터보 엔진은 다운사이징의 확대로 디젤 엔진 차량은 물론 가솔린 차량에도 폭넓게 적용되고 있습니다. 이 번 글에서는 터보의 원리와 특성, 장점과 단점, 왜 자동차에 사용하는지, 그 이유에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
터보의 특성
터보는 터보차저(Turbocharger)를 간단하게 줄여서 사용하는 말로 원래는 터빈(Turbine)과 슈퍼차저(Supercharger)를 합성한 단어입니다.
엔진의 동력을 사용하여 터빈을 돌리는 슈퍼차저와는 다르게 터보는 배기가스의 에너지로 터빈을 돌려서 그 힘으로 공기를 압축하고 엔진에 주입하여 성능을 높이는 방법입니다.
배출 가스에 의해 고속으로 돌아가는 블레이드(Blade)와 터빈에 직접 연결된 컴프레서(Compressor)가 흡입된 공기를 압축하여 엔진의 실린더로 보내는 것이 핵심입니다.
모든 내연기관에서 필연적으로 발생하는 배출가스의 열과 압력을 이용해 터빈을 돌리기 때문에 다른 어떤 방식 보다도 효율이 좋은 방식입니다.
원래 터보엔진은 무거운 동체가 양력을 받을 수 있도록 고출력이 필요한 항공기 엔진에 사용된 기술이었지만 고압에서의 자연발화로 동력을 얻는 디젤 자동차 엔진에 확대 적용되었고 환경오염 문제와 탄소 배출 제약으로 인한 다운사이징 엔진의 전 세계적인 유행으로 가솔린 자동차의 엔진에도 광범위하게 적용되고 있습니다.
하지만 고압으로 인해 온도가 너무 올라가면 성능에 역효과가 발생하므로 인터쿨러(Intercooler)라는 중간 냉각기를 사용하여 압축된 공기의 온도를 낮추어 주는 경우가 많습니다.
모든 차량의 제원 중에 압축비라는 것이 있습니다. 엔진의 연소실 체적에 대한 실린더 전체 체적의 비로 주입된 공기와 연료의 혼합가스가 얼마나 압축된 후 폭발하는 지를 나타냅니다.
일반 가솔린 승용차의 압축비가 9에서 10 정도 수준이고 F1 경주용 자동차가 12에서 13으로 다소 높은 값을 가지며 디젤 엔진이 16 전후로 매우 높은 값을 갖습니다.
그러나 터보차저를 이용하여 압축된 공기를 주입하면 실압축비는 더 증가하게 되고 점화플러그에 발화된 후 폭발력이 더욱 커지면서 엔진의 출력이 증가하는 것입니다.
문제는 엔진의 압축비가 증가하면 실린더 내부에서 혼합 기체의 온도가 급격히 증가하므로 점화 플러그 스파크가 발생되기 전에 휘발유의 자연발화로 인해 조기에 폭발하는 노크(Knock) 현상이 발생한다는 것입니다.
따라서 터보 엔진을 장착한 자동차에는 앞에서 얘기한 바와 같이 인터쿨러 기능으로 압축 공기의 온도를 낮추고 자연발화점을 높은 고옥탄가의 휘발유 즉 프리미엄 휘발유를 사용해야 하는 것입니다.
터보의 장단점
터보의 장점
앞에서도 설명하였지만 터보 엔진을 자동차에 사용하는 이유는 아래에 정리된 큰 장점들이 있기 때문입니다.
- 터보차저가 장착된 엔진은 고압의 공기를 사용하므로 동급 배기량의 자연흡기 방식의 엔진보다 훨씬 더 높은 고출력을 낼 수 있습니다.
- 터보차저 엔진은 어차피 배출되는 배기가스의 열과 압력을 활용하여 공기 압축에 이용하기 때문에 엔진의 동력을 사용하는 슈퍼차저 엔진보다 훨씬 더 높은 효율을 가지게 됩니다.
- 터빈을 돌리기 위한 별도의 동력이나 동력전달 장치가 필요하지 않아 더 작고 가볍기 때문에 엔진에 쉽게 장착할 수 있습니다.
터보의 단점
- 터보는 배출가스로 터빈을 돌려 공기를 압축하고 주입하므로 배기가스 양이 충분치 않으면 정지되어 있는 터빈과 블레이드가 돌아가지 않고 터보 기능이 발휘되지 않습니다. 운전자가 가속페달을 밟은 후에도 터보차저가 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는 터보랙(Turbo-lag)의 원인이기도 합니다.
- 터보차저 엔진은 자연흡기 방식의 엔진보다는 추가 부품이 더 들어가고 내구성도 높여야 하므로 비용이 더 들기 때문에 상대적으로 고가입니다.
- 엔진을 손상하고 출력과 연비를 저하시키는 노크 현상 방지를 위해 대부분 고옥탄가의 프리미엄 휘발유를 주유해야 합니다.
