과급기 엔진들의 기본적인 동작원리 (터보챠저, 슈퍼챠저)

국내에서도 과급기 엔진을 찾아보는것은 대단히 쉽게 되었습니다. 길거리에만 나가면 과급기 엔진들 투성인데요..
과급기가 장착된 엔진이란, 원래 설계된 배기량보다 더 많은 공기를 흡입하고 그 공기에 맞는 연료를 분사하여,
실제로 설계된 배기량보다 훨씬 큰 출력을 내는 엔진을 과급기 엔진이라하며, 이 과급하는 장치의 구동방식에
따라서 슈퍼차져와 터보차져로 구분하게 됩니다.

과급기 엔진은 저배기량이면서 충분히 대배기량에 걸맞는 출력을 낼수가 있지만, 문제적으로 엔진의 내구성이
강해야 한다는 제약조건이 필요충분요건이 됩니다. 엔진의 내구성이 받쳐주지 않는 과급기 엔진의 한방의 전력
가속으로 엔진을 날려버릴수 있을만큼 엔진에 그만큼 큰 부하를 주게 되는것이지요.

과급기는 쉽게 생각해서 공기를 압축하는 장치를 말합니다. 일반적인 엔진들은 피스톤이 하강할때 발생되는 엔
진 내부의 진공도만큼만 공기를 흡입하게 됩니다. 진공도가 적으면 흡입되는 공기량은 줄어들게 되고, 진공도가
크면 흡입되는 공기량은 많아지게 되지요.

따라서 엔진에는 원래 설계한 배기량보다 많은 공기가 흡입될수 없는 구조로 되어있습니다. 하지만 과급기 엔진
은 과급기의 용량과 과급압력을 변경하므로 인해서 월등히 많은 공기를 넣을수가 있게되며, 그것을 조절하여 출
력을 제어하게 됩니다.

과급기는 엔진에 벨트를 걸어서 엔진동력으로 회전시키는 슈퍼차져와 배기가스의 힘으로 회전시켜 압축을 하는
터보챠저로 구분되어집니다. 과급기의 터빈으로 만들어져 있는데, 터빈내부의 임펠라가 회전하면서 공기를 압축
하게 됩니다. 이 임펠라를 회전하는 동력의 근원지가 엔진의 플라이휠의 출력이라면 슈퍼챠저가 되며, 고온의
배기가스라면 터보챠저가 되는것이지요.

먼저, 터보챠저부터 설명을 드리겠습니다.

터보챠저는 엔진의 연소실에서 폭발행정을 마친 고온/고압의 배기가스의 열에너지를 회전력으로 변경하여 공기를
압축합니다. 따라서 연소실과 가장 가까운곳에 위치할수록 효율이 좋아지게 되어, 대부분 터빈을 헤드의 배기구
와 연결한 배기헤더 (배기다기관, 배기매니폴드)에 장착을 하게 됩니다.

그리고 과급압력이 과다하게 발생하면, 배기가스가 터빈을 지나가지 못하게 우회하는 통로와 그것을 제어하는
액튜에이터로 구성되어있지요. 가장 많이 사용하는 제어방식이 웨이스트 게이트 방식입니다. 엔진의 진공도에 연
동하여 엔진이 진공상태라면 터빈쪽으로 배기가스를 보내고.. 이 진공도가 대기압을 넘어서 그이상의 과급압력이
되면 액튜에이터를 밀어서 배기가스를 우회시켜 더이상 과급압력(부스트)이 발생하지 않게 합니다.

즉, 엔진이 충분한 회전을 하지 못해서 배기가스의 압력이 낮으면 터빈이 회전을 하더라도, 공기를 압축할만큼
회전하지 못하므로 공회전부터 일정구간동안은 자연흡기 엔진과 다를바가 없습니다. 하지만 엔진이 더 빨리 회전
을 하면서 고온고압의 배기가스가 많이 토출되면 급격하게 임펠라의 회전속도가 증가하면서 공기를 압축하게 되고
이 압축된 공기는 엔진의 실린더로 강제로 밀어넣어지게되며, 강제로 들어간만큼 다시 배기가스로 빠져나오게 되
는구조입니다.

강제로 들어간 압축된 공기량만큼 배기가스로 빠르게 토출되기 때문에 임펠라의 회전속도는 더더욱 상승하게되고
회전속도가 올라간만큼 공기는 더많이 압축되어 엔진으로 들어가기 때문에.. 이순간이라면 출력이 급상승하게 됩
니다. 그러다가 액튜에이터가 설정된 부스트압력이 되면 배기가스를 바이패스 시켜서 과급압력을 제어하게 되므
로 그 이상의 압력은 발생하지 않게되어, 엔진각부의 파손을 막습니다.

