오래전부터 이 블로그에서도, 친구들과의 대화에서도 저는 한 가지를 계속 지적해 왔습니다. 터보나 컴프레서에 대해 이야기할 때, 자신의 차량에 어떤 시스템이 장착되어 있는지조차 분명히 알고 있는 사람이 매우 드물다는 점입니다. 그리고 각 시스템의 고유한 특성을 알아야 이를 어떻게 다루고 관리해야 하는지 알 수 있고, 그래야 나중에 고장이 나거나 값비싼 수리비 앞에서 후회하지 않게 됩니다.

지난주 제 동료 페르난도가 기술 기사 카테고리에서 시작한 두 번째 글에서는, 개인적으로 매우 흥미롭다고 생각하는 주제를 다루고자 합니다. 바로 터보와 컴프레서의 차이, 또는 영미권에서 supercharged라고 부르는 슈퍼차저에 대한 것입니다. 대서양 건너편에서는 그렇게 부르니까요.

계속하기 전에 두 시스템의 역사를 짚어 보고 싶습니다. 생각보다 두 시스템 모두 결코 새로운 기술이 아니기 때문입니다. 엔진을 과급하겠다는 아이디어는 1896년으로 거슬러 올라갑니다. 당시 다임러 형제가 매우 투박해 보이는 형태의 컴프레서를 특허로 등록했습니다. 엄밀한 의미의 최초 터보 특허는 1904년이 되어서야 등장했는데, 그 주인공은 Renault입니다.

보시다시피 컴프레서와 터보의 아이디어는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 이전부터 존재했습니다. 예를 들어 1905년에는 Büchi라는 엔지니어가 Renault의 아이디어를 바탕으로 터보의 자체적인 개념을 제시했습니다. 그리고 1919년에는 이미 메커니즘이 매우 정교해져서 오늘날의 것과 거의 다를 바 없는 수준에 이르렀습니다.

컴프레서와 그 특성

기술적인 이야기로 들어가 보겠습니다. 먼저 컴프레서부터 이야기하겠습니다. 용적식 펌프와 매우 비슷한 시스템으로, 회전하는 요소가 컴프레서 입구의 부피를 키워 흡입구에 압력 저하를 만들고, 이로 인해 외부의 공기를 빨아들입니다. 흡입된 공기가 컴프레서 출구 방향으로 이동하면서 부피가 줄어들고, 그 결과 고압의 공기가 배출됩니다.

터보는 어떻게 작동할까?

반면 터보 시스템이 있습니다. 이 시스템은 터빈의 날개가 움직이면서 작동합니다. 이 움직임은 배기가스가 날개를 돌리면서 만들어집니다. 이 회전은 일종의 컴프레서에 전달되어 엔진의 흡기 쪽으로 고압의 공기를 밀어 넣습니다. 이 때문에 터보는 컴프레서처럼 일정한 압력을 유지하지 않고, 배기가스가 터빈을 밀어내는 압력에 따라 달라집니다.

이 설명에서 이미 터보와 컴프레서의 첫 번째 차이를 볼 수 있습니다. 컴프레서는 일정한 압력을 제공하는 반면, 터보에서는 압력이 배기가스의 세기에 따라 “변화”합니다. 즉 회전수가 높을수록 배기 압력이 커지고, 그만큼 터보의 성능은 훨씬 뛰어납니다.

컴프레서의 압력이 일정하다는 특성 때문에 사용할 때 몇 가지 “단점”도 있습니다. 예를 들어 자연흡기 엔진의 출력 그래프와 컴프레서를 장착한 엔진의 그래프를 나란히 보면, 모양은 같지만 컴프레서 쪽 그래프의 값이 더 높게 나타납니다.

이것이 무슨 뜻일까요? 기본적으로 엔진 자체가 제대로 작동하지 않으면, 예를 들어 저회전에서 탄성이 부족하거나 출력 곡선에 공백이 있다면, 컴프레서를 장착하는 것으로는 블록의 결함을 그대로 유지하는 것밖에 되지 않습니다. 즉 그 공백을 감출 수 없고, 이는 매우 불쾌한 결함입니다. 바로 이런 이유 때문에 유럽에서 터보가 널리 채택되게 된 주된 근거 중 하나이기도 합니다.

한편 컴프레서는 터보 시스템에 비해 가장 큰 단점을 가지고 있는데, 바로 컴프레서가 차량의 크랭크축에 직접 연결된 벨트로 구동된다는 점입니다. 이는 장기적으로 엔진이 움직여야 할 추가 무게를 의미합니다. 또한 일부 컴프레서는 작동 방식 때문에 공기가 가열되어 성능을 떨어뜨립니다.

