터보차저를 이용한 엔진 소형화와 연비개선
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승인 2010-02-20 05:00:57 |
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1. 친환경 자동차
상대적으로 저렴한 연료비로 인해 자동차 연비감소에 다소 미온적 관심을 보이던 미국에도 최근 원유가의 급등으로 인해 연비개선에 대한 대중적 지지기반과 자동차시장의 소비자 선호도가 변화하고 있다. 또한, 지구 온난화에 대한 대중의 관심과 정부의 자동차 연비기준 강화는 미국의 자동차 업계에 대대적인 친환경 자동차 바람을 불러 일으키고 있다. 전통적으로 대형차를 선호해 왔고, 지금도 자동차 종목별 판매순위 1위가 대형 픽업트럭인 것을 보면 아직도 미국의 연비 개선에 대한 관심도가 유럽이나 아시아에 비해 다소 떨어지기는 하지만, 불과 몇 년 전의 판도와 비교해 보더라도 그 관심도가 현저히 증가한 것은 사실이다.
글 / 이병찬, 정도희 (미시간대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 2월호
소비자들의 입장에서는 지구 온난화보다 연료비 절약이 현실적으로 자동차 구매에 더 큰 영향을 주는 것이 사실이다. 그러나, 소비자들의 이런 선호도 변화는 저연비자동차와 그 관련 기술에 대한 자동차 업계의 지속적인 투자를 이끌어 낼 것이고, 결국 이런 노력들이 온실가스를 감소시키고 더 쾌적한 자연 환경을 유지하는 원동력이 될 것이라는 점에서 볼때 매운 바람직한 현상이다. 그리고, 점차 미국에서 시장 점유율을 늘려가고 있는 한국의 자동차 업계에는 이런 소비자들의 저연비 소형차 선호가 시장의 판도를 바꿀 수 있는 기회로 작용하고 있다.
2. 엔진 소형화
자동차 엔진의 연비개선을 위한 가장 대표적인 방법은 엔진 소형화라고 할 수 있다. 엔진 소형화란 엔진의 배기량을 줄여 불필요한 연료 낭비를 막고, 많은 경우에 과급기를 이용해 부족한 성능을 보완해 주는 방법이다. 따라서, 엔진 소형화의 성공 여부는 과급기의 성능이 판가름 한다고 할 수 있다. 가솔린 엔진의 경우는 과급기를 이용해 엔진을 소형화했을 경우, 10% 이상의 온실가스 감소와 연비향상 효과를 볼 수 있다. 디젤 엔진의 경우, 자연흡기 방식의 디젤 엔진에 비해서, 연비는 30%, 이산화탄소 배출은 20% 가량을 줄일 수 있다.
과급기를 구동 방식에 따라 크게 두가지로 나누면, 엔진 구동축에서 동력을 얻어 압축기를 작동하는 수퍼차저와 배기관에 터빈을 장착해서 그 힘으로 압축기를 작동하는 터보차저로 구분할 수 있다. 수퍼 차저는 그 작동원리가 비교적 단순하고 과도응답(Transient Response)이 훌륭하지만, 배기가스와 함께 대기중으로 허실되는 에너지를 활용해서 공기를 압축하는 터보차저와 비교하면 열효율 면에서는 다소 불리하다.
터보차저를 이용해 엔진을 소형화 했을 때의 잇점을 정리하면 다음과 같다.
각 엔진 사이클마다 연소실의 배기량이 작아지므로, 펌핑손실이 감소한다.
배기량이 줄어들면, 엔진의 각 내부 부품들도 작아지고 결과적으로 부품간 마찰이 적어지므로 기계적 효율이 증가한다.
흡기 압력과 속도의 증가로 연소실 내의 와류(Tumble 및 Swirl)가 증가하여 연료의 연소 속도와 효율이 증가한다.
엔진 공회전과 저부하 조건에서 연료 소모가 감소한다.
배기가스의 에너지를 재활용 하므로, 배기가스를 통해 잃는 열의 소모가 감소하고, 전체적인 엔진크기의 감소로 인해 엔진 표면적이 작아지므로 대기중으로 허실되는 열에너지가 줄어 든다.
그러나, 터보차저를 이용한 엔진 소형화는 엔진의 배기량이 작아질수록 자연흡기방식에 비해 과급기에 의존하는 비중이 커지고 부스트 압력도 그에 비례해서 높아져야 하는 단점도 있다. 특히, 가솔린 엔진은 터보차저의 부스트 압력이 증가하면, 노킹방지를 위해 엔진의 압축비를 줄여야 하고, 결과적으로 엔진 소형화를 통해 얻는 잇점들이 상쇄되기 때문에, 부스트 압력을 올리는 데는 한계가 있다. 물론, 디젤엔진도 부스트 압력이 지나치게 높아지면, 연소과정에서 연소실의 압력이 한계치(보통 대기압의 180배 정도) 이상으로 올라가기 때문에, 부스트 압력을 올리는 데 한계가 있기는 하지만, 가솔린 엔진에 비해서 그 한계가 훨씬 높아서 보통의 경우 큰 문제가 되지 않는다.
