터보 . 슈퍼차져 작동 원리 - 과급기의 종류 (Turbo ChargerㆍSuper ChargerㆍNOS )

[루어맨]

터보 . 슈퍼차져 작동 원리 - 과급기의 종류 (Turbo ChargerㆍSuper ChargerㆍNOS )

엔진은 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데 자연흡기에서는 실제 배기량의 80% 정도만큼

밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc 엔진도 1600cc분의 혼합기 밖에 흡입하지 못하게 된다.

이 흡입량을 늘리기 위해 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있지만 또 하나의 방법으

로 터보차져나 슈퍼차져를 사용하여 터빈이나 펌프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배하

면 많은 공기가 실린더 내로 들어가고 연료의 양도 많이 분사하여 파워도 상승한다.

벤츠 비젼 SLR V8 수퍼차져

이와 같이 실린더내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연 흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식이라 한다.

과급시스템은 보통 동일 배기량의 엔진에서 출력을 증대 시킬 목적으로 사용하며, 터보차져

(Turbo Charger)ㆍ 슈퍼차져(Super Charger)ㆍ NOS(Nitrous Oxide System)가 있다.

1. 터보차져(Turbo Charger)
최초의 터보는 비행기 제작사인 에어리서치(Air Research)사에 의하여 개발된 것으로 고공에서 비행기의 공기가 희박해질 경우 엔진의 출력이 떨어지는 것을 방지하기 위한 수단으로 고안된 장치였다. 자동차에는 1921년 메르세데스의 차에 처음 장착된 후 40여 년이 지난 1962년 미국 시보레 자동차회사의 콜벳몬자 스파이더(Corvair Monza Spyder)라는 차가 처음으로 양산되었으나 본격적으로 자동차에서 인기를얻은 것은 1974년 BMW사에서 2002 터보를 시판하면서부터 이다. 국내에서는 1991년 현대 스쿠프 1.5L엔진에 처음 장착되어 일반인들에게 터보차져라는 이름을 알렸으며 현재는 높은 출력이 요구되는 차량에 많이 사용되는 보편화된 기술이다.

터보차져는 별도의 동력이 필요없이 배출되는 배기가스의 배출압을 이용하여 배기터빈을 작동하고, 터빈 회전력이 원심압축기를 구동하여 흡입공기를 강제 압축하여 연소실에 과급한다. 이 경우 배기터빈 구동시 배기압력이 증가하고 엔진 펌핑손실도 증가하나 과급된 공기에 따른 연료공급량을 증가하여 엔진 출력이 증가하기 때문에 전체적으로는 적은 엔진 배기량으로 고출력을 얻으며 엔진의 연비도 향상된다.

장점으로는 자기 마음대로 과급압을 조정할 수 있지만, 너무 과한 과급은 엔진 자체에 심각한 영향을 미치게 되고, 단점중 가장 큰 것은 응답성 지연(turbolag)으로 엔진을 급가속하면 흡배기의 유속과 터빈 및 콤프레샤의 관성중량으로 인하여 급기압력 및 공기공급량이 엔진 요구량에 못 미치어 엔진 가속력을 따라 가지 못하는 현상(굼뜸 현상)이 발생한다. 이로 인하여 엔진출력은 정상운전 출력보다 낮아져 가속력 및 발진력 부족, 매연 증가, 연료소모량 증대 등을 초래한다.
또한 터보랙(turbolag)은 디젤엔진보다는 가솔린엔진에서 심하게 발생한다. 이유로는 가솔린엔진이 디젤엔진보다 가볍고 진동이 적기 때문에 무게가 가벼운 플라이휠을 사용함으로서 엔진자체의 응답성이 뛰어나고, 트로틀을 사용하기 때문에 흡기량의 변화가 심하여 상대적으로 터보차져의 반응이 따라가기 어렵다.
터보랙을 개선하는 방안으로, 터보차져의 관성중량 감소, 분사(점화)시기제어, 급기압력제어, 흡배기계, 트로틀 위치 등의 보완 및 제어가 있다.
이와 같은 문제점 개선을 위하여 터보과급기 최적화와 웨이스터게이터(waste gate)과급기, 가변용량(variable geometry)과급기, 세라믹(ceramic)과급기, 볼베어링(ball bearing)과급기, 트윈(twin)과급기, 시켄셜(sequential)과급기 등이 실용화되고 있다.