즉, 터보엔진들은 양날의 검을 가지고 있는 상태가 됩니다. 엔진이 시동부터 저회전에서는 큰힘을 못내고, 원래
의 배기량정도의 힘을 내다가 과급이 시작되는 순간부터 최대과급순간까지 출력이 급상승하게 되지요. 예를들자
면 1500cc 정도의 힘에서 천천히 2400cc의 힘으로 가속이 시작되는것이 아닌, 일순간에 부스트 압력이 걸리면
갑자기 2400cc로 돌변하게 되는것입니다.

즉 밋밋한 가속을 하던중에 갑자기 고개가 뒤로 넘어가면서 차는 맹렬한 기세로 앞으로 돌진하게 됩니다. 터보
엔진의 최대의 단점은 터보랙이라는 증상입니다. 빠른 가속을 위해서 가속페달을 깊게 밟으면 원래 설계된 엔진의
배기량에서 나오는 힘밖에 나오지가 않습니다. 그러다가 엔진회전수가 상승하고 배기가스가 터빈으로 충만해지면
그제서야 과급이 되면서 꽝~하는 힘으로 차를 가속하게 되므로…

갑자기 빠른 출력이 요구되는 상황에서는 이 답답한 아무것도 못하는 시간이 짜증이 날수도 있습니다. 이 시간을
터보랙이라고 합니다. 터보랙을 줄이는 방법은 대배기량 엔진에서는 트윈터보로 해결할수도 있으며 소용량 터빈
을 사용해서 해결하기도 합고, 미스파이어링 시스템으로 해결하기도 합니다만.. 고출력을 위한 대용량 터빈이 장
착된 엔진에서는 피할수 없는 증상이기도 합니다.

일전에 시승했던 아반떼 2.0에 대용량 터빈이 장착된 차는 4500rpm에서 부스트가 걸려서 5000rpm이 되면 최고
부스트가 되고, 7000rpm까지 사용가능했었는데… 4500rpm 이하의 영역에서는 그냥 아반떼 2.0과 같은 출력이
었고.. 빠른 가속을 위해서는 부스트가 뜨는 약간의 시간이 필요했었지요.

반대로, 슈퍼차져는 터빈을 엔진의 플라이휠과 벨트로 연결합니다. 엔진과 1:1로 회전시키게되면 과급이 거의 발
생하지 않기때문에, 벨트의 풀리의 지름을 조정하여 과급압력을 결정합니다. 일반적으로 0.5바에서 0.7바 수준이
가장많이 사용되지요.

슈퍼차져는 항상 터빈이 엔진과 같이 회전하고 있기때문에 가속페달을 밟으면 즉각적으로 반응을 합니다. 즉 터
보챠저의 단점인 터보랙이 없다는것이 장점입니다만… 일반적으로 벨트로 구동을 하기 때문에, 과급압력을 크게
할수가 없는것이 단점입니다.

과급압력이 커지면 과급하는데 엔진의 동력을 너무 많이 까먹게 되고(이유는 터빈사이즈가 동일하다면 풀리를
작은것을 써서 터빈을 더 빠르게 돌려야하는데, 그러기에는 엔진의 동력손실이 커지게 됩니다), 일반적으로 고
회전에서는 터빈에 장착된 클러치를 풀어버려서 고회전에서 발생하는 토크하강과 더불어서 터빈에서 잡아먹는
동력손실을 줄이기도 합니다.

따라서, 슈퍼차져는 아직은 터보챠저에 비해서 매우강한 힘을 낼수는 없는것이 기계적인 한계입니다. 하지만 슈
퍼차져는 소배기량 엔진에 항상 과급을 하여 항상 대배기량 엔진처럼 사용할수 있는 잇점이 있으며, 토크의 상
승폭이 급격하게 증가하지 않아서, 구불구불한 코너가 많은 서킷에서는 운전이 터보엔진에 비해서 유리한 점이
있습니다.

앞서 말한 두종류의 과급엔진들은 기본적으로 공기를 압축하는 압축기를 이용하여 대기압보다 더 밀도가 높은 공
기를 실린더에 넣고 많은 연료를 분사시켜 높은 출력을 냅니다. 이러한 잇점이 있는 반면에 단점도 존재하게 됩
니다.

가장먼저 엔진을 설계할때 내구성을 강하게 설계를 해야 합니다. 자연흡기 엔진에서는 배기량만큼의 공기는 흡입
을 하지 못하기때문에, 엔진각부위의 강성을 설계하기가 용이합니다. 2.0 엔진이라면 대략적으로 150마력 근방의
출력이다보니 그정도선에서 강성이 결정이 되지요.

하지만, 과급엔진이라면 상황이 달라집니다. 부스트압력에 따라서 출력이 기하급수적으로 변하며, 게다가 갑자기
큰 토크가 엔진에 걸리는 빈도가 잦기때문에, 각종 부품들의 강성을 대단히 강하게 설계해야하므로 초기단가가
꽤 올라가게 되며, 덧붙여서 엔진의 관리측면에서도 세심한 주의를 요하게 됩니다.