또한, 터보차징이 매우 효과적이기는 하지만, 엔진 배기량을 과도하게 줄이고 지나치게 큰 터보차저를 사용하면, 원심 압축기의 특성상 엔진의 전 구동영역에 걸쳐 고른 성능을 발휘하기 매우 어려워지고, 대개의 경우 성능의 절충이 필요하므로 과도한 배기량 감소는 바람직 하지 않다. 특히, 엔진의 저속 영역에서 최대출력이 같은 자연흡기 방식의 엔진에 비해 충분한 출력을 낼 수가 없고, 속도가 급격히 변하는 구간에서는 터보랙(Turbolag)으로 인한 성능 저하가 문제가 되는 경우가 많다. 디젤엔진의 경우 저속에서 분사할 수 있는 연료량이 배기가스 규제로 인해 가솔린엔진보다 더 한정되어 있기 때문에, 이 문제가 더욱 심각해 진다.
터보차징을 통한 엔진 소형화의 이런 단점들을 극복하기 위해서 그간 개발된 기술들을 살펴보면, 먼저, 터보차저의 관성을 줄이고, 과급기 내의 유체흐름이나 베어링을 개선하는 방법, 가변 구조의 압축기나 터빈을 사용하는 방식, 전동 모터로 터빈을 보조하는 등 터보차저 자체를 개선하는 방법과, 트윈터보 시스템, 시퀀셜(Sequential) 시스템, 또는 이단(Dual-stage) 시스템등 과급기 시스템의 구성을 개선하는 방식으로 나누어 볼수 있다. 또한, 다소 연료소모가 증가하는 것을 감수하고라도 터보랙을 줄여야 할 필요가 있을 경우, 수퍼차저나 전동 압축기를 터보차저와 병용하는 방식이 시도되기도 한다. 이번 기사에서는 과급 시스템 구성을 개선하여 터보차징 시스템의 성능을 향상시키는 방법들을 살펴보도록 하겠다.
3. 트윈터보 시스템 (Twin Turbo 시스템)
트윈터보 시스템은 동일한 크기의 터보차저를 병렬로 배치하여, 엔진으로 유입되는 공기가 둘로 갈리어 각가압축되도록 설계되었다. 따라서, 크기가 더 큰 단일(Single) 터보차저에 비해 고속에서는 효율이나 최대 출력이 다소 떨어지지만, 전체 시스템의 관성(Inertia)이 작아져 터보랙을 줄이고 저속 토크를 증가할 수 있는 장점이 있다. 직렬(In-line) 엔진의 경우 두 터보차저가 터보매니폴드를 공유하기도 하지만, 대개의 경우 각각의 터보차저가 개별적인 터보 매니폴드를 이용한다. 특히, V6엔진의 경우에는 각각의 실린더 뱅크(Cylinder Bank)마다 터보차저를 하나씩 배정함으로써, 단일 터보차저에 비해서 배관을 간소화 하고, 각 실린더의 배기 타이밍을 120도 간격으로 고르게 배치하여 배기가스의 맥동(Pulse) 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 장점도 있다. Bugatti의 EB110이나 Veyron에 장착된 V12엔진의 경우에는 네 개의 터보차저를 사용하는 콰드터보(Quad Turbo) 시스템을 이용하기도 했다.
4. 시퀀셜 (Sequential) 터보 시스템
시퀀셜 혹은 병렬(Parallel) 시퀀셜 터보 시스템은 엔진의 저속 구간에서 주(Primary) 터보차저 하나만을 사용하여 터보랙을 더욱 감소하고, 고속 구간에서는 보조(Secondary) 터보자저 혹은 두 터보 차저를 다 사용하여 최대 출력을 극대화 하는 방식이다. 엔진의 저속에서 중속 구간에서는 사용 가능한 배기 에너지가 매우 한정되어 있으므로, 주 터보차저 하나만을 사용하여 작은 터보차저의 장점을 이용하고, 엔진속도가 증가하면 보조 터보차저도 마저 사용하여 전체 시스템의 유동영역(Flow Range)를 증가 시키고 엔진 출력을 극대화 한다. <그림 2>에는 1992-2002 년식 Mazda RX-7에 사용된 시퀀셜 터보 시스템의 작동 원리를 도표로 정리해 놓았다. 기본 흐름도(Primary Flow Diagram)를 보면, 엔진의 중∙저속 구간에서 보조 터보차저에 배기가스를 공급하는 밸브는 닫아서, 배기가스가 주 터보차저로만 공급되도록 하여, 터보랙을 줄이고 저속에서 엔진 출력을 높이게 되어있다.
