터보와 컴프레서의 작동 원리: 과급 방식의 종류

과급 시스템은 엔진의 성능을 현저히 높여 줍니다. 기본적으로 엔진을 과급할 때 목표는, 엔진이 대기압 상태에서 자연적으로 흡입할 수 있는 양보다 더 많은 공기를 실린더에 넣는 것입니다.

왜 연소실에 더 많은 공기가 필요할까요? 아주 간단히 말하면, 엔진의 출력은 연료와 반응시켜 강력한 폭발을 일으킬 수 있는 산소의 양에 좌우되기 때문입니다. 여기서 말하는 폭발(가솔린 엔진에서는 연소, 디젤 엔진에서는 연소라고 부르는 것이 더 정확합니다)이 피스톤을 밀어 올립니다.

이를 위해서는 과급 장치를 사용해 흡입 공기를 압축해야 하며, 과급 장치에는 두 가지 종류가 있습니다. 터보(터보차저라고도 함)와 컴프레서입니다.

터보와 컴프레서의 작동 원리를 살펴보겠습니다. 이를 이해하면 각 방식의 장점과 단점을 더 잘 파악할 수 있습니다.

그 전에 짚고 넘어갈 점이 있습니다. 컴프레서도 터보도 최신 기술이 아니라는 것입니다.

과급은 20세기 초부터 자동차 경주에 사용되어 왔습니다. 컴프레서의 경우 다른 산업 분야에서 이미 쓰이던 기구를 응용한 것입니다. 터보차저는 고도가 높아질수록 줄어드는 공기 밀도를 보완하기 위해 항공기 엔진에서 처음 개발되었습니다.

터보의 작동 방식

터보는 기본적으로 케이싱 안에서 회전하는 축으로 두 개의 터빈이 함께 연결된 구조입니다. 작동 원리는 엔진 배기가스의 운동 에너지를 활용하는 것입니다.

배기가스는 첫 번째 터빈을 통과하며 이를 회전시킵니다. 두 번째 터빈은 같은 축에 연결되어 있으므로 함께 회전합니다. 이때 두 번째 터빈의 회전을 이용해 흡기 매니폴드의 공기를 밀어 넣어 압력을 만듭니다.

터보차저 엔진에 대해 알아두어야 할 중요한 점들이 있습니다. 당연히 터보가 클수록 더 높은 압력을 만들 수 있습니다. 하지만 그만큼 배기가스가 터빈을 가속하는 데에도 더 많은 에너지가 필요하므로, 가속 페달을 밟은 후 실제로 출력이 전달되기까지 응답 지연이 생길 수 있습니다. 이를 터보 래그라고 합니다.

또 하나. 터빈은 150,000rpm을 넘는 매우 높은 속도로 회전할 수 있습니다. 따라서 고장을 막기 위해서는 터보의 올바른 윤활(특히 회전축의 윤활)이 매우 중요합니다. 이를 위해서는 엔진 오일이 얼마나 중요한 역할을 하는지 확실히 이해하는 것이 좋습니다.

터보가 만들어 내는 과도한 압력은 블로오프 밸브로 제어합니다. 공기를 “배출”하는 이 밸브의 조정이 터보의 설정 압력, 즉 부스트 압력을 조절합니다.

또한 성능을 높이기 위해 터보차저 엔진에는 보통 인터쿨러라는 라디에이터가 장착됩니다. 이 라디에이터는 터보를 거치며 압축되어 온도가 올라가 산소 밀도가 떨어진 흡입 공기를 식혀 줍니다.

터보차저에 대한 마지막 이야기로, 이 시스템은 특히 디젤 엔진과 잘 맞는다는 점을 언급하고 싶습니다. 디젤 엔진은 점화 플러그의 불꽃으로 혼합기를 폭발시키는 것이 아니라 혼합기를 압축하여 작동하기 때문입니다.

가솔린 엔진은 연소가 효율적으로 이루어지도록 일정한 산소와 연료의 비율을 가진 혼합기가 필요합니다(더 궁금한 분들을 위해 말씀드리면 이를 이론 혼합비라고 합니다). 반면 디젤 엔진은 연소실에 넣을 수 있는 산소를 거의 모두 태울 수 있습니다.

사실 지금은 시장에 자연 흡기 디젤 엔진이 거의 없습니다. 가솔린 엔진에서는 전자식 연료 분사 장치가 등장하면서 터보가 중요해지기 시작했습니다. 전자식 분사는 기화기를 쓰는 터보 엔진보다 혼합기를 더 정밀하게 제어할 수 있었기 때문입니다. 하지만 이것은 또 다른 이야기입니다. 현재도 터보 없이 뛰어난 가솔린 엔진을 만드는 브랜드가 있습니다. 예를 들어 Mazda가 CX-30에서 시승한 2.0 Skyactive 엔진이 그 예입니다.

터보의 종류

용도에 따라 여러 종류의 터보차저가 있습니다. “형상”에 따라 고정식 터보와 가변식 터보로 나뉩니다.

