[[퍼포먼스]] 터보차량의 원리 이해

터보란 무엇인가?
최대의 흡기효율로 최대의 출력을 생산 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.

터빈을 이용하여 흡기효율을 100% 수준으로 높이는 방식
자동차가 탄생이후 지금까지 줄곧 고출력 실현을 위해 몸부림쳐 왔다.
적은 연료, 적은 시간으로도 어떻게 하면 고출력을 달성할 수 있을까 하는 것은 자동차 역사상의 최대 목표였다.
일반적으로 자동차의 출력을 높이는 방법엔 두가지가 있다.
하나는 가장 손쉬운 방법으로 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. 흡
입, 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.

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 엔진의 버리는 동력을 이용한다.
즉 터빈은 엔진의 배출가스 이용하여 동력얻는 것이다.
사실 엔진에 있어서 폭발력의 전부가 자동차를 움직이는데 쓰여지는 것은 아니다.
일부분만 바퀴를 구동하는데 쓰이고 나머지는 부수적인데 사용되거나 도망가버리고 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 빨라지면 그 힘으로 터빈은 힘차게 돌아간다.
터빈을 돌면 그 맞은 편에 있는 컴퓨레서도 함께 돌아가며 이 컴퓨레셔가 공기를 압축시켜 실린더로 강제로 이송시킨다.

터보 차제는 보통엔진보다 1.5배 정도의 압축비

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 최대 난제중의 하나다.

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.

압축비와 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 점호플러그로 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.
이처럼 여러 가지 장점을 지닌 터보차저의 역사는 꽤나 길다. 비행기 제작회사인 에어리서치사가 최초로 개발했으며 연이 미국의 라제이사 등이 터보차저를 개발했다.
터보차저가 유명해진 것은 역시 1차대전 중 항공기 엔진에 사용되면서부터였다.
자동차에는 50년대에 미국의 GM사가 최초로 장착했으나 대중화되지 못하였고 승용차에의 본격적 등장은 1974년 BMW가 2002 터보를 시판하면서부터였다.
오늘날 터보차저는 산업용 엔진과 트럭 상용차 부문등에서 광범위하게 사용되고 있다.

무지로 인하여 60년대는 터보차저 차량에 폐품으로 취급
터보차저는 지난 10여간 간에 걸쳐 많은 관심을 끌어았다.
하지만 몇가지 이유 때문에 급속한 발전과 보급은 늦어졌다.
첫째 이유는 터보 차저 생산업체들이 자동차 시장에서 별다른 재미를 못보았다는 것이다.
한마디로 수지타산이 맞지 않았으며 터보차저 장착 자동차는 극히 미미한 숫자에 불과했다.
이것은 수요자들의 터보차저에 대한 인식이 크게 잘못되어 있었기 때문이었다.
그때까지만 해도 수요자들은 터보란 별볼일 없는 것이라고만 생각했고 터보를 타는 사람은 무식하다고 생각했다.
나아가 터보차저 구입자들마저 터보의 모든 것이 완벽하기를 바랬으며 그들의 기대에 조금만 못미쳐도 생산업자들을 비난했다.
하지만 연구자들은 꾸준히 노력했고 상업용 엔진에선 많은 진보와 성공을 거두었다.

그들은 많은 자금과 시간을 소비해가며 연구를 거듭했으며 그결과 개발 당시의 문제점들은 거의 개선되어 졌다.
터보차저가 가장 수난받던 시절은 60년대였다.
GM사는 62년과 63년 사이에 오즈모빌 F-85와 시보레 코르베어에 터보를 장착했다.
하지만 당시 사람들에게 있어서 그것은 단지 신기한 물품일 따름이었다.
심지어 자동차기술자들마저도 엔진에 조금만 이상이 생겨도 터보를 비난하였다.


터보차저 소유 오너들에게 위험하므로 빨리 터보를 제거하라고 충고하기까지 했다.
이리하여 올즈모빌사 자체의 기술자들도 새로운 과학을 적용시키는데 소극적이 되고 말았다.
종종 터보의 이론에 매혹된 무식한 오너들 중에는 터보의 성능을 알아보기 위하여 물물교환센터나 트럭 전시장등에서 터보를 구입해 자기차에 장착하여 달고 다녔다.
하지만 이것은 터보의 이미지에 더욱 악영향을 끼쳤다.

오늘날에는 거의 모든 엔진에 터보차저가 적용되고 있어
앞에서 설명했다시피 터보차저는 배기량, 압축비 등과 밀접한 관계가 있다.
그런데 이것을 무시하고 마음대로 장착된 터보차저가 제대로 성능을 발휘할 까닭이 없었다.
그것도 모르고 무지한 사람들은 터보란 형편없는 매커니즘이라고 떠들고 다녔던 것이다.
그럼에도 불구하고 GM의 터보차저 생산 주요기술자들은 조금도 흔들리지 않았다.
그들은 언제가 터보시대가 도래할 것이라고 확신했으며 오직 기술혁신에만 몰두했다.
그 결과 획기적인 재료와 부품들이 속속개발되어졌으며 결구 터보차저는 미래의 엔진으로 각광받게 된다.
오늘날 터보를 장착한 시보레 V-8은 세계각지를 멋지게 누비며 다니고 있으며 또한 트럭, RV, 보트 심지어 모터사이클에 이르기까지 거의 모든 엔진에 터보차저가 적용되고 있는 실정이다.
기본적으로 터보차저는 두 개의 하우징으로 구성된다.
이들 하우징은 가각의 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. 
   

담엔 더 낳은 정보 올려 보겠습니다..