터보의 원리

터보란 무엇인가?

터보란 말은 라틴어의 투르보에서 유래된 말이다

이것은 모터, 즉 터빈을 의미한다. 이것만으로도 벌써 터보엔진의 원리는 거의 설명된 것이나 다름없다. 다시 말해 터보엔진이란 터빈을 이용하여 출력을 높인 엔진인 것이다.

자동차가 탄생이후 지금까지 줄곧 고출력 실현을 위해 연구해 왔다. 적은 연료, 적은 시간으로도 어떻게 하면 고출력을 실현 시킬 수 있을까 하는 것은 자동차 역사상의 최대 목표였다.

터보차져는 동일축상의 터빈과 컴프레서, 센터하우징 그리고 웨스트게이트 컨트롤액츄에이터로 구성되어 있다. 터빈과 컴프레서는 휠과 하우징으로 구성되며 휠은 축의 양끝단에 설치되어 있다.

센터하우징은 축을 보호 및 지지하며 컴프레서의 하우징도 지지한다. 하우징의 내부는 베어링, 베어링과 축의 윤활 및 냉각을 위한 오일통로와 냉각수통로로 구성되어 있다.

액츄에이터는 스프링과 다이어프램으로 구성된다. 컴프레서 및 터빈에서 압축공기 또는 배기가스가 센터하우징으로 누출되는 것을 방지하기위해 축의 베어링과 휠사이에 밀폐용 부품들이 장착되어 있다.

윤활유의 누유는 센터하우징과 터빈 및 컴프레서하우징사이의 압력차이와 축의 회전작용에 의해 방지된다.

적절한 양의 깨끗한 오일은 터보차져 작동에 필수적이다. 회전체(휠)는 약 120,000rpm까지 회전하며 오일의 단속적인 공급 또는 오염은 베어링을 손상시켜 터보차져 전체에 손상을 가져온다. 엔진 본체의 베어링에 손상이 없는 경우, 엔진오일 및 휠터를 교환해야 하며 터보차져의 경우도 오염의 가능성을 줄이기 위해 깨끗한 엔진 오일로 세척해준다.

일반적으로 자동차의 출력을 높이는 방법엔 두가지가 있다.

하나는 일반적으로 배기량을 늘려주는 것이다. 배기량이라는 것은 각 실린더의 용적을 합한 것인데, 배기량이 클수록 그만큼 많은 공기와 연료를 받아들여 연소시키므로 폭발력이 커지며 따라서 당연히 출력이 증가한다.

하지만 이 방법은 여러 가지 면에서 비경제적이다.

왜냐하면 배기량을 늘리기 위해 실린더 수를 늘려야 하며 이에 따라 엔진의 부피가 커지고 차량 중량이 증가하며 따라서 차 가격이 비싸고 연료 소비가 많아 유지비가 많이 들기 때문이다.

그렇다면 똑같은 배기량 속에서도 출력을 증가시키는 방법이 없을까? 이 고민을 해결한 것이 바로 터보엔진이다. 사실 우리가 일상적으로 계산하고 있는 배기량은 실린더 안에서 그대로 적용되는 것은 아니다.

흡입, 압축 폭발, 배출 등의 과정이 너무도 짧은 순간 속에 연속적으로 일어나기 때문에 실제적으로는 실린더 용적의 80% 정도 수준으로 폭발이 발생하고 만다. 따라서 3.000cc 엔진이라면 실제 연소되는 연료는 2.400cc 정도 밖에 되지 않는다.

그만큼 출력감소가 발생하는 것이다. 그래서 이 흡기효율을 100%가까이 끌어 올리려고 밸브 구멍을 크게 만들거나 수를 늘리는 방법 등이 사용되는데 이것 역시 실린더의 크기가 제한되어 있기에 때문에 한계가 있다.

터보의 원리

수퍼차저는 크랭크 사프트의 회전력을 터보차저는 배출가스를 이용 이런 난점들을 해결하기 위하여 실린더 안에 혼합연료를 강제적으로 밀어넣는 방법이 사용되는데 이것이 바로 터빈을 이용한 터보차저와 펌프식 수퍼차저이다.

따라서 터보차저와 수퍼차저는 그 방법만 다를뿐이지 원리는 같은 것이다.

수퍼차저는 엔진의 크랭크사프트로 구동되는 컴퓨레서에 의해 펌프를 작동시켜 실린더내로 혼합연료를 강제적으로 밀어넣는 방식이다.
따라서 중,저속에서의 토크 향상에 효과가 크며 원래 공기가 적은 고공을 비행하는 항공기에 공기를 많이 넣으려고 사용하던 방식이다. 하지만 수퍼차저는 크랭크 사프트의 회전력을 직접 이용하므로 엔진의 힘을 빼앗아가는 단점이 있어 실용차에는 잘사용되지 않는다.

그렇다면 같은 원리인 터보차저는 무엇을 이용하는 것일까? 이것은 엔진에서 손실 되는 동력을 이용한다. 즉 터빈은 엔진의 손실되는 배출가스을 이용하여 동력을 얻는 것이다.

사실 엔진에 있어서 폭발력의 전부가 자동차를 움직이는데 쓰여지는 것은 아니다. 일부분만 바퀴를 구동하는데 쓰이고 나머지는 부수적인데 사용되거나 손실되고 마는 것이다.

