과급기

왜 배우는가: 과급기는 같은 배기량으로 더 큰 출력을 얻는 기술이므로 내연기관 성능의 기본 개념이다. 기계식과 배기터빈식의 차이, 제어방식 같은 후속 문항이 모두 이 원리에서 출발하므로 시험에서 반복해 나온다. 실무에서도 엔진을 소형화하면서 출력을 확보하는 설계의 핵심이다.

출제 이력: 제131회 2교시 4번, 제128회 1교시 5번, 제123회 1교시 8번, 제119회 3교시 3번, 제113회 4교시 3번, 제101회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

과급기는 흡입 공기를 대기압보다 높은 압력으로 압축해 실린더에 더 많이 공급하는 장치이다. 같은 행정체적에서 연소에 참여하는 공기와 연료의 양을 늘려 출력을 높이는 것이 목적이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 과급은 흡입 공기의 압력을 대기압 이상으로 높이는 작업이다.
• 과급기는 과급을 수행하는 압축 장치 전체를 가리킨다.
• 체적효율은 실린더에 실제로 흡입된 공기량과 행정체적 기준 이론 공기량의 비이다.
• 기계식 과급기는 크랭크축의 동력으로 구동되는 과급기이다.
• 배기터빈 과급기는 배기가스 에너지로 터빈을 돌려 압축기를 구동하는 과급기이다.
• 터보 지연은 저속에서 배기 유량이 부족해 과급 압력이 늦게 올라가는 현상이다.
• 인터쿨러는 압축으로 올라간 흡기 온도를 낮추는 열교환기이다.
• 공기 밀도는 단위 체적당 공기 질량으로, 과급 효과를 결정하는 기본 값이다.

2. 개념 풀이

과급기는 내연기관의 흡기계에 설치되어 흡입 공기를 압축하는 장치이다. 정식 정의는 엔진이 흡입하는 공기의 질량을 대기압 이상의 압력으로 늘려, 행정체적이 같아도 연소에 참여하는 공기와 연료의 양을 증가시키는 장치이다. 자연흡기 엔진은 흡입행정에서 생기는 부압으로 공기를 빨아들이므로 흡입 공기량이 행정체적과 흡기 조건에 의해 제한된다. 과급기는 이 한계를 넘기 위해 흡입 공기를 미리 압축하여 공급한다.

원리는 공기의 밀도에 있다. 압축된 공기는 밀도가 커지므로 같은 부피의 실린더에 더 많은 질량의 공기가 들어가고, 여기에 연료를 더 많이 분사하면 폭발행정에서 얻는 일이 늘어난다. 다만 압축 과정에서 공기 온도도 함께 올라가므로, 과급 효과는 밀도 증가와 온도 상승의 상대적 크기에 따라 결정된다. 그래서 과급 시스템에는 흡기를 냉각하는 인터쿨러를 함께 두는 경우가 많다.

과급 효과는 체적효율로 나타낸다. 식으로 쓰면 \eta_v = \dfrac{\text{실제 흡입 공기량}}{\text{행정체적 기준 이론 공기량}} 이다. 자연흡기 엔진의 체적효율은 대개 1보다 작고, 과급 엔진은 흡기 압력이 대기압을 넘으므로 1을 넘을 수 있다.

과급기는 구동 방식에 따라 두 종류로 나뉜다. 기계식 과급기는 크랭크축에 벨트나 기어로 연결되어 엔진 동력으로 압축기를 돌린다. 배기터빈 과급기는 배기가스의 에너지로 터빈을 돌리고, 같은 축에 연결된 압축기가 공기를 압축한다. 두 방식의 차이는 압축 동력의 출처에 있다. 기계식은 엔진 출력의 일부를 소비하고, 배기터빈식은 버려지는 배기 에너지를 재사용한다.

배기터빈식은 배기 에너지가 충분해야 하므로 관련 기준이 정한 기관회전수 이상에서 본격적으로 과급한다. 배기가스 온도가 매우 높은 수준에 이르러 터빈과 하우징은 고온 조건에서 쓰이므로 내열 합금 소재가 필요하다. 배기 유량이 적은 저속 구간에서는 과급 압력이 늦게 올라가는 터보 지연이 생기며, 이는 과급기 용량이 엔진 배기량에 비해 클 때 두드러진다.

3. 등장 배경과 필요성

자연흡기 엔진의 출력은 배기량에 비례하므로, 같은 출력을 더 작은 엔진에서 얻으려면 흡입 공기량을 늘려야 한다. 과급은 행정체적을 키우지 않고 공기량을 늘리는 해법이며, 이것이 과급기가 도입된 근본 배경이다. 건설기계는 중량과 저속 고토크 부하가 많아 배기량을 키우면 중량과 연료 소비가 함께 늘어나므로, 과급으로 엔진을 작게 유지하면서 출력을 확보하는 방향이 쓰인다. 이를 다운사이징이라 한다.

과급은 고지대의 출력 저하를 보상하는 데에도 쓰인다. 고도가 높아지면 공기 밀도가 낮아져 같은 체적으로 흡입되는 산소가 줄고 출력이 떨어진다. 희박한 고공에서 왕복기관의 출력을 유지하기 위해 배기터빈 과급기를 장비한 사례가 있으며, 이는 과급의 목적이 공기 밀도를 회복하는 데 있음을 보여 준다.

과급은 배기 에너지를 회수하는 의미도 가진다. 배기터빈식 과급기는 버려지는 배기 에너지를 재활용하여 엔진 출력의 손실을 줄인다. 역사적으로 루츠식 송풍기는 1860년 산업용 송풍기로 특허를 받은 뒤, 1900년 엔진의 과급기로도 쓰이기 시작했다.