터보엔진은 자연흡기 엔진에서 엔진의 사이즈 증가 없이 출력을 증가시킨 엔진입니다. 주로 고성능 자동차에 사용됩니다. 터보엔진이 자연흡기엔진과 비교해서 어떤 차이점이 있는지 그리고 작동원리는 무엇인지에 대해 자세하게 알아보겠습니다. 아울러 터보랙 현상에 대해서 알아보겠습니다.
※ 터보장치와 함께 핵심장치가 인터쿨러 입니다. 터보 인터쿨러에 장치에 대해서는 아래의 이미지를 참고바랍니다.
목차
1. 터보엔진
터보엔진(Turbo Engine)의 정확한 표현은 터보차저엔진(Turbo Changer Engine)입니다. 터보엔진의 개발 목적은 엔진의 용량 증가 없이 파워를 증가시키는 것입니다. 자동차 엔진의 파워는 기본적으로 연소실의 크기와 비례합니다. 연소실의 크기가 클수록 자동차의 파워는 늘어납니다. 물리적인 연소실의 크기는 더 많은 연료를 연소하여 파워를 늘릴 수 있는 것입니다. 그러면 동일한 용량에 파워를 늘릴 수 있는 방법은 없을까? 많은 연구원들이 고민을 했습니다. 그래서 고안한 방법이 공기를 압축해서 연소실에 넣는 것입니다. 이 기술은 원래는 비행기에 사용하는 기술입니다. 비행기가 높은 고도에서 비행하면 공기가 희박하기 때문에 정상적으로 하지 못했습니다. 그래서 정상적인 연소를 위해서 공기를 압축해서 넣는 기술이 터보차저 기술입니다. 이 기술을 자동차에 적용한 것이 터보차저엔진(터보엔진)입니다. 이렇게 되면 동일한 공간에 더 많은 공기와 연료를 넣을 수 있어서, 동일한 사이즈 대비 파워를 증가할 수 있습니다.
터보엔진은 다른 부분은 자연흡기와 동일한 시스템을 사용하고 공기를 압축하기 위한 흡기 부분에 압축기가 설치가 됩니다. 그러면 그다음 문제는 압축기는 어떻게 작동시킬 것인가입니다. 현재는 배기가스의 압력을 이용하여 흡기 부분의 압축기를 작동시키는 시스템이 널리 적용 중입니다. 공기를 압축하고 더 많은 연료를 연소하는 만큼 기존 자연흡기 대비해서 전체 시스템에 더 많은 스트레스를 요구하는 것은 사실입니다. 그래서 추가적으로 주변 부품에 내구성 보완이 필요합니다.
터보엔진의 개발 배경
터보엔진은 20세기 중반에 개발되었습니다. 1905년에는 스위스의 엔지니어에 의해서 터보차저엔진이 개발되었지만, 당시기술력으로는 상용화가 어려웠습니다. 이후 항공기의 개발이 본격화 되면서 터보엔진이 최초로 적용된 분야는 항공기엔진입니다. 자동차에서 터보엔진을 적용되기 시작한 것은 1960년대 후반부터입니다. 그 후 1970년대에 차량용 터보엔진에 대한 기술이 본격적으로 개발되기 시작되었고, 고성능 차량부터 상용화되기 시작했습니다. 지금은 성능과 효율성이 개선되면서 많은 자동차에 널리 적용이 되고 있습니다. F1 같은 고성능 경주에서는 터보엔진이 기본적으로 적용되면서, 현재는 고성능 자동차 이외에도 연비와 성능 면에서 우수한 성능이 알려져 일반적인 자동차에서 늘리 적용되고 있습니다. 특히 최근에는 하이브리드 차량에 터보엔진과 전기모터를 함께 사용되고 있습니다.
2. 터보엔진의 작동원리
터보엔진은 공기를 압축하여 엔진 사이즈 증가 없이 출력을 향상한 엔진입니다. 의문은 어떻게 공기를 압축을 할 것인가? 입니다. 일반적으로 배기가스의 힘을 이용하여 터빈을 회전시키고 이를 흡기의 압축기와 직결로 공기를 압축하는 방식을 사용합니다. 배기가스는 일반적인 자연흡기 엔진의 경우 그대로 차량밖으로 배출됩니다. 차량밖으로 배출되기 때문에 버려지는 동력이고 이를 이용하여 터빈에서 압축기에서 사용할 동력을 많들어 냅니다. 매우 좋은 아이디어입니다. 엔진으로 공급된 공기는 더 많은 산소를 가지고 있어서, 이는 더 많은 연료로 연소할 수 있고, 더 많은 출력을 만들어 냅니다. 터보엔진은 터보차저를 이용해 공기를 압축하여 더 효율적인 연소를 일으키는 원리입니다. 작동원리를 요약하면 (1) 배기가스 배출 → (2) 터빈 회전 → (3) 압축기 회전 → (4) 공기 압축 → (5) 엔진 실린더에 압축공기 흡입 → (6) 폭발 사이클로 작동됩니다.
터보랙(Turbo Lag)
터보엔진에는 특유의 터보랙 특성이 있습니다. 지금 터보엔진 자동차를 가지고 있다면 차량이 처음 출발할 때는 느끼지 못하다가 RPM이 놀라가면 갑자기 엔진힘이 증가하는 현상을 느낄 것입니다. 이처럼 처음 출발할 때 터보의 힘이 미처 작동하지 못하는 것은 터보랙이라 합니다. 터보랙은 엔진의 회전수가 낮을 때 발생합니다. 터보랙 현상의 원리를 쉽게 설명하면 엔진회전수가 낮을 때에서 공기의 압축량이 작아서 터보의 강력한 힘을 발휘하지 못하는 현상입니다. 저회전수에서는 자연흡기엔진 수준의 파워를 발휘하는 정도입니다. 발생하는 원인은 엔진 회전수가 낮을 때는 배기가스의 압력도 낮아서 터빈을 강력하게 돌려주지 못하고 터빈과 연결되어 있는 압축기에서 충분히 공기를 압축하지 못하기 때문입니다. 그래서 엔진회전수가 낮을 때는 터보엔진이 제 기능을 발휘하지 못하는 이런 현상을 터보랙이라 합니다.
3. 터보엔진의 장단점
1) 터보엔진의 장점
- 엔진 출력이 향상 : 동일한 배기량을 가진 엔진의 경우 출력이 월등하게 높습니다. 압축된 공기를 사용하여 더 많은 연료를 연소가 가능합니다.
- 엔진 다운 사이징 : 터보엔진은 작은 크기로 큰 출력을 발휘합니다. 그 만큼 큰 자동차를 움직일 수 있고, 그래서 동일한 자동차 사이즈 대비 작은 엔진의 사용이 가능합니다. 동일한 출력의 경우 자연 흡기 차량 대비해서 배기량의 크기를 줄일 수 있습니다. 따라서 작은 엔진을 적용할 수 있고, 경량화 및 연비 향상효과가 있습니다.
2) 터보엔진의 단점
- 엔진 부품의 추가 : 당연한 말이겠지만 자연흡기 대비 부가적인 장치가 추가됩니다. 대표적으로 압축기와 터빈 같은 부품입니다. 이로 인해서 동일한 배기량 대비 자동차 가격이 상승하고, 부품이 추가된 만큼 지속적인 유지보수가 필요할 수 있습니다.
터보랙 : 터보 엔진의 가장큰 단점은 터보랙입니다. 자동차는 일반적으로 출발 시에 큰 힘을 발휘합니다. 그러나 터보엔진은 터보랙으로 인해서 출발 시에는 터보의 장점을 얻을 수 있습니다.
댓글