즉 폭발력은 실린더의 마찰에 의해 5% 감소되고 35%는 엔진을 식히는데 사용되며 또한 30%는 배출가스로 빠져나가 버리고 만다.

따라서 실제 바퀴구동에 사용되는 원래의 폭발력은 30% 밖에 되지 않는다. 그런데 터보차저는 바로 빠져나가는 힘, 즉 폭발력의 30%나 되는 배출가스를 이용하여 터빈을 돌린다. 보통 배기가스는 섭씨 900도 가까운 열을 가지고 있다.

이렇게 높은 온도의 개스가 배기매니폴더를 지나면 속도는 거의 음속만큼 빨라지고 그 힘으로 터빈은 힘차게 돌아간다. 터빈을 돌면 그 맞은 편에 있는 컴퓨레서도 함께 돌아가며 이 컴퓨레셔가 공기를 압축시켜 실린더로 강제로 이동시킨다. 터보 차저는 보통엔진보다 1.5배 정도의 압축비을 갖는다.

배기가스는 고온에다 속도가 빨라서 터빈을 1분에 10만 내지 15만번이나 회전시키는 힘을 가지고 있다. 따라서 터빈은 되도록 강해야 하고 동시에 열과 압력에도 충분히 견딜 수 있어야 한다.

바로 이 강성과 내구성이 터보차저 제작에 있어서의 최대의 과제이다 터빈의 재질은 보통 니켈 합금등의 특수 경금속이 사용되는데 최근에는 열에 강한 뉴세라믹도 많이 사용되고 있다. 터보차저에 있어 또 하나 문제가 되는 것은 압축비의 조절이다.

큰 힘을 얻기 위해서는 압축비를 높여야 하는데 압축비가 너무 높으면 노킹이 발생할 우려가 높다. 즉 너무 높은 압축비에서는 가솔린 입자와 공기 입자가 서로 마찰되거나 또는 혼합연료 실린더 또는 피스톤과의 마찰열로 인해 플러그가 불꽃을 보내기 전에 저절로 폭발하는 비정상 연소 현상이 발생하는 것이다.

그래서 논터보 엔진의 자동차는 압축비를 통상적으로 9.0∼10.0 정도에다 맞추어 놓는다. 하지만 이 압축비 역시 실제 폭발시의 압축비와는 거리가 멀다. 앞서 배기량 설명시 엔진의 빠른 회전속도 때문에 실제적으로는 실린더 용적상의 80%밖에 들어오지 않으므로 압축비도 그만큼 낮아지며 결국 폭발시의 실제 압축비는 9.0∼10.0이 아닌 7.8∼8.1 정도 밖에 되지 않는다.

이렇게 압축비가 낮으면 당연히 폭발력과 출력이 떨어지게 마련이다. 하지만 터보차저는 논터보의 1.5배 정도의 공기를 강제로 밀어 넣으므로 압축비가 그만큼 높아진다.

예를 들어 압축비가 10.0정도의 자동차와 터보를 장치하면 압축비가 15.0으로 높아지게 되는 것이다. 압축비가 다소 자유로운 디젤엔진에 중점적으로 장착 하지만 이처럼 압축비가 너무 높으면 역시 노킹 현상이 발생하기 쉽다. 이 때문에 터보차저에선 애초에 압축비를 논터보에 비해 5∼20%정도 낮추어 설정한다.

너무 낮게 하면 터보가 작동 안되는 공회전일 경우에 파워가 극도로 떨어질수가 있어 이정도 이상으로 낮추지 못하는데 이 수준의 압축비 역시 결과적으로 논터보의 압축비보다는 높아 고출력을 발생시킨다.

그리고 고압축비 속에서도 비정상 연소(노킹)가 발생하지 않도록 하기 위해서 터보차저엔 특별히 노크센서가 부착된다. 이것은 노킹의 진동을 컴퓨터가 감지하여 점화시기를 조정해주는 역할을 한다.

반면 디젤 엔진에는 압축비의 제한이 별로 없다. 왜냐면 노킹의 한계가 없기 때문이다. 디젤엔진은 가솔린엔진과 달리 점화플러그로 폭발시키는 것이 아니라 공기가 압축된 상태에다 연료를 분사시켜 자연착화시키는 방식을 사용한다.

따라서 점화시기의 부적합에서 발생하는 녹킹현상이 적으며 이로 인해 터보차저는 가솔린보다 디젤엔진에 더 효율적으로 적용되어 진다.

기본적으로 터보차저는 두 개의 하우징으로 구성된다. 이들 하우징은 각각의 터빈 휠을 가지고 있으며 이것들은 사프트에 의해 연결되어 있다. 따라서 한쪽이 회전하게 되면 다른쪽도 똑같이 회전하게 된다.

이들 중 배출가스의 연결된 쪽이 터빈이고 그 반대쪽이 바로 컴프레셔이다. 터빈 하우징의 입구는 엔진의 배출구와 연결되어 있는데 앞서 말한것처럼 이것은 고온의 가스가 매우 빠른 속도로 지나간다.

따라서 회전력이 매우 높게 발생한다. 또한 특수 베어링으로 연결되어 있기 때문에 컴퓨레서 역시 똑같은 속도로 회전한다. 터보 차저의 반을 차지하고 있는 컴퓨레서는 공기나 혼합연료를 압축시켜 강제로 엔진으로 밀어넣는다.