요즘 자동차들은 터보가 유행이라구?

[hvacyoon]

기억하시나요? 제가 시승을 통해 소개 시켜드린 BMW X6이라는 멋진 녀석이요. BMW X6에는 스포츠카다운 핸들링, DPC, Xdrive등 SUV와 스포츠카를 혼동하게 하는 신장비도 독보이지만 제가 직접 소개시켜 드리지 못한 BMW에서 새로 선보인 V8 트윈터보엔진만한 물건은 없는 것 같습니다. 관련링크_ 온 몸으로 느껴본 BMW X6 시승기

원래 BMW 엔진들은 자연흡기를 고집하며 다소 고rpm에서 뿜는 화끈한 토크를 지향하는 스타일로 가던 스포츠성이 매우 강한 브랜드입니다, 그러나 요 근래 BMW는 자연흡기를 위해 탄생한 기존엔진에 과감히 터보를 달고 고성능 모델이 아닌 일반 모델에 내놓고 있습니다. 무슨 생각으로 갑자기 과급기를 달고 나타나는 것일까요? (BMW는 X6의 4.4 트윈터보엔진을 다양한 모델에 장착할 것이라고 밝혔으며 이미 신형 7시리즈에서 도 장착하고 있습니다.)

비행기에서 가져와 스포츠카의 전유물로 여겨졌던 과급기가 저번 날엔 고회전형 자연흡기엔진에 밀리더니, 이번엔 일반형 자동차에 보급되기 시작했습니다. 이번엔 왜 이런 독특한 현상이 생기는지 여러 가지 소주제를 들며 알아보겠습니다.

Part. 1 과급기란 무엇일까?

우선 과급기란 무엇인지 간단하게 알 필요가 있습니다. 우선 과급기가 뭐냐고요? ‘터보’라는 단어를 아세요? 네 그것 맞습니다. 게임에서 들어는 봤지만 정확한 것은 모르는 그거요! (카트라이더 말고요.)

과급기에 대해 이야기하기 전에 먼저 엔진의 구동 원리에 대해 쉽게 이야기 하겠습니다. 가장 많이 공급된 자동차엔진인 피스톤 기관은 연료에서 발생한 폭발력이 피스톤에 전달되고 크랭크샤프트가 이를 회전운동으로 바뀌어 구동력을 얻습니다.

그럼 폭발은 어떻게 일어나는 것일까요? 폭발이란 화학적으로 격렬한 반응을 나타냅니다. 폭발에 필요한 것은 가연성물질과 산소입니다. 즉 다시 말해서 엔진 속의 폭발이란 즉 산소와 가연성 물질의 격렬한 반응이라고 할 수 있겠죠.

자동차의 엔진의 경우 인간이 가장 많이 사용하는 가연성 물질인 탄소화합물을 사용하는데, 휘발유, 경유 또한 탄소화합물의 일종입니다. 좀 더 자세한건 선생님(혹은 교수님)등 전문분야에 계신 분께 여쭤보면 좋은 답을 찾을 수 있고, 제가 말하고 싶은 것은 폭발을 하려면 휘발유나 경유등 자동차의 연료와 산소가 필요하다는 것입니다.

자동차의 연료는 부족할 때 부지런히 넣으면 그만입니다. 물론 정상적인 걸로요. 하지만 폭발은 연료만 있어서 되는 것이 아닙니다. 바로 산소도 필요하죠. 그래서 자동차 또한 사람과 마찬가지로 산소가 중요한데, 과급기는 쉽게 생각하면 산소마스크와 같은 존재입니다.

왜냐고요? 과급기의 탄생 배경을 살펴보자면 조금 수긍이 가실 겁니다. 피스톤 기관을 사용하는 구형 항공기의 경우 고도가 올라갈 수록 산소밀도가 떨어지기 때문에 출력 향상을 위해선 해결 방법이 필요했습니다. 그래서 필요한 출력을 위해 산소를 끌어와야 했고, 강제적인 힘으로 산소를 공급시켜주는 장치를 개발하게 되었는데 여러 종류가 있지만 통칭으로 과급기라고 합니다.