• 고정 형상 터보차저. 이 유형에서는 배기가스로 구동되는 터빈에 들어가는 공기의 흐름이 항상 같은 방식으로 이루어집니다. 움직이는 부품이 적어 제조가 더 간단합니다. 문제는 엔진이 저rpm으로 회전할 때 배기가스의 흐름에 터빈을 빠르게 가속할 만큼의 에너지가 부족하여 앞서 언급한 터보 래그, 즉 터보의 응답 지연이 발생한다는 점입니다.
• 가변 형상 터보차저. 영어로 Variable Geometry Turbocharger의 약자인 VGT라고도 부릅니다. 터빈 부분에 공압 또는 전기식으로 작동하는 날개(베인)가 있습니다. 배기가스가 터빈에 부딪히는 방식을 바꿀 수 있어, 배기가스 흐름이 약할 때 터빈의 회전을 가속하는 데 주로 사용됩니다. 터보의 응답 지연을 대부분 없애 줍니다.
• 트윈 스크롤 터보: 더블 엔트리 터보라고도 합니다. 실린더에서 나오는 배기가스의 흐름을 나누어, 흡기 매니폴드에 역압이 생기지 않도록 하는 방식입니다.

이 영상에서 터보차저, 특히 가변 형상 터보차저의 작동 과정을 확인하실 수 있습니다.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

컴프레서의 작동 방식

이제 컴프레서를 살펴보겠습니다. 목적은 터보와 같습니다. 압축된 공기를 연소실에 넣는 것입니다. 다만 여기서는 배기가스의 에너지를 사용하지 않고, 압축 장치가 엔진 자체로 구동됩니다. 보통 크랭크축에 연결된 벨트를 통해 구동됩니다.

컴프레서의 응용도 20세기 초로 거슬러 올라갑니다. 당시에는 높은 출력을 얻는 수단으로 경주용 모델에 사용되었습니다. 배기가스에 의존하지 않기 때문에 응답 지연이 없습니다. 하지만 고rpm에서는 엔진 출력의 큰 손실을 가져와 효율을 떨어뜨립니다.

컴프레서의 종류

컴프레서는 구조에 따라 여러 종류가 있습니다.

• 루츠 타입 컴프레서. 케이싱 안에서 반대 방향으로 회전하며 공기를 밀어내는 8자 모양의 로터 때문에 “로브(lobe) 방식”이라고도 합니다.
• 이튼 컴프레서. “스크루(나사) 방식”이라고도 합니다. 나선형 모양의 두 요소가 맞물려 회전하며, 두 부품 사이로 들어온 공기의 부피가 줄어들어 압력이 높아지는 구조입니다.

1990년대에 Volkswagen가 성공적으로 사용하지 못한 또 다른 유형의 컴프레서는 G 컴프레서로, 스크롤 컴프레서라고도 합니다. 고정된 나선과 움직이는 내부 나선으로 구성되어, 움직일 때 공기를 압축합니다. 제조가 복잡하고 신뢰성이 낮아 사용이 중단되었습니다.

루츠 컴프레서 영상

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

이튼 컴프레서 영상

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

터보와 컴프레서 중 무엇이 더 나을까?

여기까지 읽으셨다면 터보와 컴프레서 중 어느 쪽이 더 나은지에 대해 스스로 의견을 가지실 수 있을 것입니다. 이 질문에는 하나의 정답이 없기 때문입니다. 엔진의 종류와 원하는 목표에 따라 달라집니다. 실제로 두 시스템을 함께 사용하는 브랜드도 있습니다.

요약하면, 컴프레서는 매우 낮은 회전수에서도 가속 페달에 거의 즉각적으로 반응하게 해 줍니다. 하지만 부피가 크고, 구동 과정에서 엔진 출력을 빼앗습니다.

터보차저는 엔진의 에너지를 “빼앗지” 않습니다. 그렇지 않으면 버려질 배기가스의 에너지를 사용합니다. 다만 터빈을 돌릴 만큼 배기가스가 충분하지 않을 때 응답 지연 문제가 생기며, 터보가 클수록 그 문제는 더 커집니다. 이 때문에 두 개 이상의 터보차저를 사용하는 해결책(저rpm용 소형, 고rpm 고출력용 대형)이 필요해졌습니다. Mercedes-벤츠나 BMW는 일부 엔진에 최대 세 개의 터보를 사용하기도 했습니다.

두 가지 시스템의 장점을 결합하기 위해 이중 과급을 채택한 브랜드도 있습니다. 그것도 스포츠 모델에만 해당하지 않습니다. 예를 들어 Volkswagen 그룹의 많은 모델은 Volkswagen 골프를 포함해 여러 차량에 탑재된 인기 있는 4기통 1.4 엔진에 컴프레서와 터보를 함께 사용했습니다.

전동화의 새로운 시대는 전동 보조 터보차저의 문을 열었습니다. 예를 들어 EPC입니다. Audi의 EPC는 전동 컴프레서가 터빈을 가속하여 저rpm에서의 터보 래그를 줄입니다. Audi의 최신 스포츠 모델인 TDI 엔진에서도 볼 수 있는 또 다른 해결책은 전동 컴프레서와 터보를 결합하는 것입니다.