Turbochargers

검은 매연

어릴 적 검은 매연을 내 뿜으며 언덕길을 힘들게 오르던 화물차가 기억납니다. 매연은 색깔도 검기 때문에 보기만 해도 몸에 안 좋겠구나 확 느낌이 오죠!!  이 검은 매연은 해가 가면서 점차 보기 힘들어졌는데요 지금은 일부 연식이 된 차량에서 간혹 보게 됩니다.  

이 검은 매연의 원인은 불완전 연소인데요 연료가 연소할 때 산소가 충분히 공급되지 못해서 발생하는 것이죠. 자동차의 경우 가속하기 위해 악셀을 밟아 연료가 충분히 공급되었지만 그만큼 산소가 충분히 공급되지 못하면 불완전 연소가 되고 매연이 발생합니다. 과거 디젤엔진을 장착한 화물차들에서 많이 발생하였는데요 언덕을 오르기 위해 악셀을 힘껏 밟아 연료를 충분히 실린더에 넣어줘도 흡기로 들어오는 산소의 양이 제한적이기 때문에 불완전연소가 발생하고 이게 배기되면서 검은 매연이 되는 것이었습니다. 

하지만 요즘 이렇게 검은 매연을 내뿜는 자동차를 쉽게 볼 수는 없습니다. 최근 생산되고 있는 거의 모든 디젤 엔진은 터보차져를 장착하여 생산되기 때문인데요 터보차져는 간단하게 설명드리면 배기가스를 바로 배기하지 않고 터빈을 돌리는데 사용후 배기하는 것입니다. 이 때 돌리는 터빈으로 외부의 산소를 끌어당겨 압축시킨 후 실린더로 흡기하는 것입니다. 이를 통해 산소를 충분히 공급해줌으로써 운전자가 아무리 악셀을 깊게 밟아도 불완전 연소가 거의 발생하지 않아 위와 같은 검은 매연의 빈도가 급격히 감소하게 된 것입니다. 또 악셀을 깊게 밟지 않아도 충분한 폭발력이 나오기 때문에 연비도 향상됩니다. 물론 깊게 밟으면 기존보다 더 강한 힘을 만들기 때문에 성능도 향상되지요. 

터보차져

엔진은 흡기를 하고 폭발로 구동력을 얻은 후 배기를 하죠. 그래서 세상의 모든 엔진은 흡기하는 방식에 따라 2가지로 나누어 집니다. 바로 자연흡기(Naturally aspirated engine)와 과급기(Forced induction) 방식인데요 이 과급기는 다시 터보차져(Turbochargers)와 수퍼차져(Superchargers)로 나뉩니다. 터보차져와 수퍼차져의 차이점은 "MINI R57 Engine: Prince engine"를 참조 바랍니다. 

위의 사진은 Benz의 OM651 엔진에 장착된 터보차져의 모습입니다. OM651에 관한 자세한 정보는 "Mercedes-Benz OM651"를 참고해 주세요. 터보차져로 들어온 배기가스는 터빈을 돌리면서 빠져나가 배기관을 통해 머플러로 가서 배기음과 함께 배기됩니다. 이 때 터빈은 매우 고속으로 회전하게 되는데요 이 회전력으로 대기중의 공기를 강하게 빨아드립니다. 빨려 들어온 공기는 압축되어 엔진 실린더로 흡수되고 연료와 섞여 폭발하게 됩니다. 아래 영상은 터보차져의 동작원리를 정말 잘 설명해줍니다.

터보차져는 동작시키기 위해 별도의 동력이 필요하지 않습니다. 그냥 배기가스가 나오면 그 힘으로 터빈을 돌리고 터빈이 돌면 공기가 압축되어 부스팅(boosting)이 됩니다. 과거에는 부스팅이 되기 위해 지연시간이 발생하여 '터보랙'이 생기기도 하였지만 최근에 장착되는 터보차져는 터보랙이 많이 줄었지만 안타깝게도 엄연히 존재합니다. 단지 급가속을 자주 안하시면 못 느낄 뿐입니다. 또한 Benz의 OM651에 장착된 터보차져는 two-stage turbo 인데요 이는 낮은 RPM에서는 작은 터보를 돌리다가 RPM 이 올라가면 큰 터보를 돌리는 방식으로 부스팅 RPM 구간을 늘리면서 보다 빠른 부스팅이 가능해 터보랙이 줄게 됩니다. 이런 매력적인 터보차져도 아래와 같은 단점이 있습니다.

1) 앞에서 지적한 것처럼 터보랙이 있어 급가속시 약간의 지연이 발생할 수 있습니다. 이는 왜 고성능 수퍼카들이 터보차져를 안쓰고 자연흡기를 고수하거나 수퍼차져를 쓰는 지가 말해줍니다. "Audi RS5 Convertible"를 통해 확인해 보시기 바랍니다.

