터보래그

왜 배우는가: 터보래그는 다운사이징 엔진의 운전성을 좌우하는 대표 문제이므로 실무 설계와 시험에서 모두 중요하다. 과급기 원리와 응답 지연의 원인을 함께 이해해야 저감 기술이 왜 필요한지 설명할 수 있다.

출제 이력: 제128회 3교시 1번, 제126회 1교시 3번, 제122회 1교시 4번, 제111회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

터보래그는 스로틀을 급격히 열었을 때 엔진 회전수가 과급 범위에 있어도 과급압이 형성되기까지 걸리는 응답 지연이다.

정의의 조건은 세 가지이다. 첫째, 엔진 회전수가 터보차저의 작동 범위 안에 있어야 한다. 둘째, 스로틀을 급격히 열어 배기 유량이 갑자기 늘어나야 한다. 셋째, 가속 요구와 과급압 형성 사이에 시간 지연이 있어야 한다. 세 조건 중 하나라도 빠지면 터보래그가 아니다. 예를 들어 회전수가 아직 낮아 과급기가 작동 범위 밖에 있으면 지연은 과급기 응답의 문제가 아니라 엔진 회전수의 문제이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 터보래그
• 과급기
• 터보차저
• 배기 에너지
• 터빈 회전 관성
• 웨이스트게이트
• 과급압

2. 개념 풀이

터보래그는 엔진 회전수가 터보차저의 작동 구간 안에 있을 때, 운전자가 가속 페달을 밟아 스로틀을 연 뒤부터 과급압이 실제로 형성될 때까지 발생하는 지연 현상이다. 이 지연은 가속을 요구한 시점과 엔진이 추가 토크를 내는 시점 사이의 차이로 나타나므로 운전자가 체감하는 응답성 저하가 된다. 과급기는 흡입 공기를 압축해 공기 밀도를 높이는 장치이며, 같은 배기량에서 더 많은 공기와 연료를 연소시켜 출력을 키운다. 터보차저는 과급기의 한 형식으로, 컴프레서와 터빈이 하나의 축으로 연결되어 배기가스의 운동에너지로 터빈을 돌리고 그 힘으로 컴프레서를 구동한다.

원리는 배기 유량이 증가하는 속도와 터빈이 가속되는 속도가 다르다는 데 있다. 스로틀을 급격히 열면 연소실에서 배출되는 배기 유량은 순간적으로 늘어나지만, 터빈과 컴프레서는 터빈 회전 관성 때문에 곧바로 빨라지지 않는다. 터빈이 과급이 가능한 회전수에 도달할 때까지 흡기 압력은 충분히 오르지 않으므로, 실린더에 들어가는 공기량이 늦게 늘고 토크 응답도 늦어진다. 즉 지연의 크기는 터빈 가속에 필요한 에너지와 배기 에너지의 공급량이 맞물리는 정도로 결정된다.

터보래그의 크기는 터빈 크기와 배기 에너지의 관계로 정해진다. 터빈이 엔진 배기량에 비해 크면 저속에서 배기 에너지가 터빈을 돌리기에 부족해 과급압이 늦게 형성된다. 반대로 터빈이 작으면 저속 응답은 빨라지지만, 고속에서 필요한 공기량을 공급하지 못해 배기 압력이 높아지고 펌핑 손실이 커져 출력이 떨어진다. 따라서 터보래그는 저속 응답과 고속 출력이 서로 상충하는 설계 문제로 설명된다. 이 상충을 줄이는 대표 인자가 터빈 형상비이다.

웨이스트게이트는 과급압이 목표값에 도달하면 열리는 밸브로, 배기가스 일부를 터빈을 우회하도록 보내 과급압 상한을 제어한다. 웨이스트게이트 크기는 목표 과급압과 반비례하는데, 높은 과급압을 목표로 하면 우회시켜야 할 배기 유량이 적어 작은 밸브로 충분하기 때문이다. 웨이스트게이트의 응답이 빠르면 과급 초기의 제어가 안정되므로 지연 저감에도 기여한다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 과급압: 컴프레서 출구에서 흡기 계통에 걸리는 대기압보다 높은 압력이며, 충전 효율을 결정하는 값이다.
• A/R비: 터빈 스크롤 단면적을 스크롤 중심에서 단면 중심까지의 거리로 나눈 값이다. 값이 크면 저속에서 과급이 늦고 고속 출력이 높으며, 값이 작으면 저속 응답이 빠르고 고속에서 배기 저항이 커진다.

과급기와 비교하면 차이가 분명하다. 과급기는 크랭크축으로 직접 구동되므로 과급 응답에 지연이 없지만, 구동에 쓰이는 동력이 엔진 출력에서 빠져나가 연비가 나빠진다. 터보차저는 버려지는 배기 에너지를 회수하므로 구동 손실이 작지만, 배기 에너지에 의존하는 만큼 저속에서 지연이 생긴다. 이 때문에 응답이 가장 중요한 드래그 레이스 같은 분야에서는 과급기가 많이 쓰인다.

터보래그 저감의 핵심은 터빈의 회전 관성을 낮추고 배기 에너지를 저속에서 효율적으로 쓰는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

내연기관은 배기량을 줄이면서 출력과 연비를 함께 확보하는 방향으로 발전해 왔다. 배기량이 작은 엔진은 흡입 공기량이 적어 저속 토크가 부족하므로, 과급으로 흡기 밀도를 높여 같은 배기량에서 출력을 보충하는 방식이 채택되었다. 이 과정에서 과급기의 응답 특성이 차량의 운전성을 좌우하는 요소로 부각되었다.

터보차저는 버려지는 배기 에너지를 회수하므로 연비 측면에서 유리하여 다운사이징 엔진의 과급 방식으로 널리 쓰였다. 그러나 배기량이 작은 엔진일수록 저속 배기 에너지가 적어 과급압을 확보하는 데 시간이 더 걸린다. 그래서 저속에서 과급압을 빨리 만드는 기술이 필요해졌다. 이것이 터보래그 저감 기술이 등장한 직접적 배경이다.