최종적으로 엔진 속도가 4,000rpm에 이르면 밸브가 모두 열리고, 주 터보차저와 보조 터보차저가 동시에 엔진에 압축공기를 공급해서 엔진 출력을 높여준다. 그 결과, 그전 모델에 사용했던 일반 터보차저와 비교해서 최고 부스트 압력에 이른는 시간은 30% 단축하고, 엔진 최고 출력은 25% 증가하는 효과를 보았다.
그러나, 시퀀셜 터보차징이 트윈 터보차징에 비해서 터보랙을 감소시키고, 또 최고 출력또한 그대로 유지할 수있는 장점에도 불구하고, <그림 2>에서 보는 바와 같이,배관과 컨트롤이 매우 복잡하고, 다른 시스템에 비해서 비용이 많이 드는 단점 때문에 근래에는 각광받지 못하고 있으며, 그 사용 예도 1986~1988년식 Porsche 959, 1992~2002 년식 Mazda RX-7 Turbo, 1993~1998년식 Toyota Supra Turbo 등으로 한정되어 있다.
5. 이단 (Dual-stage) 터보 시스템
이단 터보 시스템 은 직렬(Series) 시퀀셜 시스템으로 불리기도 하며, 두개의 터보차저를 직렬로 연결하여, 엔진에 유입되는 공기를 저압 단계와 고압 단계를 차례로 통과시켜서 보통 대기압의 4배 이상 고압으로 압축하는 시스템이다. 트윈터보 시스템이나 병렬 시퀀셜 시스템같은 일단(Single-stage) 터보차징 시스템은 부스트 압력이 높지 않아 가솔린 엔진이나 디젤엔진에 모두 사용될수 있는 반면, 이단 터보차징 시스템은 엔진 노킹한계(Knock Limit)로 인해 가솔린 엔진에는 사용하지 않고, 디젤엔진에 주로 사용된다. 또한, 가솔린 엔진과는 달리, 디젤엔진은 대개의 경우 터보차저를 이미 장착하고 있으므로, 엔진 출력을 기존 출력에 비해 많이 증가시키려면, 다른 기술들이 동일하다는 가정하에 이단 터보차징이 필수 요건이 된다.
이단 터보차징 시스템의 좋은 예로 Borg Warner와 BMW 가 공동개발한 BMW의 3.0 l 디젤엔진의 터보차징 시스템을 들 수 있다. 이 시스템을 적용한 3.0 l디젤엔진은 가솔린 엔진과 비교해서 연비가 월등함은 물론이고, 배기량당 출력도 결코 뒤지지 않는 성능을 자랑한다.
<그림 4>의 시스템 작동 원리를 보면, 엔진 속도 700rpm에서 1,500rpm 까지는 우회 밸브들이 모두 닫혀 있어, 기본적으로 이단 터보 시스템으로 운용된다. 그러나, 아직 배기가스나 엔진으로 유입되는 공기의 유량이 많지 않은 700rpm에서 1,000rpm 전후의 저속에서는, 대부분의 압축이 고압 터보차저에서 이루어지고 저압 터보차저는 공기 압축에 큰 영향을 주지 않으므로, 실제로는 일단 시스템과 크게 다르지 않다.
그러나, 대부분의 압축이 이루어지는 고압 단계의 터보차저가 일단 시스템에 사용되는 터보차저에 비해서 훨씬 작으므로, 터보랙이 일단 시스템에 비해 현저히 줄고, 저속 엔진 토크는 증가하는 효과를 볼 수 있다.
엔진 속도가 점차 증가하면, 배기가스에 사용 가능한에저지의 양도 증가하여, 저압 터보차저도 기능을 발휘하기 시작하고, 1,500rpm언저리에서는 이단 시스템의 장점을 충분히 누릴 수 있게 된다. 엔진 속도 1,500rpm에서 3,200rpm까지는 이단 터보 시스템을 유지하되, 엔진속도가 늘어나면 배기가스의 유량이 점차 증가하기 때
문에, 터빈 우회 밸브를 조금씩 열기 시작하여 고압 터빈의 초킹(Choking)을 방지한다.
엔진 속도 3,200rpm에서 4,200rpm 까지는 엔진 배기 매니폴드의 압력이 지나치게 올라가는 것을 방지하기 위해, 고압 터빈 및 압축기 우회 밸브를 모두 열어 흡입되는 공기가 저압 단계에서만 압축되는 일단 터보 시스템으로 운용된다. 또, 엔진 속도가 4,200rpm이상으로 올라가면, 배기가스의 유량이 더욱 증가하므로, 저압 웨이스트 게잇도 열어서 터빈 초킹을 방지한다.
Opel의 1.9 l CDTI디젤엔진 또한 이단 터보 시스템을 적용한 좋은 예라 할 수 있다. Opel의 이단 시스템도 그 운용방법은 BMW의 이단 시스템과 비슷하지만 <그림 5>, 리터당 출력이 112 마력에 이르러 디젤엔진 리터당 출력으로는 BMW 엔진을 능가한다. 또한 같은 배기량의 가솔린 엔진에 비해 50%의 연비개선 효과도 있다고 한다.
