💡 터보차저, 어떻게 작동되는지 알려드릴게요.

*뉴스레터 운영자 Beomkie가 최대한 풀어서 터보차저에 대해 설명해 드릴게요!

어떤 차량의 이름에는 터보가 들어가고, 우리가 흔히 타는 차량에서도 찾아볼 수 있는 터보차저. 대체 터보가 무엇이길레 그 많은 차량에서 사용되는 것일까요? 

오늘 뉴스레터에서는 터보차저에 대한 기본적인 원리에 대해서 쉽게 설명해드리고자 합니다😁

터보차저의 시작과 원리

터보차저는 비행기에서 시작된 부품이었습니다. 비행기가 높은 고도로 올라갔을 때 공기의 밀도가 낮아져서 출력이 저하되는 것을 막기 위해 개발된 것이 그 시작이었습니다. 그렇게 만들어진 부품이 같은 엔진을 사용하던 자동차도 점차 사용하게 되었습니다.

터보차저의 구조는 정말 단순합니다. 달팽이처럼 생긴 터보차저는 기본적으로 더 많은 공기를 빨아들여 압축하는 것이 기본 역할입니다. 

터보처저 내부에는 임펠러와 터빈이 각각 반대편에 장착되는 구조를 갖고 있고 임펠러 하우징과 터빈 하우징이 그 위를 덮고 있으며 공기의 흐름에 따라 원형으로 되어져 있습니다. 

터보차저의 기본 역할은 더 많은 공기를 빨아들이는 것. 하지만 더 많은 양의 공기를 빨아들이기 위해서는 그만한 에너지를 필요로 합니다. 터보차저는 그 에너지를 배기가스에서 얻어냅니다. 자동차의 배기가스는 우리가 생각하는 것보다 강력한 힘을 갖고 있습니다. 배기가스의 높은 온도와 엄청난 압력의 변화로 인해서 음속 이상의 속도로 실린더를 빠져나와 배기구를 통해 차량의 뒤로 이동하게 됩니다. 이러한 힘으로 터보차저의 터빈을 돌리게 됩니다. 배기가스의 힘으로 회전하게 된 터빈은 같은 축에 연결되어있는 임펠러를 같이 고속으로 돌리게 되고 임펠러는 터빈이 돌아가는 힘으로 많은 양의 공기를 빨아들이게 됩니다. 빨아들인 공기는 임펠러를 지나 흡기 매니폴드로 이동하며 이동할 때 통로가 넓어지면서 속도 에너지가 압력 에너지로 변환하며 공기가 압축됩니다. 이렇게 압축된 공기가 실린더 안으로 들어가게 된다면 터보가 없을 때 흡입하는 양보다 더 많은 양을 흡입하는 셈!

하지만 압축한 공기는 뜨겁다.

터보차저를 통해 공기가 압축되어 더 많은 공기를 실린더에 넣을 수 있게 되었지만 우리가 과학시간에 배웠듯 공기가 압축되면 열이 발생하게 됩니다. 엔진에서 온도는 굉장히 중요한 요소입니다. 실린더의 행정 과정에서 정확한 타이밍에 폭발이 일어나야하기 때문이죠. 정해진 실린더의 움직임과 타이밍에 반하여 온도가 높아진다면 원치 않는 타이밍에 폭발이 일어날 수 있습니다. 이때 점화시기보다 일찍 발화가 되어 잘못된 노킹(Knocking)현상이 발생하게 됩니다.

그래서 이 현상을 줄이기 위해서 인터쿨러를 이용하게 됩니다. 인터쿨러는 흡입 공기를 식혀주는 장치로 공냉식과 수냉식 2가지 방식 중 하나를 사용하여 공기를 식히게 됩니다.

*노킹이란?

- 노킹은 엔진의 실린더에서 본래의 점화 혹은 착화 지점에서 연소되지 않고 더 일찍 연소된다면 피스톤의 기존 위치보다 낮은 곳에서 운동 에너지를 받게 됩니다. 이때 피스톤은 운동 에너지를 내려가는데 사용하고도 남아 좌우로 흔들리며 내려가게 됩니다. 이때 좌우로 부딪히면서 망치로 쇠를 때리는 소리가 나서 노킹 현상이라고 합니다. 이는 엔진에 안좋은 영향을 끼칩니다😭

세상에 완벽한 것은 없다.

세상에 완벽한 것은 없듯이 그저 완벽해보이는 터보에도 단점이 있습니다. 바로 터보랙(Turbo lag) 입니다. 우리 잠시 느려진 컴퓨터를 보고 '랙이 걸렸다.' 라고 표현하는 것과 같이 터보도 느려지는 현상으로 인해 차량의 반응성을 떨어트리고는 합니다. 

터보차저에서 터보랙이 발생하는 이유는 엔진회전이 빠를 때 터보차저가 공기를 충분하게 압축 할 때 보다 엔진 회전이 느릴 때 터빈의 속도가 감소하여 출력이 상대적으로 감소하는 현상을 말하며 가속페달의 반응과 관계가 있습니다. 가속페달을 밟다가 늦추게 되면 엔진의 스로틀이 닫히게 되고 배기가스가 줄어들게 되면서 터빈의 회전속도도 함께 낮아지게 됩니다. 이때 낮아진 회전 속도로 임펠러는 흡입공기를 충분히 압축시키지 못하게 되는데, 이때 터빈은 배기가스의 흐름에 반해가 되고 엔진 회전 속도는 느려져 출력이 떨어지게 됩니다. 또한 터보랙이 발생 중인 상태에서 차량이 가속하게 되면 급격하게 빨라진 터빈의 회전 속도에 맞춰 공기가 압축되어야하는 시간의 차이가 발생하며 지연이 발생하게 됩니다.

이렇듯 회전 속도에 따른 변화에서 지연이 생길 수 있다는 점이 터보차저의 단점으로 작용하고 있습니다.

터보랙과 함께 터보차저 시스템의 단점은 기존 자연흡기 엔진에 비해 상대적으로 복잡한 구조를 가져야 하고, 흡기과정 또한 여러 단계를 거쳐야 해 그 길이가 길어지기 때문에 엔진의 반응성에 영향을 줄 수 밖에 없습니다. 이로인해 많은 자동차 매니아들이 자연흡기 엔진을 그리워하고 좋아하는 이유이기도 합니다.

하지만 터보랙을 없애기 위한 기술은 많이 사용되고 있습니다. 우리가 디젤 자동차에서 볼 수 있는 VGT라고 하는 단어도 터보랙을 줄이기 위한 용도로 사용되고 있습니다. 더불어 최근에 사용되고 있는 48V 마일드 하이브리드 시스템을 갖춘 차량들은 터빈 대신 전기모터를 활용해 임펠러를 회전시켜 터보랙을 없애고 차량을 출력을 높일 수 있도록 하는 기술을 사용하고 있습니다.

왜 요즘 차는 다 터보?

최근 길에 돌아다니거나 판매하는 차량을 보면 대부분 터보가 장착된 엔진임을 알 수 있습니다. 터보차저는 더 많은 공기를 실린더로 넣어줌으로서 공기 밀도를 향상 시키게 되고 완전연소를 통해 엔진의 폭발력이 증가하게 되는 만큼 더 작은 배기량의 엔진으로 높은 출력을 발휘할 수 있습니다.  이에 따라 차량의 연비를 높일 수 있게 되죠.

터보차저의 기본적인 원리에 대해서 이해가 되셨나요? 더 궁금한 점이 있다면 뉴스레터 댓글에 남겨주세요!

이번 주도 즐겁게 마무리하세요!😄

Written by @beomkie