터보 엔진 - 개념 및 특징

엔진은 자동차의 심장에 해당될 만큼 자동차 구동에 있어서 매우 핵심적인 장치이다. 이런 엔진은 연료 분사 방식, 실린더의 개수, 과급 방식 등에 따라 여러 종류로 구분된다. 이중 터보 엔진은 최근 수년 사이에 자동차 내연기관의 대세로 자리잡았는데, 그 이유는 이 터보 엔진이 다른 엔진에 비해 배기량을 줄이면서도, 동력성능이나 연비 수준은 비슷하게 유지되거나 또는 더 높기 때문이다.

 

목차

1. 터보 엔진이란
2. 터보 엔진의 역사
3. 터보 엔진의 장점
4. 터보 엔진의 단점
5. 터보 래그를 위한 해결책

 

1. 터보 엔진이란

 

터보 엔진에서는 터보 차저가 핵심 부품이다. 터보 엔진에서는 엔진에서 연소 후 발생되는 배출가스의 압력을 이용해서 이 터보차저를 작동시키는데, 터보차저의 작동으로 인해 만들어진 압축 공기가 다시 엔진의 연소실로 유입되면서 동력을 발생시키게 된다.

 

2. 터보 엔진의 역사

 

터보 엔진은 압축공기를 생성시켜서 과급하는 방식이기 때문에 일명 과급 엔진이라고도 하는데 이와 같은 과급 엔진의 역사는 꽤 오래되었다.

 

과급 엔진의 시초는 1885년에 독일의 고틀리프 다임러가 개발한 펌프식 과급기이다. 그리고 현재의 터보차저에 대한 고안은 1905년 스위스의 알프레드 뷔치에 의해 이루어졌다. 하지만 당시에는 금속가공기술이 발달하지 않았기 때문에 실제로 제품으로 구현하지는 못했다. 실제 제품으로 구현된 것은 1922년이 되어서 였다. 

 

실제 제품으로 구현된 터보차저 기술은 처음에는 디젤 엔진에 적용되었고, 이로 인해 터보 디젤 엔진이 탄생했다. 이 터보 디젤 엔진은 크기가 비교적 컸기 때문에 처음에는 여객선에 적용되었는데, 1923년에 제작된 단치히와 프로이센이라는 2대의 독일 여객선에 적용된 10기통 2500마력의 제원을 가진 터보 디젤 엔진이 최초의 사례이다. 

 

이후 2차 대전을 거치면서 터보차저 기술은 급속도로 발전했다. 이는 전쟁을 치르면서 각국이 각종 전함이나 잠수함 등에 터보 디젤 엔진을 탑재했고, 성능등을 향상시키기 위해 진력을 다했기 때문이다. 이런 노력 끝에 마침내 터보차저의 크기는 이전 시기와 비교해서 크기는 작아진 반면에 과급 능력은 오히려 향상되었다.

 

종전 이후에는 터보 디젤 엔진이 비로소 자동차에 적용되기 시작했다. 대형 트럭을 시작으로 점점 소형화를 거치면서 1960년대에 들어서는 소형 트럭에 적용되기 시작했다.

 

3. 터보 엔진의 장점

 

자동차의 출력을 배가시키기 위한 일반적인 방법으로는 배기량을 늘리는 방법과 연소 시에 많은 공기를 연소시키는 방법이 있다. 이중 배기량을 늘리는 방법은 자연 실린더의 수나 크기를 늘리게 되기 때문에 엔진의 부피가 커진다는 단점이 있다.

 

터보 엔진은 다른 엔진과 배기량을 동일하게 유지하거나 오히려 줄이면서도 한 번에 많은 공기를 흡수할 수 있다는 장점이 있다. 그로 인해 엔진의 크기도 줄일 수 있고, 또한 이산화탄소의 배출량도 상대적으로 적은 편이다. 게다가 배기량으로 세금을 매기는 우리나라의 경우에는 배기량이 적은 터보 엔진은 자동차세를 절감하는 데에도 효과적이라 할 수 있다.

 

4. 터보 엔진의 단점

 

터보 엔진은 배기가스를 이용해서 동력을 얻는다. 따라서 엔진이 저회전 시에는 충분한 양의 배기가스가 만들어지지 않기 때문에 이로 인해 원하는 엔진 회전수에 다다르는데 오랜 시간이 걸리거나 또는 출력이 지연되는 경우가 있다. 이를 '터보 래그(Turbo lag)'라고 한다. 이 터보 래그는 터보 엔진이 지니는 대표적인 단점이라 할 수 있다.

 

5. 터보 래그를 위한 해결책

 

터보 래그는 터보 엔진이 갖는 고질적인 문제점이라 할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 자동차 메이커에서는 여러 가지 기술을 선보이고 있다. 대표적인 기술들로는 직분사 기술과의 결합, 트윈스크롤, 멀티 터보 엔진 등이 있다.

 

이중에서 흥미로운 기술 하나가 바로 가변 지오메트리 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger)라는 기술인데, 이 기술은 주로 터보 디젤 엔진에 적용되고 있다. 이 기술의 원리는 배기가스 양 또는 배기가스의 유속에 따라 터빈의 날개 형상을 바꿔서 공기압을 높이는 방식이다. 즉 배기압이 낮을 때에는 날개를 닫은 채 배기압을 높여주고, 반대로 배기압이 높을 때에는 날개를 열어서 유속을 높여준다. 따라서 이 기술을 적용하면 비교적 낮은 회전에서도 터빈을 원활하게 작동시켜서 과급을 유도할 수 있다.

 

이 기술외에도 볼보자동차에서는 파워펄스라는 기술을 사용하고 있다. 이 기술은 시동 직후나 저속 회전시에 터보차저의 배기압이 충분하지 않기 때문에 대신에 탱크에 저장된 별도의 압축공기를 활용해서 터빈을 작동시키는 방식이다.