원래는 항공기의 성능을 향상시켜주기 위해 만든 과급기지만, 항공기를 제작하던 회사들이 자동차를 제작하면서 기존의 기술을 응용하여 자동차의 성능을 높이는 데에도 쓰이게 된 것입니다. 결코 대기의 맨 바닥에 있다 해도 체적효율이 100% 나오지 않습니다. 즉 자동차에도 쓰일만한 기술이라는 것입니다. 때문에 과급을 하면 좀 더 출력을 향상시킬 수 있습니다.

방금 말씀 드렸다 시피 자동차가 구동하는데 필요한 요소는 산소와 연료입니다. 요즘 같은 최신형 자동차의 경우 산소센서를 통해 얻어진 정보로 완전연소에 최대한 가깝도록 아주 적당한 연료만이 분사됩니다.

그러므로 산소량에 따라 차량의 파워가 결정되는데, 같은 부피에 과급으로 생긴 압력을 통해 산소의 양이 많아지면 연료가 더 많이 분사되게 되고 폭발력이 강해집니다. 휘발유 한 방울하고 휘발유 1리터하고 어떤 것이 더 활활 타오르겠습니까?

보통의 경우 배기량을 늘려 부피를 증가시켜 산소량을 늘렸지만, 과급의 경우엔 부피대신 압력을 늘려 산소량을 늘렸기 때문에 과급기는 작은 배기량을 가지고도 큰 배기량의 힘을 내게 해줍니다.

분명 산소마스크라고 생각하셔서 과급기가 달렸다는 차에 산소통을 찾으신다면 곤란합니다. 오랫동안 주행하는 자동차나 항공기에 산소통을 매달고 산소를 채우면서 일시적으로만 사용하기엔 너무 불편합니다.(물론 니트로가스통을 달고 다니는 사람은 있습니다.) 그래서 자동차에 있는 여분의 에너지를 이용해 마치 진공청소기처럼 공기를 빨아들이게 되는데, 여분의 에너지가 과급기의 터빈을 돌려 공기를 흡입합니다.

사실 과급기는 이 터빈의 출력을 얻는 방식의 차이에 따라 주로 2가지로 구분합니다.

Part. 2 과급기의 종류

과급기(supercharger)는 기계식 수퍼차저와 배기압식 수퍼차저 2가지로 구분되는데, 보통 기계식 수퍼차저를 그냥 수퍼차저나 컴프레서(compressor)라 부르고, 배기압식 수퍼차저를 터보차저라 부릅니다. 과급기에는 주로 이 2가지가 가장 많이 보급됩니다.

수퍼차저

수퍼차저는 엔진의 동력을 이용해서 터빈을 돌리게 되는데, 트랜스미션의 기어나 크랭크축의 풀리를 이용하여 동력을 얻습니다. (과급기는 정확한 회전량을 요구하지 않기 때문에, 슬립의 우려에도 불구하고 설치와 정비가 쉬운 크랭크축의 풀리를 이용하는 경우가 많습니다.)

크랭크축의 회전력으로 얻은 힘은 수퍼차저의 터빈을 돌리게 됩니다. 터빈은 회전하여 공기를 빨아드리고 이로 인해 공기가 모여 압력 커져 압축된 고밀도의 공기를 흡입할 수 있게 됩니다. 터빈의 회전수가 높아질수록 단위시간당 퍼오는 공기량은 많아져 압력은 커지므로, 엔진이 고rpm으로 돌릴수록 터빈의 압력은 쌔집니다.

터빈 회전수가 성능을 결정하기 때문에 성능 향상을 위해서 크랭크축과 수퍼차저 풀리의 기어 비를 정수 비로 조정하여 성능을 확보할 수도 있습니다. 물론 공짜로 얻어지는 것은 아니고 기어비가 커질수록 회전속도는 증가하겠지만, 내구성은 그만큼 확보하기 힘들어집니다. 또 그만큼 기어가 바뀐 만큼의 일이 필요한 만큼 엔진에 과부하가 가해지게 됩니다.