Opel의 이단 시스템이 BMW 의 시스템과 다른점은, 저압 웨이스트게잇이 없다는 점과, 각 단계마다 인터쿨러를 사용해 효율을 더 높힌 것이다. 운용 원칙은, 저속에서는 이단 터보 시스템으로, 고속에서는 저압 터보 차저만을 이용한 일단 터보 시스템으로 압축이 이루어 진다는 면에서 BMW의 그것과 크게 다르지 않고, 다만, 고속에서 웨이스트게잇 없이 저압 터빈의 초킹을 막으려면 BMW 시스템에 비해서 상대적으로 더 큰 터보차저를 사용했을 것으로 짐작된다. 또 그로 인해 고속에서 흡기 압력이 더 높아 최대 출력이 더 높아 졌을 수도 있다.
6. 혼성 (Hybrid) 이단 부스팅 시스템
혼성 이단 부스팅 시스템은 일반적으로 이단 부스팅시스템 각 단계에 서로 다른 종류의 부스팅 장치를 사용해서 서로의 단점을 보완할 수 있도록 고안한 부스팅 시스템을 말한다. 자동차용 터보차저에 많이 사용되는 원심 압축기나 터빈은 그 특성상 엔진의 전 속도영역에 걸쳐 고른 성능을 발휘하기가 어려우므로, 터보차저와는 다른 종류의 압축기등을 사용하면 터보차저의 단점인 저속토크나 터보랙을 대폭 개선할 수 있다.
이단 부스팅 시스템의 성능이 저압 단계보다는 고압단계에 사용된 장치에 더 민감하게 반응하므로, 보통 수퍼차저나 전동압축기등을 사용할 경우, 고압 단계에 사용하는 것이 일반적이다. 다만, 혼성 부스팅 시스템이 터보 차저의 단점인 터보랙을 줄이고, 저속 토크를 증가시킬 수는 있으나, 연비개선 효과는 터보차저만을 사용한 시스템에 미치지 못하는 단점이 있다. 그리고, 전동압축기를 사용할 경우, 엔진의 배기량이 증가하면 전원에서 공급할 수 있는 전력의 한계로 인해 기대한 효과를 거두기 어려우므로, 이런 종류의 혼성 부스팅 시스템은 배기량이 작은 엔진에서만 효과를 볼 수 있다.
7. 결론
지구 온난화 자체는 아직도 어느정도 논란의 여지가 있다고 하더라도, 온실가스의 배출을 제한하고 그 배출량을 주시해야 한다는 것에는 모두가 공감하고 있다. 그리고, 이런 대중적 공감대는 친환경 자동차 바람을 몰고와, 미국의 자동차 회사들도 이를 현금화 하기 위해, 친환경을 선전 구호로 내걸고 각종 대중매체에 연일 광고를 하고 있다. 최근 이런 일련의 노력들 중에 Ford의‘EcoBoost’엔진을 통한 움직임을 눈여겨 볼 필요가 있다.
한 때, 갤런당 4달러를치솟던 유가가 다시 2달러 중반으로 떨어져 안정세를 취하면서, 한층 고조되었던 자동차 연비에 대한 관심이 이제는 다소 가라앉고 있다. 이런 시점에서, Ford의 EcoBoost엔진들이 미국 시장에서 살아남기 위해서는, 연비개선 뿐만 아니라, 최대 출력면에서 비슷한 자연흡기 방식의 대형 엔진에 비교해도 뒤지지 않는 성능이 뒷받침되어야 한다. EcoBoost엔진 디자인 팀장의 말을 인용하면, EcoBoost엔진은 가솔린 직접분사 방식을 채택하고 있어서 부스트 압력이 12 psi까지 올라가지만 엔진 압축비는 10:1로 유지할 수 있기 때문에, 자연흡기 방식의 엔진에 비해 전혀 성능의 저하 없이 연비는 20%, 이산화탄소 배출은 15% 가량 감소시킬 수 있다고 한다.
미국의 자동차 역사를 보면, 1962년형 Chevrollet Monza Corvair와 Oldsmobile Cutlass F-85 Jetfire가 역사상 최초로 터보차저를 승용차에 적용했고, 1987년형 Buick Regal GNX가 터보차저를 장착한 엔진으로 인기를 누렸던 것 외에는, 터보차저가 대중에 이렇다 할 호소력이 없었던 것이 사실이다. ‘엔진 배기량을 대신할 수 있는 것은 아무것도 없다 (There’s no substitute for cubic inches.)’는 말이 시사하듯 미국인들은 대체로 대형 엔진을 선호하는 경향이 있었던 것이다. 그런 면에서, 이번에 2010년형 모델들을 필두로 대거 투입되는Ford의 EcoBoost엔진들이 과연 미국의 자동차 시장에서 어떻게 받아들여 질 것인지 귀추가 주목된다.
