[자동차] 터보차저란?

배기가스규제와 엔진의 출력 향상이라는 두 마리의 토끼를잡기 위해, 엔진의 성능을 높위기 위한 여러 시도는 과거부터 계속되어 왔습니다. 하지만, 단순히 자동차의 성능을 높이기 위해 트럭용 엔진을 경차에 우겨넣을 수 없는 만큼,엔진의 성능을 높여주는 보조 기기의 필요성이 대두되기 시작하였는데요. 이것이 터보차저(과급기) 등장의 시발점이 되었습니다.

・터보차저란?
터보차저는 과급기로도 불립니다만, 단어에서 알 수 있듯이 주된 역활은 엔진으로들어가는 공기를 압축하여 엔진으로 보내는 것입니다. 엔진의 크기는 출력과 비례한다는 것과, 엔진의 다운사이징의 영향으로, 터보차저의 역활이 점점 더 부각되기 시작됬는데요. 이로 인하여 단순히 공기를 압축하는 형태의 터보차저에서 다이어그람식, 에어실린더식, REA식, 모터식 등 압축하는 공기의 량을 조절하는 형태로 진화하게 됩니다.

・터보차저란의 역사
1700년대에 발명된 자동차의 역사에 비하면, 터보차처의 역사는 그리 깊지 않습니다. 1950년대에 터보차저가 처음으로 Garrett(Honeywell)과 Borgwarner라는 현재 터포 업계의 대표적인 개발사들로부터 생산되었으며, 본격적으로 터보차저가 개발되기 시작한 건 1970년대 후반 엔진의 다운사이징화가 진행되고 나서 부터입니다.

사실 터보차저란엔진의 출력을 높이기 위한 방편으로 만들어졌습니다. 환경오염으로 인하여 유로규제의 강도가 점점 높아짐에 따라, 크기와 출력이 비례하던 엔진이 점점 작아지게 되었고(다운사이징), 엔진이 작아져 낮아진 출력을 높이기 위해 터보차저를 장착해, 효과적으로 공기를 연소시킴으로써 출력을 높여, 유로규제를 만족시키며 연비가 높은 자동차를 생산하기 위해 꼭 필요한 장비가 되었습니다.

・터보차저의 종류
일반적으로 차량에 사용되는 터보차저는 세가지 타입으로 나뉩니다.

(1) 기본 형태의 터보차저

터보차저는 일반적으로 세 부분으로 구성되어 있습니다. 공기를 압축하는 컴프레서 부분, 엔진으로부터 나온 가스로 터빈 루터를 돌리는 터빈 부분, 그리고 컴프레서와 터빈을 이어주는 센터부분으로 나뉘어져 있습니다. 초창기의 터보의 형태는 이렇게 세 부분으로만 구성되어진 가장 간단한 형태의 터보이었습니다.

하지만, 엔진으로부터 나오는 배기가스에 의하여 가동되는 터보의 특성 상, 터보차저가 실제로 가동되기까지 [터보랙]이라는 버퍼링이 걸리게 됩니다. 또한 설계 구조에 의하여, 설정된 배기압에 따라 작동하도록 되어있기 때문에 가장 기본적인 형태의 터보차저는 엔진의 효율성을 이 그다지 좋지 않다는 단점이 거론되었습니다. 물론 없는 것보단 낳습니다만.. 이를 보완하기 위하여 아래와 같은 부가적인 장치가 달린 터보차저가 등장하게 됩니다.

(2) 엑츄에이터 + 터보차저
현재 승용차용으로 가장 많이 쓰이는 터보차저의 형태입니다. 아래의 사진과 같이, 뚫어뻥 처럼 달려있는 것이 엑츄에이터라고 불리는 장치인데요.

[엑츄에이터 + 터보차저]

이 악츄에이터는 컴프레서쪽으로 들어온 공기와 터빈쪽으로 나가는 가스의 기압의 밸런스를 맞춰주는 역활을 합니다. 터빈쪽에 달려있는 바이패스 밸브를 열거나 닫아, (컴프레서 휠의 회전 속도를 조절하여) 엔진으로 들여보내는 공기의 량을 조절하는데요. 가장 단순한 방법으로 엔진의 출력을 높여줄 수 있는 방법이기에, 승용차와 같은 일반 차량에 가장 많이 사용되는 형태이기도 하며, 다음으로 설명드릴 VNT형태에서도 기압을 조절하기 위해 사용되고 합니다.

(3) VNT (Variable Nozzle Turbo) / VGT (Variable Geometry Turbo)

[가변식 노즐 터보(VNT)]

위 사진과 같이 노즐이 움직이면서, 엔진으로 내보내는 공기의 량을 조절하는 형태의 터보차저를 VNT 혹은 VGT라고 합니다. 경차보다 트럭이나 버스에 많이 장착되어 있는 터보인데요. 노즐을 움직여 저속구간과 고속구간에 효과적으로 공기를 압축하여 엔진으로 흘려보내줌으로써, 터보랙의 최소화, 엔진의 연소성 향상, 그에 따른 오염물질의 감소 등 현대의 차량에서 없어서는 않될 중요한 역활을 담당하고 있습니다.

하지만 위의 사진에서 보실 수 있으실 듯, 기본 형태의 터보차저보다 상당히 복잡하게 구성되어 있으며, 이런 VG터보가 주로 장착되는 차량이 트럭, 버스, 건설용 차량 등 주로 험하게 다뤄지는 차량이다보니, 잔 고장이 많이 발생하고수리가 복잡하다는 단점이 있습니다.

・터보차저의 한계
사실 터보차저는 내연기관에서 사용되는 장비이기 때문에, 테슬라를 중심으로 개발되고 판매되고 있는 전기자동차 등과 같이 친환경 자동차에게는 사용될 수 없다는 한계가 존재합니다. 물론현재로선 선박이나 항공기에 사용되는 내연기관을 대체할 수 있는 기술이 없기 때문에 터보는 계속 사용될것으로 보이나, 일반 차량에 사용되는 터보차저는, 과거의 외연기관 같이, 역사의 뒤안길로 사라지진 않을까 하는 생각도 듭니다.