엔진을 구동시키다보면 상황에 따라 스로틀밸브가 갑자기 닫는 경우가 있습니다. 수퍼차저가 엔진의 출력을 이용하기 때문에, 이런 현상이 발생할 경우 과급된 공기가 역류하는 현상이 발생하여 터빈에 무리를 가하기 됩니다. 이를 막기 위해 요즘 수퍼차저에는 터빈과 수퍼차저의 풀리 사이에 클러치가 존재합니다. 이는 아이들링의 효율성 향상에도 도움이 됩니다.

다른 과급기(터보차저)와 비교 시 수퍼차저의 장점은 엔진과 바로 연결되어 작동되는 지연현상이 없기 때문에 자연흡기엔진 같은 리스폰스와 저rpm에서도 힘을 맛볼 수 있습니다. 그리고 엔진 압축비에 직접적으로 연관하지 때문에 엔진에 부담이 적고, 노킹현상을 걱정할 필요가 없으며. 한번 설치하면 터보차저처럼 예, 후열관리 등 특별한 관리가 필요하지 않습니다. 또한 환경문제에도 특별히 배기가스를 전혀 건들지 않기 때문에 별 문제가 되지 않습니다.

하지만 회전속도가 작아, 즉 압력이 작아 별로 큰 성능을 발휘하지 못한다는 단점이 있습니다. 또 터보차저보다 성능이 나쁘므로 큰 터빈이 필요하기 때문에 무겁고 부피가 커 설치하는데 에로점이 자주 발생합니다. 큰 터빈으로 인해 출력 대비 가격이 비싸집니다. 또 엔진 실린더에 직접적인 연관은 없지만 엔진 타이밍체인과 풀리에 부담이 가해집니다. 그리고 기어를 돌리느라 엔진에 부하도 가해져 저배기량 차에 장착하기에 부담이 가는 단점도 있습니다. (이는 기술력으로 해결할 수 있습니다.)

수퍼차저엔 달랑 한 종류만 있는 것이 아닙니다. 여러 메이커의 노력 덕에 루트식, 원심형식, 트윈 스크루식, 하이브리드식의 수퍼차저가 개발되었습니다.

첫째로 루트식은 고정식 수퍼차저인데, 2개(혹은 3개의)의 기다란 터빈이 서로 맞물려 회전하면서 공기를 흡입하는 방식입니다. 한번 회전 시 일정량의 공기를 퍼내기 때문에 부스트가 일정하며, 일정한 압력덕분에 역류가 일어나지 않습니다. 하지만 크기는 크고, 2개의 기다란 터빈이 마찰하기 때문에 열이 많이 발생하는 단점이 있습니다. (비록 수퍼차저는 터보차저만큼 열관리의 필요성을 못 느끼지만, 요즘은 더 효율적인 성능을 위해 엔진의 냉각라인과 공유하는 수랭식 인터쿨러가 내장되어 있습니다.)

이에 반해 원심형식은 비고정식이고, 터보차저와 비슷한 구조이기 때문에 그 생김새까지도 터보차저와 비슷합니다. 구체적으로 말한다면 터보차저의 반쪽처럼 생겼습니다. 긴 막대형 터빈을 사용하지 않기 때문에, 수퍼차저의 단점 중 하나인 커다란 크기를 어느 정도 줄일 수 있으며, 그만큼 열도 덜 발생합니다. 열이 발생하지 않을수록 밀도를 그대로 유지할 수 있기 때문에, 효율성도 좋습니다. 거기다가 루트식과 달리 내부압축비가 있어 공기가 그냥 지나치는 것이 아니라 압력을 받아 압축된 공기가 엔진에 전달되기 때문에 좀 더 우수한 성능을 낼 수 있습니다.

하지만 원심형식은 공기의 양을 일정하게 흡입하지 못합니다. 결국 이는 흡입 압이 일정하지 못하는 것으로 이어집니다. 그래서 터빈의 압력은 엔진에 절대적으로 의존하고 있어 스로틀이 닫힐 경우 역류하는 단점이 있습니다. 이와 같은 이유로 터보보단 덜하지만 지연현상이 있습니다. 즉 리스폰스가 좋지 못합니다. 하지만 부피도 작고 성능도 우수하여 단점을 기술력으로 극복하는 원심형 수퍼차저가 많이 있습니다. 주 시장은 애프터 마켓이지만, 양산 메이커들 중 원심형식을 사용하는 메이커도 꽤 있습니다.

