터보차저·수퍼차저.. 엔진 출력·토크 높이는 마법의 부품

공기 압력 높이는 부품의 진화
터보차저는 배기가스 흐름으로 공기 압축, 디젤엔진과 궁합

자동차공학에서 공기의 흐름과 저항은 대단히 중요하다. 엔진의 출력을 높이기 위해서는 공기의 밀도와 기압을 정밀하게 측정하고 계산해서 최적의 연소를 끌어내야 하고, 가속 성능과 연료 효율성을 높이기 위해선 공력 성능을 높인 공기역학적 디자인을 적용해야만 하기 때문이다. 결국 자동차의 성능과 효율을 높이기 위해선 공기를 잘 다룰 줄 알아야 한다. 자동차를 연구·개발하는 엔지니어와 디자이너는 '공기의 연금술사'나 다름없다.

자동차 업체들은 엔진의 출력을 높이기 위해 실린더로 들어가는 공기의 압력을 인위적으로 높이는 장치를 활용한다. 엔진에 들어가는 공기를 압축하면 출력과 토크가 높아진다. 최근엔 터보차저 방식과 슈퍼차저 방식이 많이 쓰인다. 사진은 자동차에 들어가는 엔진의 모습. /모터매거진 제공

엔진의 실린더로 들어가는 공기의 압력을 인위적으로 높이기 위해 공기를 압축하는 방식은 '터보차저'와 '수퍼차저'가 있다. 둘 다 공기를 압축해 출력과 토크를 높이는 마법의 부품이다. 낮은 배기량의 엔진이라도 높은 배기량의 엔진에 버금가는 성능을 얻을 수 있기에 요즘의 다운사이징 트렌드에 적합한 기술이다.

◇디젤엔진과 궁합 맞는 터보차저 터보차저는 배기가스의 흐름을 이용해 실린더로 유입되는 공기를 압축, 엔진 출력을 높이는 장치다. 배기가스로 터빈을 돌려 압축한 공기를 엔진으로 밀어 넣는 일종의 공기펌프인 셈이다.

내연기관에 사용되기 시작한 건 1918년부터다. 이전에는 고출력 고성능 차에 주로 쓰였지만, 다운사이징 추세에 따라 소형차부터 대형차 라인업에 고루 쓰이고 있다. 터보차저는 휘발유 엔진보다 디젤 엔진과 궁합이 더 잘 맞는다. 요즈음 등장한 디젤차는 대부분 터보차저 장치가 적용된 엔진이다.

터보차저는 실린더로 들어가는 공기를 압축하기 위해 배기가스를 사용하기 때문에 엔진 회전이 느릴 때는 공기를 충분히 압축하지 못한다. 저회전에서 토크가 강하고 고회전에서 출력이 낮은 특성을 지닌 디젤엔진과 터보차저는 찰떡궁합이다. 저회전에서 공기를 압축하기 쉽고 고회전 구간에서도 출력을 높게 유지할 수 있기에 전반적으로 디젤엔진의 단점을 보완해 성능을 높일 수 있다.

압축된 공기로 인해 흡기 압력이 높아지면 폭발력이 향상된다. 오히려 이러한 점이 실린더 내부, 피스톤, 크랭크 샤프트 등 엔진의 주요 부품을 손상시킬 수 있지만, 디젤 엔진은 휘발유 엔진보다 엔진 부품의 내구성이 더 높기 때문에 터보차저를 장착하기에 유리하다.

◇터보차저 한계 개선한 트윈 터보차저

터보차저는 크기가 작아서 엔진에 장착하기 쉽지만, 배기 매니 폴드와 직접 연결된 경우가 대부분이기에 공기를 압축할수록 압축된 공기 온도가 올라가면서 엔진 내부의 열을 높이는 단점이 있다. 항상 인터쿨러를 통해 온도를 낮춰줘야만 한다.

위는 BMW 트윈파워 터보 엔진의 모습. 아래는 4개의 터빈이 장착된 터보차저 방식의 BMW M550d. /모터매거진 제공

또 엔진이 저회전일 때는 공기를 충분히 압축하지 못하고 배기가스의 흐름을 터빈이 방해하기 때문에, 출력이 떨어지는 터보 랙 현상이 일어나는 단점이 있다. 이러한 고질적인 터보 랙을 줄이기 위해 트윈 스크롤 방식의 터보와 가변식 터빈 기술, 트윈 터보차저 기술이 개발됐다.

트윈 스크롤 방식은 배기가스의 유속에 따라 터빈의 날개 각도를 다르게 제작해 저회전과 고회전 구간에서 발생하는 출력의 간격을 줄인 기술이다. 가변식 터빈은 엔진 회전에 따라 배기가스의 통로를 변경해주는 기술이다. 트윈 터보차저는 실린더와 연결된 배기 매니 폴드에 소형화한 2개의 터빈을 장착한 시스템이다. 트윈 터보차저 시스템에 사용된 2개의 터빈을 저회전용과 고회전용으로 나눈 방식을 트윈 스테이지 터보차저 시스템이라고 부른다.

◇저회전부터 고회전까지 출력 유지되는 수퍼차저

수퍼차저는 1900년부터 항공기 엔진 과급기로 사용됐다. 항공기 엔진에 먼저 사용됐고 1921년 자동차에 적용됐다. 크랭크 샤프트 풀리에 맞물려 회전력으로 공기를 압축해 엔진 실린더 흡기구로 다시 밀어 넣는 장치다. 공기를 인위적으로 압축해 엔진의 실린더 안으로 불어넣기 때문에 터보차저처럼 흡기 밀도를 높여 출력을 높이는 과급기란 점은 같지만, 기술적으로 완전히 다른 기술이다.

터보차저처럼 배기가스의 흐름으로 원심 압축기를 돌려 공기를 압축하는 게 아니라 엔진의 구동력을 기반으로 원심압축기를 돌리기 때문에 터보차저와 달리 저회전부터 고회전까지 출력과 토크를 꾸준하게 유지할 수 있다는 이점이 있다. 배기량이 높은 엔진일수록 효과가 크다. 터보차저보다 내구성이 강하다. 다만 구조적으로 엔진의 구동계와 맞물려 있기 때문에 동력 손실이 발생해 터보차저보다 높은 출력 향상을 기대하기 어렵다.

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