엔진의 회전한도가 낮고 노킹의 걱정이 없는 디젤엔진에 터보챠저가 결합이되면, 그다지 큰 신경없이 사용이 가능
하지만(그래도 대단히 세심한 오너의 관리가 필요합니다.), 상대적으로 회전한도가 높고 항상 노킹의 위험이 도사
리고 있는 휘발유 엔진에 터보챠저가 결합이되면, 아주 미묘한 점화타이밍으로도 엔진을 한방에 깨지게 할수있으며.

게다가 터빈까지도 초고속(엔진회전수의 20~30배)으로 회전하고, 고온에 시달리기 때문에, 터빈의 냉각과 윤활작용
에 엄청난 주의가 요구됩니다. 게다가 사용되는 연료또한 지극히 제한적이게 되며(고옥탄 휘발유), 과급되는 공기
량을 정확하게 측정하여 거기에 정확한 연료량과 점화타이밍을 주어야하기때문에 엔진제어가 까다롭습니다.

따라서, 메이커 측면에서는 터보엔진보다는 대배기량 자연흡기 엔진이 내구성 및 출력 그리고 엔진제어측면에서
유리하기 때문에 오히려 선호하게 되며, 소배기량 터보엔진들은 스포츠 성향을 중시한 차종에 국한되는것이 일반
적입니다. 차후 A/S문제도 역시나 자연흡기 엔진들이 유리하지요.

게다가 자연흡기 엔진들이 대부분 가지는 압축비인 10:1 정도로 엔진의 압축비를 올릴수가 없습니다. 압축비가 높
아지면 엔진의 열효율이 향상되어 연비가 좋아지고, 출력도 좋아집니다. 하지만 과급엔진들에서 압축비를 올리게
되면 점화플러그에서 스파크가 튀기전에 혼합기가 여기저기서 고온으로 인해서 자기발화하는 노킹의 위험이 도사
리게 되어 대부분 과급엔진들은 압축비를 8.5:1 근방으로 세팅합니다.

압축비가 떨어지다보니 과급이 이뤄지지 않는 저회전 구간에서는 동일한 배기량의 자연흡기 엔진에 비해서 출력이
떨어집니다. 물론 과급이 시작되면 상황은 역전이 되지만요…

기본적으로 터보챠저와 슈퍼차져는 공기를 압축한다는데 같은 의미를 부여할수 있으며, 그 동력원이 무엇인지에
따라서 성향이 변하게 되는것입니다.  아무래도 애프터마켓용 튜너들의 입장에서는 제한적인 슈퍼차져보다는 거의
무제한으로 출력을 올릴수있는 터보챠저를 선호하게 되고…

조금이라도 출력을 올리고 빠른 반응성을 확보하기 위해서 인터쿨러 및 블로우오프밸브등을 장착하게 되는것입니
다. 슈퍼챠저 엔진은 예외로 두지만, 이러한 터보엔진들이 주행중에 가지는 가장 치명적인 단점은 급격한 코너링
중에 발생합니다.

스포츠 드라이빙시에 타이어의 최대접지력에 근접한 상태로 코너를 통과하면서 대부분의 운전자들은 “힐앤토”를 이
용하여 엔진회전수를 높게 두고 최대한 낮은 기어로 통과를 하다가 코너의 정점을 지나면서 가속페달을 밟아서 엔
진에 다시 힘을 실어주게 됩니다.

하지만 터보엔진들은 이때 가속페달을 밟게되면, 갑자기 너무 큰 출력이 나와버려 타이어가 공진하면서 코너의 바
깥쪽으로 밀려나갈수도 있습니다. 따라서 가속페달을 밟는것에 리니어하게 출력이 상승하지 못하기 때문에, 자연흡
기엔진에 비해서 대단히 예민한 악셀링동작이 수반되어야 하지요.

직선에서 높아진 출력으로 좋은 주행성을 주는 반면에, 코너에서 적극적으로 그 출력을 입맛에 맛게 사용하기가 대
단히 힘들다는 점이 터보엔진들이 가지고 있는 단점이며.. 양날의 검인것입니다. 물론 사륜구동이 더해진다고 하더
라도 전륜구동이나 후륜구동에 비해서 조금더 과감하게 악셀링을 할수가 있지만, 그렇다고해서 사륜구동이 그러한
양날의 검을 해결하는 방법은 아니지요.

슈퍼챠저의 경우라면, 대부분 실용영역의 회전수대역에서는 과급이 이뤄지고 있기때문에, 출력의 상승이 대배기량
자연흡기 엔진과 동일하게 리니어합니다. 따라서 과급압력이 그리 높지않아서 터보차져처럼 높은 출력을 내기가
다소 힘들지만, 위화감없이 고출력을 다스릴수 있다는것이 아주 좋은 장점으로 나타납니다.