트윈 스크류식은 나름 루트식과, 원심형식의 장점을 한 데 모은 수퍼차저라 할 수 있습니다. 긴 막대형 터빈 2개를 회전시키는 형태로는 루트식과 같지만, 내부압축비가 있기 때문에, 좀 더 우수한 성능을 낼 수 있습니다. 다시 말해서 루트식과 같은 리스폰스와 함께, 좋은 성능도 발휘할 수 있습니다.

트윈 스크류식은 루트식의 개량이기도 합니다. 그래서인지 열 문제는 여전히 냉각장치에 의존해야하고, 크기는 더 커져 설치하는데 큰 어려움이 단점으로 남아있습니다. 그래도 안정적이고 뛰어난 출력에 차량을 생산하는 측에선 구조적인 문제를 해결할 능력이 되기에 가장 많이 OEM 공급을 하는 수퍼차저는 트윈 스크류식이 아닐까 생각됩니다.

마지막으로 하이브리드 수퍼차저가 있습니다. 이 녀석은 위의 3가지와 약간 동떨어진 성격을 가지고 있는데, 원리가 진공청소기랑 가장 유사한 방식이며 터빈에 엔진의 동력이 아닌 터빈에 전기모터를 장착하여 과급을 하는 방식입니다. 전기는 배터리에 있는 전기를 끌어오기 때문에 자동차의 엔진에 부담이 안 가는 것은 가장 큰 장점입니다.

하지만 추가적으로 설치되는 배터리와 강력한 회전을 요구하는 전기모터의 무게가 현재 기술력으론 너무 무겁고 비싸며 성능도 무척 떨어집니다.

터보차저에도 터보 랙이라는 지연현상을 막아줄 주기 위해 이와 같이 전기모터가 달린 터보차저가 있지만 위와 같은 단점을 가지고 있어 인기가 없습니다. 비용은 비싸고 효율성이 떨어지는 문제로 자동차 메이커에선 생산을 안 하고 있으며, 새로운 생각으로 뛰어든 애프터 마켓에서도 큰 인기는 모으지 못하고 있습니다. 만일 전기모터와 배터리의 혁신적인 개량이 이뤄지면 인기를 모을지도 모르겠지만 현제까지의 미래는 좋지 않습니다.

터보차저

그럼 이제 터보차저란 무엇일까요?

터보차저는 엔진의 직접적인 동력대신 배기가스의 힘을 이용한 과급기로써 수퍼차저의 발전형이라고 할 수 있습니다. 밖으로 빠져나가려고 하는 배기가스를 직접 터빈을 거쳐 지나가게 하면 고압의 배기가스는 빠른 속도로 지나가면서 터빈을 돌리고, 반대쪽에 바로 연결되어 있는 컴프레서 터빈을 돌려 공기를 흡입하게 합니다.

터보차저를 장착할 경우 따라오는 부품도 많은데 몇가지 소개시켜드리겠습니다. 요즘 터보차저가 장착된 차량에는 필수적으로 인터쿨러를 장착하는데, 수퍼차저보단 독립적이고 고용량의 인터쿨러를 장착합니다. 터보차저는 엔진에서 가장 뜨거운 매니 폴더 가까이에 있고, 바로 반대편 터빈에서 고열의 배기가스가 지나가기 때문에, 전도된 열로 인해 주위 온도가 매우 높습니다. 그래서 열심히 모은 공기라도 부피가 불어나 효율성이 떨어지게 되는 것입니다. 내구성은 둘째치고라도, 효율성의 증대를 위해서라도 공기에 전도된 고열을 금방 식히기 위해선 큰 인터쿨러가 필요하고 인터쿨러로 보는 효과도 꽤 좋습니다.

터보차저는 일정한 배기가스와 공기가 지나가도록(즉 부스트가 일정하도록), 달팽이 모양으로 되어 있지만, 때에 따라 지나치게 많은 배기가스가 지나가는 경우도 있습니다. 터빈의 내구성의 권장치량만의 일정한 부스트만을 얻기 위해서 액추에이터를 장착하는데 액추에이터는 과도한 압력이 걸렸을 때 스프링과 밸브로 구성된 액추에이터의 입구가 열려 밖으로 공기나 배기가스를 빼주는 역할을 합니다.