상대적으로 저렴한 연료비로 인해 자동차 연비감소에 다소 미온적 관심을 보이던 미국에도 최근 원유가의 급등으로 인해 연비개선에 대한 대중적 지지기반과 자동차시장의 소비자 선호도가 변화하고 있다. 또한, 지구 온난화에 대한 대중의 관심과 정부의 자동차 연비기준 강화는 미국의 자동차 업계에 대대적인 친환경 자동차 바람을 불러 일으키고 있다. 전통적으로 대형차를 선호해 왔고, 지금도 자동차 종목별 판매순위 1위가 대형 픽업트럭인 것을 보면 아직도 미국의 연비 개선에 대한 관심도가 유럽이나 아시아에 비해 다소 떨어지기는 하지만, 불과 몇 년 전의 판도와 비교해 보더라도 그 관심도가 현저히 증가한 것은 사실이다.
글 / 이병찬, 정도희 (미시간대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2010년 2월호
소비자들의 입장에서는 지구 온난화보다 연료비 절약이 현실적으로 자동차 구매에 더 큰 영향을 주는 것이 사실이다. 그러나, 소비자들의 이런 선호도 변화는 저연비자동차와 그 관련 기술에 대한 자동차 업계의 지속적인 투자를 이끌어 낼 것이고, 결국 이런 노력들이 온실가스를 감소시키고 더 쾌적한 자연 환경을 유지하는 원동력이 될 것이라는 점에서 볼때 매운 바람직한 현상이다. 그리고, 점차 미국에서 시장 점유율을 늘려가고 있는 한국의 자동차 업계에는 이런 소비자들의 저연비 소형차 선호가 시장의 판도를 바꿀 수 있는 기회로 작용하고 있다.
2. 엔진 소형화
자동차 엔진의 연비개선을 위한 가장 대표적인 방법은 엔진 소형화라고 할 수 있다. 엔진 소형화란 엔진의 배기량을 줄여 불필요한 연료 낭비를 막고, 많은 경우에 과급기를 이용해 부족한 성능을 보완해 주는 방법이다. 따라서, 엔진 소형화의 성공 여부는 과급기의 성능이 판가름 한다고 할 수 있다. 가솔린 엔진의 경우는 과급기를 이용해 엔진을 소형화했을 경우, 10% 이상의 온실가스 감소와 연비향상 효과를 볼 수 있다. 디젤 엔진의 경우, 자연흡기 방식의 디젤 엔진에 비해서, 연비는 30%, 이산화탄소 배출은 20% 가량을 줄일 수 있다.
과급기를 구동 방식에 따라 크게 두가지로 나누면, 엔진 구동축에서 동력을 얻어 압축기를 작동하는 수퍼차저와 배기관에 터빈을 장착해서 그 힘으로 압축기를 작동하는 터보차저로 구분할 수 있다. 수퍼 차저는 그 작동원리가 비교적 단순하고 과도응답(Transient Response)이 훌륭하지만, 배기가스와 함께 대기중으로 허실되는 에너지를 활용해서 공기를 압축하는 터보차저와 비교하면 열효율 면에서는 다소 불리하다.
터보차저를 이용해 엔진을 소형화 했을 때의 잇점을 정리하면 다음과 같다.
각 엔진 사이클마다 연소실의 배기량이 작아지므로, 펌핑손실이 감소한다.
배기량이 줄어들면, 엔진의 각 내부 부품들도 작아지고 결과적으로 부품간 마찰이 적어지므로 기계적 효율이 증가한다.
흡기 압력과 속도의 증가로 연소실 내의 와류(Tumble 및 Swirl)가 증가하여 연료의 연소 속도와 효율이 증가한다.
엔진 공회전과 저부하 조건에서 연료 소모가 감소한다.
배기가스의 에너지를 재활용 하므로, 배기가스를 통해 잃는 열의 소모가 감소하고, 전체적인 엔진크기의 감소로 인해 엔진 표면적이 작아지므로 대기중으로 허실되는 열에너지가 줄어 든다.
그러나, 터보차저를 이용한 엔진 소형화는 엔진의 배기량이 작아질수록 자연흡기방식에 비해 과급기에 의존하는 비중이 커지고 부스트 압력도 그에 비례해서 높아져야 하는 단점도 있다. 특히, 가솔린 엔진은 터보차저의 부스트 압력이 증가하면, 노킹방지를 위해 엔진의 압축비를 줄여야 하고, 결과적으로 엔진 소형화를 통해 얻는 잇점들이 상쇄되기 때문에, 부스트 압력을 올리는 데는 한계가 있다. 물론, 디젤엔진도 부스트 압력이 지나치게 높아지면, 연소과정에서 연소실의 압력이 한계치(보통 대기압의 180배 정도) 이상으로 올라가기 때문에, 부스트 압력을 올리는 데 한계가 있기는 하지만, 가솔린 엔진에 비해서 그 한계가 훨씬 높아서 보통의 경우 큰 문제가 되지 않는다.