그런데 이 문제는 사실 큰 단점이 아닙니다. 두 시스템 모두 이 점에서는 같은 결함을 가지기 때문입니다. 그래서 인터쿨러를 사용하는데, 이는 공기가 엔진 흡기로 들어가기 전에 최대한 식혀 주는 역할을 합니다. 그 결과 공기의 부피가 줄어들어 더 많은 산소가 엔진에 들어갈 수 있습니다. 참고로 말씀드리면, 20도의 공기 1리터에는 60도의 공기 1리터보다 더 많은 산소가 들어 있습니다.

터보로 넘어가면, 앞서 말했듯이 배기가스가 들어오는 압력에 의존하는 시스템입니다. 즉 압력이 높을수록 더 잘 작동합니다. 이것은 결국 훨씬 뾰족한 출력 곡선으로 이어지고, 중간 및 고회전 영역에서 엄청난 회전수를 보여 줍니다. 따라서 엔진의 이 구간에 공백이 있으면 터보의 추가 출력이 이를 크게 줄이거나 아예 사라지게 만들 수도 있습니다.

작동 방식 자체 때문에 이 시스템의 단점 중 하나는 래그(lag), 즉 작동 지연입니다. 이는 배기가스가 터빈을 돌리기 시작한 순간부터 그 움직임이 실제로 효과를 내기까지의 시간 때문에 생깁니다. 오늘날에는 이 시간이 몇 분의 1초 정도일 수 있지만, 초창기에는 1초에서 1초 몇 분의 1에 이르기도 했습니다.

LAG, 잘못 이해된 지연

오늘날 래그 또는 지연 문제를 해결하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 경제적인 방법은 훨씬 가볍고 작은 터빈을 사용하는 것이고, 아니면 큰 터빈 하나 대신 작은 터빈 두 개를 장착하는 것입니다. 후자는 트윈 터보 시스템에서 볼 수 있습니다.

오늘날 최신 차량에서 아마 자주 들어 보셨을 해결책은 가변 형상 터보를 채택하는 것입니다. 이는 저압에서 터빈 날개를 공기 흐름에 완전히 수직이 되도록 세워서, 터빈이 훨씬 빨리, 그리고 훨씬 강하게 돌아가게 하는 방식입니다.

마지막으로, 터보, 트윈 터보, 가변 형상 터보 시스템 모두 과압 문제가 있습니다. 이 때문에 작은 블로우오프 밸브가 장착됩니다. 작동 원리는 매우 단순합니다. 터보가 필요 이상으로 높은 압력을 만들면 밸브가 열려 불필요한 압력을 모두 배출하고, 이를 방치하면 극단적인 경우 엔진에 문제를 일으킬 수 있습니다.

컴프레서냐 터보냐, 서로를 보완하는 적

보시다시피 두 시스템은 전혀 다른 시스템이지만, 서로를 보완하는 관계이기도 합니다. Volkswagen가 결국 시장에서 철수해야 했던 엔진들에서 이미 보여 준 것처럼, 컴프레서는 저회전에서 엔진에 큰 출력을 제공하고, 중간 또는 고회전에서는 터보가 훨씬 더 큰 성능을 제공합니다.

참고로 말씀드리면, 이 회사가 엔진에 컴프레서와 터보를 함께 장착한 최초의 제조사는 결코 아닙니다. 나중에 수리 문제 때문에 철수해야 했던 그 블록들은 매우 정교했고 수리비도 매우 비쌌다고 합니다. 그리고 이런 종류의 시스템을 엔진에 적용한 최초의 차량 중 하나는 다름 아닌 랠리용 Lancia Delta S4(사진의 모델)였습니다. 당시 전설적인 그룹 B에 출전했습니다.

개인적으로 저는 여러분처럼 아주 많은 차량을 다양하게 운전해 봤는데, 자연흡기 엔진이나 컴프레서를 장착한 엔진을 선호합니다. 출력 곡선이 더 선형적이고 균일하며, 터보 시스템처럼 출력과 토크가 뾰족하게 쏟아지지 않기 때문입니다. 그래도 컴프레서를 구동하는 데 드는 부담 때문에 이런 시스템은 보통 연료를 훨씬 많이 소비합니다. 그래서 저는 자연흡기 쪽을 좋아합니다.