하지만 고성능 터빈일 경우 액추에이터가 제 기능을 다 소화하지 못하는 경우가 있습니다. 이때 액추에이터 대신 웨이스트게이트가 하는데 역할은 갖지만 좀 더 빠르고 수월하게 조절이 가능합니다. 또 웨이스트게이트는 요즘 전자장비의 발달과 함께 내구성과 성능을 잡기 위해 유행하는 전자식 부스터 컨트롤러와 조합 시 터빈의 압력도 조절이 가능하다는 점에서 편의성도 뛰어납니다.

두 장비의 기능적 차이는 없고, 작동 방법에서 약간의 차이를 보일 뿐(웨이스트게이트가 더 고급 장비) 배기가스를 따로 빼어 배기터빈을 보호하고 회전속도를 유지한 다는 점에서 두 장치의 기능은 같습니다. 두개의 장착 위치는 장착위치가 배기매니폴더와 배기용 터빈의 사이쯤 됩니다.

웨이스트게이트와 많이 혼동하는 블로우 오프 밸브는 스로틀이 닫히거나 엔진 회전수가 급격히 떨어지는 등 엔진환경의 급격한 변화에서 흡기용 터빈을 보호하기 위한 장비입니다. 예로 엔진 회전수가 급격히 변했을 때 스로틀 밸브가 닫혔을 때 밸브에서 튕겨나와 역류한 공기 때문에 흡기라인에 순간 압력이 급상승하는데, 이것이 터빈까지 역류하여 터빈을 다치게 하기 전에 압을 빼주는 장비가 블로우 밸브입니다. 흡기용 터빈을 보호하는 만큼 장착되는 위치도 터빈과 스로틀밸브 사이에 있습니다.

터보에 대한 이해는 글보단 위의 사진을 보시면 더 큰 참고가 될 꺼라 생각됩니다. 터빈의 크기가 클수록 더 많은 배기가스가 지나가서 회전속도가 더 커지며, 그로 인해 흡입 압도 높아지게 됩니다. 터보 중엔 20만rpm을 넘는 터빈도 있어 수퍼차저보다 높은 압력을 발생시킬 수 있습니다. 강한 압력이 나오기 때문에, 크기를 키울 필요도 없습니다. 즉 가볍습니다. 작고 가벼우니 설치도 쉽고, 가격도 쌉니다. 터보차저는 이 말고도 장점이 많습니다. 터빈의 크기가 작은 만큼 소음도 적습니다. 또한 출력향상의 범위가 수퍼차저와는 비교도 안 될 정도로 넓습니다.

하지만 장점이 많은 만큼 단점도 존재합니다. 우선 배기가스의 압력을 이용하기 때문에 그만큼의 터빈 압력은 엔진에게 전해지고 엔진에 무리가 갑니다. 그래서 하이부스트 터보의 경우 엔진 부품에 스트레스가 많아 엔진 부품을 보강해야하므로 세팅 비용이 상승할 수밖에 없습니다. 그래서인지 자연흡기나 수퍼차저보다 내구성에서 떨어집니다. 사실 이마저도 내구성 확보가 부족하여 엔진 압축비를 내려야 합니다. 하지만 그럴 경우 효율성이 나빠집니다. 터빈이 작동하지 않는 구간에선 연료는 연료대로 먹고 출력을 출력대로 안 나오는 현상이 발생합니다.

또한 열관리가 필수적입니다. 터보차저는 배기가스로 구동되기 때문에 기본적으로 엄청 뜨겁습니다. 더군다나 압력도 걸리고, 거기에 터빈이 20만rpm으로 회전하기 때문에 스트레스가 대단합니다. 그래서 두꺼운 내열주물로 만들고, 엔진과 오일라인, 몇몇 터보차저는 수랭식 라인도 공유합니다. 그래도 너무 뜨거워진 경우 운행을 멈춰야하는 사태도 벌어집니다.

