터보차저 형식

왜 배우는가: 터보차저 형식은 엔진의 출력과 응답성을 좌우하는 과급 구조의 선택이어서 엔진 설계와 정비에서 자주 다뤄진다. 여러 교시에서 형식별 작동 원리를 비교하는 문항으로 반복해서 나왔으므로, 형식을 나누는 기준과 저속 응답 대 고속 출력의 균형을 같은 틀로 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제104회 3교시 5번, 제95회 2교시 4번, 제87회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

터보차저 형식은 배기가스의 에너지로 터빈을 구동하여 공기를 압축해 엔진에 공급하는 과급기를 구조와 작동 방식에 따라 분류한 것이다.

• 과급: 흡입 밸브가 열린 짧은 시간에 공기를 강제로 밀어 넣어 실린더 충전량을 늘리는 것이다.
• 배기 터빈: 배기가스의 흐름으로 회전하며 같은 축의 압축기를 구동하는 부품이다.
• 과급압: 압축기 출구에서 공기가 가지는 압력으로, 과급의 정도를 나타낸다.
• 가변 베인: 터빈 입구에 설치되어 배기 흐름의 방향과 속도를 바꾸는 날개이다.
• 2단 터보차저: 두 개의 터보를 직렬로 연결해 과급 압력비를 나누어 맡는 구성이다.
• 시퀀셜 터보차저: 회전수에 따라 작동하는 터보 수를 바꾸는 복수 배치 구성이다.
• 전기전동식 터보차저: 전동기로 과급을 보조하는 구성이다.
• 터보래그: 가속 페달을 밟은 뒤 과급압이 올라올 때까지 생기는 응답 지연이다.

터보차저 형식은 가변 형상, 다단, 복수 배치, 전동 보조의 네 가지 방식으로 크게 나눈다. 이 분류는 배기 터빈 과급이라는 공통 원리 위에서 저속 응답과 고속 출력을 어떻게 맞추느냐에 따른 차이이다. 따라서 답안의 첫 줄에는 공통 정의를 쓰고, 이어서 형식별 특징을 구분해 적는 것이 바람직하다.

2. 개념 풀이

터보차저 형식은 배기 터빈으로 과급을 수행하는 과급기를 작동 구조에 따라 분류한 개념이다. 과급은 흡입 행정에서 생기는 부압에만 기대지 않고 공기를 압축해 실린더에 밀어 넣어 충전 효율을 높이는 것을 말한다. 배기 터빈은 배기가스가 가진 에너지를 회수하여 같은 축의 압축기를 돌리므로, 엔진 출력축의 동력을 쓰는 슈퍼차저와 달리 배기 에너지를 버리지 않고 쓴다는 점이 특징이다.

작동 원리는 배기 에너지와 과급압의 관계로 설명한다. 배기 유량과 에너지가 커지면 터빈 회전수가 올라가고, 압축기가 공기를 더 세게 압축하여 과급압이 높아진다. 과급압이 높아지면 실린더에 들어가는 공기 질량이 늘어 같은 배기량에서 더 많은 연료를 연소시킬 수 있으므로 출력이 향상된다. 이때 버려지던 배기 에너지를 공기 압축에 쓰므로 자연흡기 엔진과 슈퍼차저 엔진보다 높은 열효율을 얻는다는 평가가 있다.

그러나 배기 에너지는 엔진 회전수와 부하에 따라 달라지므로, 저회전에서는 배기 유량이 적어 과급이 늦게 시작된다. 스로틀을 갑자기 열었을 때 터빈이 충분히 가속되기까지의 지연이 터보래그이며, 가속 초기에 출력 전달이 늦어지는 응답성 저하로 나타난다.

형식별 원리는 이 지연을 줄이는 방법에 따라 다르다. 가변 형상 방식은 터빈 입구의 가변 베인 각도를 바꿔 유효 면적 대 반경비(A/R 비)를 조절하므로, 저속에서 베인을 거의 닫아 배기 통로를 좁히면 배기가스가 빠르게 터빈에 닿아 회전이 빨라진다. 고속에서는 베인을 열어 많은 배기 유량을 처리한다.

2단 터보차저는 저압과 고압 터보를 직렬로 연결해 과급 압력비를 나누어 분담하는 방식이다. 저속에서는 고압 터보가 주로 과급하고, 고속에서는 고압 터보를 우회시켜 두 터보가 압력비를 나누어 맡는다.

시퀀셜 터보차저는 저회전에서 한 개의 터보만 작동하고 고회전에서 나머지 터보가 작동하는 방식이다. 저회전에서는 두 번째 터보의 배기와 흡기 통로가 닫혀 있어 작은 터보가 빨리 과급을 시작한다.

전기전동식 터보차저는 배기 에너지가 부족할 때 전동기가 과급을 보조하는 방식이다. 전동기가 터빈 축을 먼저 돌려 배기 압력이 충분해지기 전에 과급을 시작하므로 저속 구간의 응답이 개선된다.

요약하면 형식의 차이는 저속 응답과 고속 출력 중 무엇을 우선하는지에 따른 설계 선택이다. 답안에서는 각 형식이 터보래그를 어떤 원리로 줄이는지 문장 하나씩 연결해 쓰는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

터보차저 형식이 다양해진 배경은 한 개의 배기 터빈 과급기가 가진 작동 범위의 한계에 있다. 터빈이 크면 배기 유량이 많은 고회전에서 충분한 과급압을 얻지만, 저회전에서는 배기 에너지가 부족해 터보래그가 커진다. 반대로 작은 터빈은 저회전 응답이 빠르지만 고회전에서 필요한 공기량을 공급하지 못한다. 결국 한 개의 터보차저로는 저속 응답과 고속 출력을 동시에 만족하기 어렵다는 문제가 생긴다.

이 문제를 풀기 위해 여러 형식이 등장하였다. 가변 형상 터보차저는 하나의 터빈에서 베인 각도를 바꿔 작동 범위를 넓히는 방식이다. 2단 터보차저와 복수 배치 방식은 과급 작업을 여러 터보에 나누어 맡기는 방식이고, 전기전동식 터보차저는 배기 에너지가 부족할 때 전동기가 보조하는 방식이다. 형식의 차이는 저속 응답과 고속 출력 사이의 균형을 맞추려는 설계 목표에서 나온다.