엔진의 출력의 향상은 많은 엔진 엔지니어의 목표입니다.

엔진의 출력을 올리기 위한 가장 손쉬운 방법은 바로 배기량을

키우는 방법입니다.

그러나 배기량을 키우는 방법은 엔진의 무게의 증가, 크기의 증가 뿐아니라 연비도 고려해야 되는 등의 애로가 있어 동일한 배기량

에서 출력을 키우는 방법이 연구되어 왔습니다.

엔진은 이론적으로 배기량 만큼의 혼합기를 흡입하여야 합니다.

그러나 실제로는 배기량의 70~90% 정도 만큼 밖엔 흡입하지 못하기에 바로 이 흡입량을 늘리기 위한 방법이 연구되어 왔습니다. 이를 위해 실린더의 밸브수를 늘리거나 밸브 직경을 크게 하여 흡입공기량을 늘리는 방법이 일반적으로 채택되어 왔으며, 또 하나의 방법으로 공기를 강제적으로 과급을 해주는 터보차저를 사용하는 방법이 개발된 것입니다. 터보차져는 기존엔진의 배기량의 증대없이 엔진에 공급되는 공기의 양을 많게 함으로서 출력을 대폭 올릴 수 있는 방법입니다.

일반적인 자연흡입엔진은 일반 대기압하(1기압)에서 실린더의 부압을 이용해 공기를 흡입하게 되는 것입니다. 그러나 터보장치는 흡입되는 공기의 압력을 약 1.5기압까지 압축을 하여 공급해 줌으로써 터보를 장착했을 경우 공기가 약 50%정도 더 공급이 가능하게 됩니다.

따라서 출력도 50%의 상승이 가능하다는 결론이 나오게 되나 이는 이론적인 것이고, 실제로는 터빈을 돌리는데 필요한 일 그리고 배기가스의 백압에 의한 손실 등에 의해 실제로는 약 30~40%의 출력향상이 가능하게 되었습니다. 터보차져는 또한 고도가 높은 고지대에서 탁월한 효과가 발휘됩니다.

일반 자연흡기엔진은 고지대로 갈수록 기압이 낮아져 희박한 공기에 의해 출력의 손실이 있게 됩니다.

물론 터보장치도 어느정도 손실이 있지만 손실폭이 훨씬 적어 엔진의 출력효과가 큽니다.

터보차져는 흡입공기의 압축을 하는데 엔진의 배기가스를 이용하기도 합니다.

즉 버려진 에너지(배기가스)를 재사합용하여 터빈을 돌리며, 이와 연결된 압축기(콤프레셔)를 동시에 회전시켜 연소실로 다량의 공기를 공급히는 장치입니다.

터빈은 보통 분당 10만에서 15만회를 회전하며, 이는 일반적인 엔진회전수의 약 20에서 30배에 달합니다.

또한 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리다 보니 터보장치는 항상 고온의 열에 노출되어 있게 되며, 베어링 등의 부하가 상당히 큰 단점도 있습니다.











[터보차져 엔진의 작동도]

[위로]





터보차져는 엔진의 배기매니폴드에 붙어 있으며, 엔진에서 배출되는 폐가스를 이용하여 터빈을 돌립니다.

터빈은 흡기매니폴드와 에어클리너 사이에 위치해 있는 컴프레서와 샤프트로 연결이 되어있고, 이 컴프레서가 바로 엔진 실린더로 들어가는 공기를 압축하는 것입니다.

실린더에서 연소된 배기가스는 배기 매니폴드

에 부착되어 있는 터보차져의 터빈의 블레이드를 통해 흐르게 되며 따라서 터빈은 회전을

하게 됩니다. 터빈 샤프트의 다른 한쪽 끝에는 컴프레서 펌프가 달려있습니다.

이 컴프레서가 배기터빈의 힘으로 외부의 신선한 공기를 흡입, 압축하여 실린더로 강제적으

로 압송하게 됩니다.

컴프레서는 원심펌프의 일종으로 블레이드의

중앙으로 공기를 모은뒤 블레이드가 회전함에 의해 실린더 안으로 공기를 과급하게 됩니다.

터빈 사프트는 약 10~15만회의 회전속도를 유지하기 때문에 베어링으로 매우 조심스럽게 지지되고 있습니다.

대부분의 베어링은 이러한 속도에서는 파열되기에 대부분의 터보차져에서는 유체베어링(fluid bearing)을 사용합니다.

이러한 타입의 베어링은 샤프트둘레에 일정하게 공급되는 얇은 오일층 위에서

샤프트를 지지하며, 이로서 샤프트와 기타 다른 터보부품의 냉각과 동시에 샤프트의 회전에 의한 마찰저항을 줄이고 있게 되는 것입니다.



터보차져 설계 고려사항



노킹

터보차져에 의해 가압된 공기는 또다시 엔진의 피스톤에 의해 가압이 되게 됩니다.

따라서 흡입된 공기는 고온으로 변하게 되며, 이로 인해 혼합기가 스파크플러그에 의해 정상 연소 되기전에 자연발화가 되는 노킹현상이 발생하게 될 우려가 높습니다.

따라서 터보차져를 장착한 차량은 이러한 노킹을 피하기 위해 고옥탄가의 연료를 사용하는 경우가 있으나 설계시 터보의 배압이 충분히 높다면 노킹방지를 위해 엔진의 압축비를 내리는 것이 좋습니다.