터보는 열이 중요합니다. 터빈에 기본적으로 열이 발생하기 때문에 기본적으로 열을 필요로 합니다. 그래서 오너가 직접 예열, 후열을 통해 신경 써서 차를 관리해야 합니다. 예열은 터보도 회전체이기 때문에 엔진 예열과 이유가 같습니다. 하지만 후열은 터빈을 천천히 식혀야 급격하게 식으면서 민감한 터보가 상하는 것을 방지하기 위해 해야 합니다. 이런 부분은 분명 오너에겐 귀찮은 일이 아닐 수 없습니다.

또 터보의 단점으론 터보 랙이라는 지연현상입니다. 터빈을 돌리려면 배기가스에 어느 정도 힘이 있어야 터빈을 돌릴 수 있는데, 터보 랙도 터보의 종류에 따라 다릅니다. 이유는 원심형식 수퍼차저에서 설명했듯이 내부압력 때문입니다. 내부압력이 생기려면 시간이 필요하고 지연현상이 있을 수밖에 없습니다. 지연현상은 엔진 리스폰스를 한 템포 느리게 만드는 요인이 되고, 급변하는 토크가 주행을 불안하게 할 수도 있습니다.

이를 해결하기 위해 주로 자연흡기와 가까운 로우부스트 터보에 엔진압축비 위주의 세팅이나, 터빈의 경량화, 달팽이관의 성형을 통한 리스폰스 향상으로 해결하기도 하며, 신종 터보인 트윈스크롤터보, VTG터보, 트윈터보, 하이브리드 터보가 해결해주기도 합니다. 이 때문에 요즘은 민감한 사람이나 레이서가 아니라면 터보 랙을 몸으로 느끼기 힘든 수준까지 왔습니다.

이왕 이야기가 나왔으니 터보의 종류도 살펴보겠습니다.

트윈스테이지터보는 매니폴더 뒤 소형 터보를 연결하고 그 뒤에 대형 터보를 연결하는 방식입니다. 저rpm에선 작은 터빈이 작동하여 터보 랙을 줄이고, 고rpm에선 두 개 모두 작동하여 출력을 얹는 방식입니다.

이름은 비슷하지만 터보 1개로 해결하는 트윈스크롤터보는 배기가스용 터빈 입구에 2개의 구멍을 두고서 저rpm에선 1개의 구멍만을 열어 배기가스를 빠르게 지나가게 하여 터빈을 돌리고, 고rpm에선 2개의 구멍을 열어 많은 양의 배기가스가 지나가게 하여 터빈을 돌리는 방식입니다. 비교적 섬세하지 못하지만, 일반 싱글터보와 내구성면에서 큰 차이를 보이지 않으면서도 터보 랙이 적다는 것이 큰 장점입니다.

이에 반해 VGT터보는 전자식으로 조절하며, 터빈안쪽에 날개를 달아, 배기가스의 양에 따라 입구를 좁히거나 늘리는 방식이기에 트윈스크롤터보보다 좀 더 정교하다고 할 수 있습니다. 좀 더 섬세하게 반응한다는 점에선 트윈스테이지터보의 역할도 제대로 대신할 수 있습니다. 하지만 날개가 얇기 때문에 약해, 비싼 재료를 사용하지 않으면, 가솔린엔 설치하기 어려운 문제점이 있습니다.

트윈터보는 다기통엔진에서 매니 폴더를 반으로 나눠 따로따로 빼서 각각에 두 개의 터보를 다는 방식입니다. 구조적 편의로 둘로 나눠진 V형에 대배기량에 6기통 이상에 자주 사용되며, 비록 배기량도 반반씩 사용하여 배기가스양도 반반이지만, 각각의 작은 로우부스트 터보를 사용하기 때문에 반응성 면에서도 향상시킬 수 있습니다. 다만 배기라인이 2개로 따로 빼거나 다시 합쳐야 하므로 비용이 많이 들고, 대형 싱글터보보다 약간 출력이 떨어지기도 합니다.

하이브리드터보는 하이브리드 수퍼차저에서 이미 설명 드렸으므로 생략하겠습니다.



