터보와 수퍼차져

[연료와윤활]

img1_exist = true; function set_img1() { if(img1_width==0) { img1_width = img_file1.width; } set_img('img_file1',img1_width,contents.offsetWidth) }
자동차의 엔진은 연료가 폭발할 때 나오는 힘으로 크랭크축을 돌려 회전력을 얻는다. 피스톤이 위에서 아래로 내려갈 때 실린더 안은 순간적으로 진공상태가 된다. 때문에 흡기 밸브를 열어 주면 공기가 대기압에 의해 빨려 들어가게 되는것이다. 이렇게 대기의 압력을 이용해 공기가 들어가는 엔진을 자연흡기(NA, Naturally Aspirated) 방식이라고 한다.

폭발력은 공기와 연료를 많이 섞어서 태울수록 커진다. 따라서 엔진은 충분한 연료 폭발을 도모하기 위해서 배기량만큼 혼합기를 흡입하여야 하는데 자연흡기 방식 엔진에서는 대기압 이상의 공기를 빨아들일 수 없기 때문에 실제로는 배기량의 80% 정도만큼 밖에 흡입할 수 없다. 따라서 2000cc 엔진도 1600cc분의 혼합기 밖에 흡입하지 못한다.
이 때문에 출력을 높이려면 배기량을 키우거나 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하고 있지만 이렇게 하더라도 들어가는 공기의 양이 제한되어 출력이 일정 수준 이상으로는 올라가지 못한다.

이런 점을 해결하기 위해 자동차 역사 초기부터 강제로 공기를 넣는 수퍼차져가 연구되었고, 터보차져나 슈퍼차져를 사용하여 터빈이나 펌프를 강제적으로 돌려 공기의 압력을 1.5배 압축 하면 많은 공기가 실린더 내로 들어가 산소의 양도 많아지면서 파워도 상승한다. 실린더 내의 부압을 이용하여 공기를 흡입하는 방식이 자연흡기방식이고 터보차져로 공기를 강제로 보내는 방식을 과급방식이라고 한다.

터보차져(Turbo Charger)는 흔히 터보라고 하며 달팽이 같이 생긴 용기안에 한개의 축으로 연결된 터빈과 컴프레서가 있어, 터빈측 날개에 배기 머플러로 나가는 배기가스가 부딪쳐 축을 돌리게 되면 컴프레서도 함께 돌면서 엔진 연소실 안으로 신선한 공기를 다량 압축, 공급하는 장치로서 저속보다는 고속시에 엔진효율 및 출력을 증대 시킨다. 실린더 내의 연소열은 모두 파워로 연결되지는 않는다. 피스톤을 눌러 크랭크샤프트를 돌리는데 사용하는 힘은 약 30%밖에 안된다. 피스톤과 실린더의 마찰에 5%가 손실되고 발생한 열을 냉각시키는데 30% 전후가 손실되고 남은 35%의 에너지도 배기 가스로 손실된다. 그 배기온도는 900℃에 달하고 또 실린더 내 팽창압착도 높아져 배기 매니폴드로 나가는 속도는 음속(마하1)이나 된다. 이 배기 매니폴드 출구에 설치된 터빈은 고속의 배기가스로 강력한 회전력을 얻어 공기를 흡입하고 또 압축하는 펌프의 역할을 하여 대기압을 1.5배 전후로 압축시켜 엔진의 실린더 내부로 보내는 것이다.

반면 수퍼차져(Super Charger)는 엔진과 벨트등에 의해 연결된 컴프레서로 공기를 압송하고 크랭크샤프트를 이용하여 공기펌프 작동을 하고 있으므로 저속에서도 좋은 성능을 나타낸다. 터보차져의 터빈은 1분에 최고 12만 회전(120,000rpm)으로 고속 회전을 하며 엔진오일을 이용하여 윤활하므로 엔진오일이나 필터 또는 에어클리너 엘리먼트는 관리를 보다 철저히 하여 주어야 한다.

한편, 공기를 대기압 이상으로 압축하면 공기의 온도가 많이 올라가게 된다. 온도가 올라가면 부피가 늘어나고, 그 결과 산소가 줄어들게 된다. 터보차져로 공기를 밀어넣는 목적이 희미해지는 것이다. 때문에 터보차져에서 압축된 공기를 라디에이터처럼 생긴 알루미늄 냉각기를 거치면서 온도를 떨어뜨려 산소의 밀도를 높이게 되는데, 이 냉각기 구실을 하는 것이 인터쿨러다. 디젤차량의 본네트위에 공기흡입구명이 있는 차량은 모두 이러한 인터쿨러를 장착한 차량이며, 최근에는 이 인터쿨러를 차량의 전면 라디에터에 배치하여 본네트위에 공기흡입구멍을 감추는 추세이다.

터보와 인터쿨러가 달린 엔진은 자연흡기 엔진보다 출력이 약 20% 이상 상승된다.
최근의 디젤엔진은 모두 이러한 방식으로 출력을 높인다.

터보 인터쿨러 엔진은 터보 엔진과 관리요령이 비슷하다. 터빈은 분당 회전수가 10만을 넘을 정도로 빠르게 돌아가고, 뜨거운 배기가스가 직접 닿기 때문에 엔진오일이 순환하면서 적당히 식혀 준다. 따라서 터보 전용 엔진오일을 쓰고, 오일량과 압력을 확인하는 습관을 들여야 한다. 고속으로 장거리 주행을 한 후에 바로 시동을 끄면 오일 순환이 끊겨 뜨겁게 달구어진 터보베어링이 눌러붙는 치명적인 고장을 일으키기 쉬우므로 언덕길 이나 고속도로 주행직후에는 5분정도 공회전으로 터보베어링의 온도를 낮춰준후 시동을 끄는것이 좋다. 또 아침에 시동을 걸고 곧장 출발할 경우 엔진오일이 윤활 기능을 제대로 하지 못하므로 역시 터보에 손상을 입을 가능성이 커지므로 운행 전 1~3분 정도 공회전을 시켜서 오일을 충분히 순환시켜 주면 고장없이 오랫동안 탈 수 있다.

또 엔진룸 점검 때 터빈과 인터쿨러를 잇는 호스를 잘 살펴보아야 한다. 디젤엔진은 가솔린 엔진에 비해 진동이 심하다. 끊임없이 진동이 생기는 엔진에서 인터쿨러를 연결하는 관의 클램프가 느슨해지면 압축된 공기가 빠져서 출력이 제대로 나오지 않고, 엔진에 먼지가 들어가 수명단축의 원인이 되기도 한다. 특별한 증상없이 주행시 갑자기 매연이 많이 발생되는 경우, 인터쿨러에 미세하게 금이 생기거나 연결관의 느슨함이 원인이 될수도 있다.

◆ 참조 : 현대자동차 주간정비모음짐(1992)