또한, 터보차징이 매우 효과적이기는 하지만, 엔진 배기량을 과도하게 줄이고 지나치게 큰 터보차저를 사용하면, 원심 압축기의 특성상 엔진의 전 구동영역에 걸쳐 고른 성능을 발휘하기 매우 어려워지고, 대개의 경우 성능의 절충이 필요하므로 과도한 배기량 감소는 바람직 하지 않다. 특히, 엔진의 저속 영역에서 최대출력이 같은 자연흡기 방식의 엔진에 비해 충분한 출력을 낼 수가 없고, 속도가 급격히 변하는 구간에서는 터보랙(Turbolag)으로 인한 성능 저하가 문제가 되는 경우가 많다. 디젤엔진의 경우 저속에서 분사할 수 있는 연료량이 배기가스 규제로 인해 가솔린엔진보다 더 한정되어 있기 때문에, 이 문제가 더욱 심각해 진다.
터보차징을 통한 엔진 소형화의 이런 단점들을 극복하기 위해서 그간 개발된 기술들을 살펴보면, 먼저, 터보차저의 관성을 줄이고, 과급기 내의 유체흐름이나 베어링을 개선하는 방법, 가변 구조의 압축기나 터빈을 사용하는 방식, 전동 모터로 터빈을 보조하는 등 터보차저 자체를 개선하는 방법과, 트윈터보 시스템, 시퀀셜(Sequential) 시스템, 또는 이단(Dual-stage) 시스템등 과급기 시스템의 구성을 개선하는 방식으로 나누어 볼수 있다. 또한, 다소 연료소모가 증가하는 것을 감수하고라도 터보랙을 줄여야 할 필요가 있을 경우, 수퍼차저나 전동 압축기를 터보차저와 병용하는 방식이 시도되기도 한다. 이번 기사에서는 과급 시스템 구성을 개선하여 터보차징 시스템의 성능을 향상시키는 방법들을 살펴보도록 하겠다.
3. 트윈터보 시스템 (Twin Turbo 시스템)
트윈터보 시스템은 동일한 크기의 터보차저를 병렬로 배치하여, 엔진으로 유입되는 공기가 둘로 갈리어 각가압축되도록 설계되었다. 따라서, 크기가 더 큰 단일(Single) 터보차저에 비해 고속에서는 효율이나 최대 출력이 다소 떨어지지만, 전체 시스템의 관성(Inertia)이 작아져 터보랙을 줄이고 저속 토크를 증가할 수 있는 장점이 있다. 직렬(In-line) 엔진의 경우 두 터보차저가 터보매니폴드를 공유하기도 하지만, 대개의 경우 각각의 터보차저가 개별적인 터보 매니폴드를 이용한다. 특히, V6엔진의 경우에는 각각의 실린더 뱅크(Cylinder Bank)마다 터보차저를 하나씩 배정함으로써, 단일 터보차저에 비해서 배관을 간소화 하고, 각 실린더의 배기 타이밍을 120도 간격으로 고르게 배치하여 배기가스의 맥동(Pulse) 에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 장점도 있다. Bugatti의 EB110이나 Veyron에 장착된 V12엔진의 경우에는 네 개의 터보차저를 사용하는 콰드터보(Quad Turbo) 시스템을 이용하기도 했다.
4. 시퀀셜 (Sequential) 터보 시스템
시퀀셜 혹은 병렬(Parallel) 시퀀셜 터보 시스템은 엔진의 저속 구간에서 주(Primary) 터보차저 하나만을 사용하여 터보랙을 더욱 감소하고, 고속 구간에서는 보조(Secondary) 터보자저 혹은 두 터보 차저를 다 사용하여 최대 출력을 극대화 하는 방식이다. 엔진의 저속에서 중속 구간에서는 사용 가능한 배기 에너지가 매우 한정되어 있으므로, 주 터보차저 하나만을 사용하여 작은 터보차저의 장점을 이용하고, 엔진속도가 증가하면 보조 터보차저도 마저 사용하여 전체 시스템의 유동영역(Flow Range)를 증가 시키고 엔진 출력을 극대화 한다. <그림 2>에는 1992-2002 년식 Mazda RX-7에 사용된 시퀀셜 터보 시스템의 작동 원리를 도표로 정리해 놓았다. 기본 흐름도(Primary Flow Diagram)를 보면, 엔진의 중∙저속 구간에서 보조 터보차저에 배기가스를 공급하는 밸브는 닫아서, 배기가스가 주 터보차저로만 공급되도록 하여, 터보랙을 줄이고 저속에서 엔진 출력을 높이게 되어있다.