터보는 터보의 특성 상 디젤엔진과 잘 어울립니다. 디젤은 배기가스온도가 낮아 내구성 확보에 좋으며, 이미 고압축 비를 사용할 수 있는 디젤에게 터보의 부스트는 부담이 적습니다. 또한 가솔린은 노킹을 걱정하지만, 디젤은 노킹처럼 출력을 얻어 타이밍만 잘나와 준다면 상관없는 일입니다. 좋은 점은 이뿐만이 아닙니다. 디젤엔진의 특징은 상대적으로 큰 토크인데, 그래서 디젤엔진을 사용하는 용도도 큰 토크를 필요로 합니다. 과급기는 주로 낮은 영역부터 큰 토크를 발생시켜줄 수 있으며, 마력보다 토크에서 더 뛰어난 것이 특징이라 찰떡궁합입니다.

Part. 3 어째서 몇몇 레이싱 카엔 과급기가 안 달려있는 것일까?

(니스모에서 튜닝한 닛산 스카이라인 R34GTR Z튠, 트윈터보라는 과급기가 달려있음에도 9천rpm까지 돌리는 달려 있는 괴물, 하지만 가격이 2배 이상으로 오르고 온갖 거추장스러운 냉각장치를 달고 다녀야 합니다.)

F1을 비롯한 포뮬러 카 레이싱, 많은 세계의 GT레이싱 심지어 한국의 CJ수퍼레이싱까지 이들의 레이싱 카에는 과급기가 달려있지 않습니다. 스피드를 다루는 레이싱 경기의 반 이상은 과급기가 기피되고 있는 것입니다. 규칙상의 이유도 있지만 팀 자체에서도 과급기를 피하고 있습니다. 과급기가 성능을 올려주기 충분한 장비임에도 말이죠.

그럼 원인 찾기 위해 과급기에 단점을 다시 살펴볼까요? 우선 압축된 공기가 흡입되기 때문에, 부품의 강성을 높여야 하며 내구성은 약해집니다. 이것은 레이싱 카에겐 문제될 일은 아닙니다. 하지만 부품이 강하게 만드는 것에서 문제가 발생합니다. 강하게 만들어야 하므로 부품경량화를 할 수 없고, 이로 인해 리스폰스는 떨어지게 됩니다. 레이싱 코스에는 코너를 돌아야 하는 구간이 많습니다. 즉 액셀러레이터를 때었다가 밟아야 하는 구간이 많습니다. 이런 곳에서 리스폰스가 떨어지면 추월당할 수도 있습니다. 과급기 특유의 느린 리스폰스도 무시할 수 없습니다. (여기서 자주 나온 리스폰스란 엔진 반응성을 의미합니다.) 물론 이 단점 중에선 수퍼차저는 그 중간적인 역할을 하고 있지만, 결정적으로 리스폰스 성능이 좋아진다는 의미는 아닙니다.

일상주행에서 차는 마력보다 토크가 좋아야 한다고 하지만, 레이싱을 하는 경우엔 오히려 마력이 토크보다 중요하게 됩니다. 그래서 토크가 좋은 현재 르망24시에서 아우디, 푸조를 제외한다면 특별히 디젤엔진으로 겨루는 레이싱이 아닌 이상 어느 레이싱에서도 디젤엔진은 보기 힘듭니다.

마력은 토크와 회전수의 곱이고 토크가 낮으면서도 마력이 좋다는 것은 엔진 회전수가 그만큼 많다는 것입니다. 회전수가 많아지면 실질적으로 고속능력에 도움을 줍니다. 토크가 덜 중요해진 까닭은 레이싱 카가 그만큼 가볍기 때문입니다. 즉 적은 힘으로 회전수만 높아준다면 뛰어난 성능을 뽑을 수 있습니다.

엔진의 회전수를 높이려면 부품의 경량화도 한 몫을 해야 합니다. 하지만 과급기는 토크엔 큰 도움을 주지만, 회전수를 올리는데 방해가 됩니다. 이유는 간단합니다. 부품경량화가 어렵기 때문이죠. 결국 이것은 레이싱 계에서 과급기를 기피하게 된 이유가 됩니다. 가장 큰 사건이라면 90년대 말 F1에서 1.5 터보엔진을 삭제한 것이 가장 큰 사건이겠죠?