터보차져에는 보통 인터쿨러(Intercooler)를 병행 장착하는데, 이는 터보차져의 매니폴드 구조상 배기구와 흡기구의 거리가 근접되어 흡기터빈에 의해 압축된 흡기는 100℃ 이상 온도가 상승하는 경우도 있어 이는 엔진 체적효율의 저감을 가져와 터보차져 사용효과를 상쇄한다. 이를 보완하기 위하여 열교환기로서 흡기를 냉각시키기는 방법이 사용되고 있다. 열교환 방식으로 엔진의 냉각수를 사용할 경우 구조가 콤팩트해지고 엔진 본체에 일체로 할 수 있는 등의 이점이 있으나 흡기온도를 냉각수 온도 보다 낮출 수 없기 때문에 자동차에 사용하기는 어렵다. 현재는 열교환 매체로 자동차 주행시 발생하는 공기를 사용하여 흡기온도를 50℃ 정도 저하시키는 방식의 인터쿨러(I/C; intercooler)를 사용하고 있으나 열교환기 부피가 크며 탑재성과 배관 등에 어려움이 있다.

인터쿨러를 사용하여 급기온도를 낮추면 연소온도가 저하되어 NOx 발생이 저감되며, 연소 및 배기온도가 낮아져 엔진의 열부하가 경감되고 급기 비중이 증가함에 따라 급기압력을 낮출 수 있어 터보차져의 부하를 줄일 수 있다.
그러나 저부하 영역에서 과도하게 흡입공기를 냉각시키면 점화지연 기간을 길게 하기 때문에 저부하에서 냉각을 적절하게 제한할 수 있는 방식이 필요하다.

그리고, 터보차져는 과급된 혼합기를 사용하기 때문에 일반 엔진에 비해 압축비가 낮고, 압축비가 일반 엔진과 동일할 경우 폭발압력의 상승으로 엔진의 균열로 이어진다.

2. 슈퍼차져(Super Charger, 기계식 과급장치)
국내 양산차중에는 아직 사용되는것이 없지만, 외국의 경우는 상당히 많이 사용이 되고 있으며, 압축기를 엔진이 직접 구동하는 방식으로 엔진 열효율을 악화시키며 연료소비가 나빠지기 때문에 특히 연비를 중시하는 상용차에는 거의 사용되지 않는다.

슈퍼차져는 엔진에서 직접 동력을 얻어서 공기를 압축시켜 어느 RPM에서나 동작이 가능하며 보통은 스위치로 ON/OFF를 조절할 수 있다. 장치가 간단하고 가격도 싸지만, 터보차져에 비해 효과가 적다. 이유는 슈퍼차져 자체가 엔진에 연결된 동력축에서 동력을 얻기 때문에 엔진이 빨리 돌아갈수록 엔진에서 더 많은 힘을 빼앗아 가기 때문이다. 엔진이 출발하기 위해서 10마력을 낼 때에 10%의 힘을 슈퍼차저에서 가져간다면 고작 1마력이지만, 고속으로 달리기 위해서 엔진이 200마력을 내야할 때에는 10%인 20마력이 소요되므로 슈퍼차저는 고속주행용 차량에는 부적합하다.

3. NOS (Nitrous Oxide System)
질산가스를 별도의 저장탱크에 보관 운행중 필요시 분사하는 방식으로 등장한 영화는 홍콩의 극속전설ㆍ미국의 분노의 질주(The Fast and the Furious)가 있다.

질산가스는 가스를 액체로 보관하기 때문에 온도가 아주 낮고, 또한 풍부한 양의 산소를 포함하고 있으며, 이 가스를 흡기구 쪽에 분사하면 엔진 실린더의 온도가 하강하면서 흡입공기 체적이 줄어들어 더 많은 공기를 흡입할 수 있게 되고 액체에서 가스로 분출되며 줄어든 체적만큼을 질산가스가 가득채워져 점화되면 엄청난 폭발력을 일으켜 순간 급가속이 된다.

NOS의 분사방식은 직접분사식과 ECU제어방식 등이 있으며, 셋팅에 따라 출력이 50~250마력 정도 증가한다. NOS의 장점은 아주 짧은 시간에 상상도 못하는 순간 출력을 얻을 수 있는 것이고, 단점은 가스의 양을 많게 하거나 너무 자주 사용 하면 피스톤이 깨지거나 실린더 헤드가 나가버리는 일이 생기고, 폭발로 생긴 힘을 엔진이 전부 소화하지 못하기 때문에 아주 짧은 시간사용을 해야 한다.