최종적으로 엔진 속도가 4,000rpm에 이르면 밸브가 모두 열리고, 주 터보차저와 보조 터보차저가 동시에 엔진에 압축공기를 공급해서 엔진 출력을 높여준다. 그 결과, 그전 모델에 사용했던 일반 터보차저와 비교해서 최고 부스트 압력에 이른는 시간은 30% 단축하고, 엔진 최고 출력은 25% 증가하는 효과를 보았다.
그러나, 시퀀셜 터보차징이 트윈 터보차징에 비해서 터보랙을 감소시키고, 또 최고 출력또한 그대로 유지할 수있는 장점에도 불구하고, <그림 2>에서 보는 바와 같이,배관과 컨트롤이 매우 복잡하고, 다른 시스템에 비해서 비용이 많이 드는 단점 때문에 근래에는 각광받지 못하고 있으며, 그 사용 예도 1986~1988년식 Porsche 959, 1992~2002 년식 Mazda RX-7 Turbo, 1993~1998년식 Toyota Supra Turbo 등으로 한정되어 있다.
5. 이단 (Dual-stage) 터보 시스템
이단 터보 시스템 은 직렬(Series) 시퀀셜 시스템으로 불리기도 하며, 두개의 터보차저를 직렬로 연결하여, 엔진에 유입되는 공기를 저압 단계와 고압 단계를 차례로 통과시켜서 보통 대기압의 4배 이상 고압으로 압축하는 시스템이다. 트윈터보 시스템이나 병렬 시퀀셜 시스템같은 일단(Single-stage) 터보차징 시스템은 부스트 압력이 높지 않아 가솔린 엔진이나 디젤엔진에 모두 사용될수 있는 반면, 이단 터보차징 시스템은 엔진 노킹한계(Knock Limit)로 인해 가솔린 엔진에는 사용하지 않고, 디젤엔진에 주로 사용된다. 또한, 가솔린 엔진과는 달리, 디젤엔진은 대개의 경우 터보차저를 이미 장착하고 있으므로, 엔진 출력을 기존 출력에 비해 많이 증가시키려면, 다른 기술들이 동일하다는 가정하에 이단 터보차징이 필수 요건이 된다.
이단 터보차징 시스템의 좋은 예로 Borg Warner와 BMW 가 공동개발한 BMW의 3.0 l 디젤엔진의 터보차징 시스템을 들 수 있다. 이 시스템을 적용한 3.0 l디젤엔진은 가솔린 엔진과 비교해서 연비가 월등함은 물론이고, 배기량당 출력도 결코 뒤지지 않는 성능을 자랑한다.
<그림 4>의 시스템 작동 원리를 보면, 엔진 속도 700rpm에서 1,500rpm 까지는 우회 밸브들이 모두 닫혀 있어, 기본적으로 이단 터보 시스템으로 운용된다. 그러나, 아직 배기가스나 엔진으로 유입되는 공기의 유량이 많지 않은 700rpm에서 1,000rpm 전후의 저속에서는, 대부분의 압축이 고압 터보차저에서 이루어지고 저압 터보차저는 공기 압축에 큰 영향을 주지 않으므로, 실제로는 일단 시스템과 크게 다르지 않다.
그러나, 대부분의 압축이 이루어지는 고압 단계의 터보차저가 일단 시스템에 사용되는 터보차저에 비해서 훨씬 작으므로, 터보랙이 일단 시스템에 비해 현저히 줄고, 저속 엔진 토크는 증가하는 효과를 볼 수 있다.
엔진 속도가 점차 증가하면, 배기가스에 사용 가능한에저지의 양도 증가하여, 저압 터보차저도 기능을 발휘하기 시작하고, 1,500rpm언저리에서는 이단 시스템의 장점을 충분히 누릴 수 있게 된다. 엔진 속도 1,500rpm에서 3,200rpm까지는 이단 터보 시스템을 유지하되, 엔진속도가 늘어나면 배기가스의 유량이 점차 증가하기 때
문에, 터빈 우회 밸브를 조금씩 열기 시작하여 고압 터빈의 초킹(Choking)을 방지한다.
엔진 속도 3,200rpm에서 4,200rpm 까지는 엔진 배기 매니폴드의 압력이 지나치게 올라가는 것을 방지하기 위해, 고압 터빈 및 압축기 우회 밸브를 모두 열어 흡입되는 공기가 저압 단계에서만 압축되는 일단 터보 시스템으로 운용된다. 또, 엔진 속도가 4,200rpm이상으로 올라가면, 배기가스의 유량이 더욱 증가하므로, 저압 웨이스트 게잇도 열어서 터빈 초킹을 방지한다.
Opel의 1.9 l CDTI디젤엔진 또한 이단 터보 시스템을 적용한 좋은 예라 할 수 있다. Opel의 이단 시스템도 그 운용방법은 BMW의 이단 시스템과 비슷하지만 <그림 5>, 리터당 출력이 112 마력에 이르러 디젤엔진 리터당 출력으로는 BMW 엔진을 능가한다. 또한 같은 배기량의 가솔린 엔진에 비해 50%의 연비개선 효과도 있다고 한다.