그럼 그동안의 양산 차에서도 많이 안 쓰였던 무엇일까요? 몇몇 선진 메이커들의 레이싱 기술과 연관되어 엔진을 만들기 때문에 생긴 자연흡기 선호현상, 낮은 내구성, 특별한 관리의 필요성이 문제였습니다. 양산 차에게 내구성은 큰 문제가 됩니다. 물론 어떤 메이커는 터보를 고집하고 어떤 메이커는 자연흡기를 고집하는 양산을 띄었지만, 일반 차량에 소량이라면 모를까 많이 보급된 적은 없었습니다.

Part. 4 과급기의 부활

하지만 모터 스포츠계에서 외면당하는 과급기가 왜 그것도 스포츠카가 아닌 일반차량에서 급속하게 나타나는 이유는 무엇일까요? 그 이유는 요즘 사회 분위기를 살펴보면 알 수 있습니다.

갈수록 더해가는 환경기준 강화와 연비가 과급기 부활의 답입니다. 과급기 또한 매연 증가와 연비 감소의 원인이 된다는 것은 이미 눈치 채셨을 것입니다. 그럼에도 연비와 환경에 좋다고 하니 무슨 말이냐고요? 연비 감소와 매연 증가는 같은 배기량과 비교했을 땐 분명 사실이지만, 같은 성능의 대배기량 자연흡기 엔진과 비교한다면 오히려 과급기를 장착한 쪽이 좋습니다. 더군다나 토크가 잘 나오므로 체감성능이 같은 마력의 대배기량 가솔린보다 더 뛰어납니다. 어떻게 보면 눈 가리고 아웅 식이긴 하죠. 이는 과급기를 장착한 쪽이 체적효율의 향상으로 효율성이 증대되고 배기량을 키우는 것 보단 무게가 가볍기 때문입니다.

기름이 한정되어있는 상황에서 세계시장은 고연비, 친환경을 중시하고 할 수밖에 없습니다. 이미 대형차를 사랑하는 미국에서도 소형차의 비중이 크게 증가하고 있으며, 우리나라에도 소형차가 급격한 판매신장을 이루는 등 전 세계적으로 소형차 바람이 불고 있습니다. 이제 세계시장에서 원하는 것은 무조건적인 고연비이라는 것입니다.

또 교토 의정서 이후 각 국가들의 법은 친환경을 요구하고 있습니다. 우린 이미 매연기준이 유로4이상의 자동차를 생산하길 강요하고 있으며, 유럽은 유로5까지 요구하고 있는 실정입니다. 미국은 직접적으로 배기가스 량을 제한하고 있습니다. 우린 이미 우리가 얼마나 지구를 망가트려왔는지 알고 있고, 더 이상 이대로 가다간 우리 모두가 위험해 질 것을 잘 알고 있습니다. 그래서 지구를 지키기 위해서라도 친환경을 요구할 수밖에 없고, 메이커는 이미 잔디 깎기와 비슷한 수준의 배기가스만을 방출시키고 있습니다.

그러나 사람의 욕심이라는 게 끝이 없어서 더 강력한 차를 요구하고 있으며, 차량의 성능에도 신경 쓸 수밖에 없습니다. 즉 연비를 위해서 무조건 저출력 자동차를 생산 할 수 없습니다. 하지만 안타깝게도 고출력과 고연비는 반비례하기 때문에 메이커는 울며 겨자 먹기 식으로 개발을 멈출 수 없습니다.

그래서 어차피 신장하는 기술력보다 세상을 더 많은걸 요구하고 있고, 배기량만으론 해결하기 어려운 상황에서 연비와 파워 모두를 잡을 수 있는 부수적인 장비 중에 성능 대비 가격이 가장 싼 과급기는 마지막 대안으로 떠오르고 있습니다. 그래서 이번엔 메이커들의 사례를 설명 드릴까 합니다. 단 조건이 있습니다. 그전까지 과급기엔진을 자주 사용하지 않던 메이커이며, 다양한 차종에 적용 혹은 적용 예정이며, 연비와 배기가스, 출력 모두를 잡으려는 흔적이 보이는 차량만 소개하겠습니다.

[너구리]

감사