2) 터빈이 고속으로(150,000RPM 혹은 그 이상) 회전하면서 늘 높은 온도의 배기가스에 노출되어 있기 때문에 수명이 짧아질 수 있습니다. 터빈이 고장나는 순간 엔진은 검은 매연을 다시 뿜게 되고 매연이 나오지 않더라도 차의 성능이 줄어들게 되는데요 이 때 터빈을 교환하시게 되면 부품가격은... 후덜덜할 것으로 예상됩니다. 이를 방지하기 위해 터보차져가 장착된 차량들에게는 후열이 필요한데요 꼭 필요하지는 않지만 급가속 주행이나 장시간의 고속주행으로 터빈이 가열된 상태에서 엔진을 급하게 멈춰버리면 좋지는 않겠죠.  후열에 관해서는 "OM651 디젤 엔진의 예열과 후열""를 참고해 주세요. 

3) 마지막으로 배기음과 관련이 있는데요 배기가스가 터빈을 돌리고 나오다 보니 순수하게 엔진에서 바로 배기되는 내추럴한 음질이 손상된다는 점입니다. 머 이건 제가 배기음쪽을 잘 몰라서 모르겠지만 곰곰히 생각해보면 영향이 있을 수도 있을 듯 합니다. 

인터쿨러

터보차져에서 압축된 공기들은 단순히 압축만 되서 흡기가 되면 좋겠지만 공기는 압축이 되면 온도가 상승합니다. 얼마까지 상승할까요? 정확히는 모르겠습니다. 하지만 이렇게 온도가 상승하게 되면 단위 공간 당 산소가 희박해지는 단점이 있어 기껏 압축해 놓은 부스팅에 손해가 많아집니다. 그래서 도입된 것이 인터쿨러(Intercooler)입니다. CPU에 CPU 쿨러가 달리 듯 터보차져에는 인터쿨러가 장착됩니다. 

인터쿨러는 터보차져로 압축되어 상승된 공기의 온도를 낮추기 위해 공냉식 또는 수냉식 쿨러를 이용하는데요 인터쿨러를 통해 식혀진  공기의 온도는 무려 140도 정도라고 합니다. 그러니 식히지 않았다면... 꾀 고온의 상태로 실린더로 흡입될 수 있겠죠. 바로 이 때 발생하는 문제중에 대표적인 문제가 노킹입니다. 노킹에 대한 제사한 설명은 "고급 휘발유 써야 하나?"를 참고해주세요. 

최근 가솔린 엔진들도 터보차져를 장착하여 출시되고 있는데요 가솔린 엔진의 경우 노킹에 매우 취약하기 때문에 터보차져가 달린 가솔린 엔진은 이 문제에 주의 하셔야 합니다. 혹 출력이 저하된 듯 하시다면 우선 터보차져 관련 부분을 의심해 보시기 바랍니다. 

위의 사진은 BMW의 320d와 520d에 들어가는 N47엔진인데요 관련해서는 "BMW 엔진 라인업과 N47"를 참고해 주세요. 맨 앞에 직사각형 모양의 방열판이 바로 인터쿨러 모듈입니다. 인터쿨러의 유일한 단점은 위의 사진과 같이 쿨링을 위해 꾀 많은 공간을 찾이하게 된다는 점입니다. 일반적으로 인터쿨러는 자동차 앞 부분의 그릴 안쪽이나 그 아래에 장착됩니다. 

또하나의 쿨링 방식은 냉각수를 사용하는 것인데요 잘 아시겠지만 자동차의 게기판에는 냉가수 게이지가 있습니다. 냉각수는 엔진 구동축에 벨트로 직접 연결되어 구동이 되는데요 사실상 큰 성능저하는 발생하지 않는다고 합니다. 문득 든 생각인데 냉각수 게이지는 있는데 왜 엔진오일 게이지는 계기판에 없는 걸까요? 

마치면서

최근 BMW, Audi, Benz 그리고 다른 자동차 메이커들의 트랜드는 자연흡기 방식의 엔진을 터보차져 방식으로 전환하는 것입니다. 물론 고성능의 차량은 제외입니다. 이를 통해 고효율, 고연비, 저배기가스 엔진을 만들 수 있기 때문인데요 연비가 좋아졌다, 성능이 나아졌다 머가 개선됬다... 등등 선전을 많이 하지만 위에서 지적한 터보차져의 단점에 관해서는 말이 없습니다. 결국 이건 소비자가 알아서 대처해야할 몫인 것입니다. 

<Reference>

http://www.youtube.com/watch?v=Xp-EVOPBhIo

http://en.wikipedia.org/wiki/Forced_induction

http://www.webanswers.com/post-images/8/8F/DB0330F7-B31F-400D-945B4EAF9FE6DFAC.jpg

http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%84%B0%EB%B3%B4_%EC%B0%A8%EC%A0%80

http://www.aa1car.com/library/turbo_repair.htm