Opel의 이단 시스템이 BMW 의 시스템과 다른점은, 저압 웨이스트게잇이 없다는 점과, 각 단계마다 인터쿨러를 사용해 효율을 더 높힌 것이다. 운용 원칙은, 저속에서는 이단 터보 시스템으로, 고속에서는 저압 터보 차저만을 이용한 일단 터보 시스템으로 압축이 이루어 진다는 면에서 BMW의 그것과 크게 다르지 않고, 다만, 고속에서 웨이스트게잇 없이 저압 터빈의 초킹을 막으려면 BMW 시스템에 비해서 상대적으로 더 큰 터보차저를 사용했을 것으로 짐작된다. 또 그로 인해 고속에서 흡기 압력이 더 높아 최대 출력이 더 높아 졌을 수도 있다.
6. 혼성 (Hybrid) 이단 부스팅 시스템
혼성 이단 부스팅 시스템은 일반적으로 이단 부스팅시스템 각 단계에 서로 다른 종류의 부스팅 장치를 사용해서 서로의 단점을 보완할 수 있도록 고안한 부스팅 시스템을 말한다. 자동차용 터보차저에 많이 사용되는 원심 압축기나 터빈은 그 특성상 엔진의 전 속도영역에 걸쳐 고른 성능을 발휘하기가 어려우므로, 터보차저와는 다른 종류의 압축기등을 사용하면 터보차저의 단점인 저속토크나 터보랙을 대폭 개선할 수 있다.
이단 부스팅 시스템의 성능이 저압 단계보다는 고압단계에 사용된 장치에 더 민감하게 반응하므로, 보통 수퍼차저나 전동압축기등을 사용할 경우, 고압 단계에 사용하는 것이 일반적이다. 다만, 혼성 부스팅 시스템이 터보 차저의 단점인 터보랙을 줄이고, 저속 토크를 증가시킬 수는 있으나, 연비개선 효과는 터보차저만을 사용한 시스템에 미치지 못하는 단점이 있다. 그리고, 전동압축기를 사용할 경우, 엔진의 배기량이 증가하면 전원에서 공급할 수 있는 전력의 한계로 인해 기대한 효과를 거두기 어려우므로, 이런 종류의 혼성 부스팅 시스템은 배기량이 작은 엔진에서만 효과를 볼 수 있다.
7. 결론
지구 온난화 자체는 아직도 어느정도 논란의 여지가 있다고 하더라도, 온실가스의 배출을 제한하고 그 배출량을 주시해야 한다는 것에는 모두가 공감하고 있다. 그리고, 이런 대중적 공감대는 친환경 자동차 바람을 몰고와, 미국의 자동차 회사들도 이를 현금화 하기 위해, 친환경을 선전 구호로 내걸고 각종 대중매체에 연일 광고를 하고 있다. 최근 이런 일련의 노력들 중에 Ford의‘EcoBoost’엔진을 통한 움직임을 눈여겨 볼 필요가 있다.
한 때, 갤런당 4달러를치솟던 유가가 다시 2달러 중반으로 떨어져 안정세를 취하면서, 한층 고조되었던 자동차 연비에 대한 관심이 이제는 다소 가라앉고 있다. 이런 시점에서, Ford의 EcoBoost엔진들이 미국 시장에서 살아남기 위해서는, 연비개선 뿐만 아니라, 최대 출력면에서 비슷한 자연흡기 방식의 대형 엔진에 비교해도 뒤지지 않는 성능이 뒷받침되어야 한다. EcoBoost엔진 디자인 팀장의 말을 인용하면, EcoBoost엔진은 가솔린 직접분사 방식을 채택하고 있어서 부스트 압력이 12 psi까지 올라가지만 엔진 압축비는 10:1로 유지할 수 있기 때문에, 자연흡기 방식의 엔진에 비해 전혀 성능의 저하 없이 연비는 20%, 이산화탄소 배출은 15% 가량 감소시킬 수 있다고 한다.
미국의 자동차 역사를 보면, 1962년형 Chevrollet Monza Corvair와 Oldsmobile Cutlass F-85 Jetfire가 역사상 최초로 터보차저를 승용차에 적용했고, 1987년형 Buick Regal GNX가 터보차저를 장착한 엔진으로 인기를 누렸던 것 외에는, 터보차저가 대중에 이렇다 할 호소력이 없었던 것이 사실이다. ‘엔진 배기량을 대신할 수 있는 것은 아무것도 없다 (There’s no substitute for cubic inches.)’는 말이 시사하듯 미국인들은 대체로 대형 엔진을 선호하는 경향이 있었던 것이다. 그런 면에서, 이번에 2010년형 모델들을 필두로 대거 투입되는Ford의 EcoBoost엔진들이 과연 미국의 자동차 시장에서 어떻게 받아들여 질 것인지 귀추가 주목된다.