터보 랙

터보차져의 가장 큰 단점중의 하나가 가속을 위해 엑셀레이터를 밟았을 때, 즉각적인 반응이 없다는 것입니다. 이는 터빈은 배출가스의 힘으로 회전하는데 처음 몇번의 실린더 폭발로 배출가스가 빠져나가는 힘이 갑자기 커질수 없기 때문이기도 합니다.

또한 컴프레셔가 터빈과 같이 돌아가면서 공기를 압축하는 데에도 시간이 소요되기 때문에 원인이 됩니다.

따라서 엑셀레이터 페달을 밟은 뒤 가속력이 발생하기까지 약간의 시간이 필요하며 이로인해서 가속시 시간지연의 느낌이 있는 것입니다. 그러다가 터보가 작동하게 되면 차가 순간적으로 앞으로 가속되게 됩니다.

이런 시간 지체현상을 터보 랙이라고 합니다.

터보랙을 줄이기 위한 방법으로는 회전부품의 관성을 줄이는 것이 좋습니다.

이는 터빈과 컴프레서가 신속하게 가속이 될 수가 있고, 쉽게 과급이 가능하기 때문입니다.

이러한 관성을 줄이기 위한 방법으로는 그 크기를 줄이는 방법이 효과적입니다.

그러나 터보차져의 크기를 작게하면 낮은 엔진속도에서는 빠르게 반응을 할 수가 있으나 고속에서는 효과적으로 과급을 할 수가 없습니다.

또한 고속시에 다량의 빠른 배기가스에 의해 터빈이 너무 빨리 회전하게 되는 위험도 있습니다.

반면에 큰 터보차져의 경우는 고속에서 충분한 과급을 할 수가 있으나 무거운 중량에 의해 저속에선 반응이 늦어 터보랙이 발생하게 됩니다.



터보의 옵션 부품 [위로]

웨이스트게이트

대부분의 터보차져는 웨이스트게이트를 가지고 있습니다.

웨이스트게이트는 배기가스가 터빈 블레이드를 바이패스 할 수 있도록 해주는 밸브장치로서 배기가스의 압력을 감지 압력이 너무 높을 경우 터빈의 고회전을 막기위해 터빈블레이드 주변의 배기가스를 바이패스 시킵니다. 이로서 작은 터보차져로도 고속에서 사용할 수 있게 함으로서 근본적으로는 터보랙을 방지해 주는 역할까지 해줍니다.



볼 베어링

일부 터보차져는 터빈샤프트를 지지하기 위한 베어링으로 유체베어링을

사용하지 않고, 볼베어링을 사용합니다.

그러나 이 볼베어링은 일반적인 볼베어링은 아니고, 특수한 소재로 만들어진 것으로 초 정밀가공한 제품을 사용합니다.

이는 유체베어링 보다 터빈샤프트의 마찰을 적게 할 수가 있으며, 더 작고 가벼운 샤프트를 적용할 수 있게 해줍니다. 따라서 이의 적용으로 터보랙

을 방지해 줄 수 있습니다.



세라믹 터빈 블레이

세라믹 터빈 블레이드는 대부분의 터보에 사용하는 스틸 블레이드 보다 가볍습니다.

따라서 이 또한 터보랙을 감소시키는데 일조를 합니다.



시퀴엔셜 터보차져

일부엔진은 두개의 터보장치를 사용합니다.

작은 것은 터보랙을 줄이기 위해, 큰 것은 고속에서의 과급효과를 높이기 위해 사용합니다.

종류로 트원터보와 스크롤터보가 있으며, 트원터보는 엔진 하나에 두 개의 터보차져를 채용하는 방식이며, 스크롤 터보는 유입되는 공기의 통로를 둘로 나누어 만든 터보장치를 말하는 것입니다.

이렇게 하여 저, 고속 두 단계로 나누어 작동함으로서 저, 고속회전을 막론하고 터보를 작동할 수 있게 합니다. 이외에 배기가스 양의 많고 적음에 따라 자동적으로 알아서 터빈의 회전력을 조절하는 방식이 있으며, 이런 것을 제트 터보라고 합니다.

제트터보에는 플랩이 있어서 이것이 배기가스의 흐르는 방향을 상황에 따라 바꾸어주면서 터빈의 회전속도를 조절하도록 되어 있습니다.

플랩은 적당한 힘의 스프링으로 반발력을 가지고 있는데, 이 반발력이 배기가스의 흐르는 양을 조절합니다.

즉 저회전일 때는 배기가스가 지나가는 양이 작고 속도가 느리므로 반발력이 이 힘을 이겨 위쪽으로 일어나서 배출구를 좁게 만듭니다.

따라서 터빈의 속도는 당연히 빨라지게 된다. 반면 엔진의 고속으로 인하여 배기가스가 많아지면 플랩이 완전히 열려 배출가스가 많이 통과하게 되므로 터빈 역시 빨리 회전하게 되는 것입니다.



인터쿨러

터보차져에서 발생하는 공기는 압축이 되기 때문에 고밀도화 되면서 동시에 고온화 됩니다.

흡입공기의 고온화는 공기를 팽창시켜 실린더로 흡입되는 공기의 절대량을 저하시키기도 합니다.

따라서 이 팽창에 따른 공기의 절대량 감소를 막기 위해서는 압축된 공기를 냉각시켜 실린더에 공급되는 공기의 절대량을 증가시키는 장치가 필요하게 됩니다.

인터쿨러는 이렇게 흡입공기를 냉각시켜 출력을 올리는 장치를 말합니다.

인터쿨러는 코어의 안정된 배열과 흡입된 공기가 얼마나 빨리 식으면서 얼마나 많은 공기를 공급 시킬수 있느냐에 따라 그 성능이 입증되기도 합니다.