이용하여 유동량을 조정합니다. 송풍 날개를 움직이면, 터빈 휠로 향하는 공기의 유속과 방향이 변하므로, 압축기 쪽의 공기 유속과 압력도 함께 변화합니다. 이를 통해 보다 효율적인 공기 압축이 이루어져 엔진 출력과 연료 경제성을 동시에 높일 수 있습니다. VGT는 높은 출력과 연료 경제성을 동시에 추구하는 디젤 엔진에서 많이 사용되며, 최근에는 일부 가솔린 엔진에서도 적용되고 있습니다.
3. 슈퍼차저 (Supercharger)
1) 슈퍼차저 (Superchager)
슈퍼차저 엔진(Supercharger Engine)은 터보차저(Turbocharger)와 달리 엔진의 힘으로 직접적으로 압축기(Compressor)를 회전시켜 공기를 압축하는 시스템입니다. 슈퍼차저 엔진은 기본적으로 엔진 회전력에 의해 작동하므로 많은 부분에서 터보랙을 방지할 수 있습니다. 그러나 엔진의 힘으로 터보차저를 돌리기 때문에 일반 터보차저 대비 엔진의 동력을 소모하게 됩니다. 그래서 더 큰 엔진이 필요합니다. 동일하게 엔진 출력을 증가시키는 효과를 얻을 수 있습니다. 슈퍼차저 엔진은 일반적으로 터보차저에 비해 낮은 RPM 범위에서 높은 출력을 발휘합니다. 또한, 터보차저와 달리 전송속도 지연이 없기 때문에 반응성이 빠르며, 엔진의 동력이 부족한 상황에서도 빠른 가속이 가능합니다. 일반적으로 연비가 터보차저에 비해 좋지 않을 수 있습니다. 슈퍼차저 엔진은 일반적으로 고성능 차량이나 스포츠카 등에서 사용되며, 터보차저와 함께 사용하여 최적의 출력을 발휘하는 경우도 있습니다.
2) 슈퍼차저와 터보차저의 차이점
슈퍼차저(Supercharger)와 터보차저(Turbocharger)는 모두 엔진 출력 개선을 위해 사용되는 기술입니다. 그러나 그 작동 원리와 특징에서 차이가 있습니다. 슈퍼차저는 직접적으로 엔진 회전력을 이용하여 작동하는 압축기를 가지고 있습니다. 즉, 벨트, 기어 등을 통해 엔진 회전력을 직접적으로 전달 받아 작동합니다. 이러한 작동 방식으로 인해 슈퍼차저는 일정 RPM 이상에서 높은 출력을 발휘하며, 전송 지연이 없어 반응성이 좋습니다. 하지만, 슈퍼차저는 직접적으로 엔진 회전력을 사용하기 때문에 엔진의 출력이 감소하는 효과가 있습니다. 낮은 RPM에서도 강력한 출력을 얻을 수 있고, 즉각적인 반응성은 좋지만 출력을 발휘하기 위해 엔진의 일정한 출력을 소모해 연비가 터보차저에 비해 떨어질 수 있습니다.
반면, 터보차저는 엔진 배기가스를 이용하여 작동합니다. 배기 가스가 터보차저의 압축기를 회전시켜 공기를 압축하여 엔진으로 공급합니다. 이러한 작동 방식으로 인해 터보차저는 상대적으로 낮은 RPM 범위에서도 높은 출력을 발휘할 수 있으며, 출력 발생을 위해 추가적인 출력 소모가 없어 연비가 슈퍼차저보다 우수할 수 있습니다. 하지만, 터보차저는 전송 지연이 있을 수 있으며, 복잡한 부품 구성으로 인해 유지보수가 어려울 수 있습니다.
따라서, 슈퍼차저는 일반적으로 고성능 차량이나 스포츠카 등에서 사용되며, 일정 RPM 이상에서 높은 출력을 발휘하고, 전송 지연이 없어 빠른 반응성을 갖추고 있습니다. 반면에, 터보차저는 연비가 좋고, 낮은 RPM 범위에서도 높은 출력을 발휘할 수 있으며, 고성능 차량에서도 널리 사용되고 있습니다.
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