터보차저가 다시 각광을 받는 이유
페이지 정보
글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
|
승인 2007-02-01 06:44:54 |
본문
터보차저가 다시 각광을 받는 이유
1970년대와 80년대에 걸쳐 터보차저 시스템은 고성능 자동차의 상징으로 한 세대를 풍미했었다. 하지만 그 이후로는 이렇다 할 기술적인 진보를 이루지 못하고 타임래그라든가 하는 지엽적인 문제로 더 이상 발전을 하지 못한 채로 시간이 흘렀다.
그런데 최근 들어 터보차저 시스템이 또 다시 주목을 끌며 자동차시장의 변화를 주도하고 있다. 특히 2006년 봄 BMW가 트윈터보를 채용해 리터당 100마력이 넘는 직렬 6기통 엔진을 선 보이면서 관심이 더욱 집중되고 있다.(참조 : http://www.global-autonews.com/board/view.php3?table=bd_chae_war&gubun=7&page_num=2&idx=1119&keyfield=&key=) 물론 그것은 터보차저와 관련된 여타 기술의 혁신과 밀접한 관계가 있을 것이다. 최신 터보차저 시스템에 관한 외지의 자료를 정리해 본다.(편집자 주)
터보차저란 터빈의 회전에 의해 보다 많은 공기를 엔진에 보내는 기구다.
터보차저 시스템이 처음 등장한 지 100년의 세월이 흘러 다시 주목을 끌고 있다. 가스 터빈의 설계와 제조는 고도의 기술을 요하기 때문에 발명에서 실용화까지 오랜 시간을 필요로 했다. 또 한 때 터보 차량이 인기를 끌기도 했었으나 보다 간결하고 고성능을 발휘하는 자연흡기 엔진의 대두에 의해 점차 도태되어 가는 듯했었다.
참고로 세계 최초로 터보차저를 탑재한 차는 1961년에 데뷔한 올즈모빌 F-85 제트파이어라는 모델이다. 하지만 내구성과 신뢰성에 문제가 있어 얼마되지 않아 시장에서 모습을 감추었다. 그 후 1972년에 BMW2002 터보가 이 문제를 해결해 등장함으로써 터보차저를 단숨에 고성능의 상징으로 위치시켰다.
터보차저는 일정 배기량으로부터 고출력을 이끌어 내는 가장 유효한 기술이지만 현재 터보차저가 주목을 끌고 있는 것은 단지 파워를 추구한다고 하는 의미 때문만은 아니다. 그것은 배기 에너지를 이용해 파워를 이끌어 낸다고 하는 합리성에 있다. 사람들은 본질적으로 파우풀한 동력성능을 갈망한다. 하지만 오늘날의 자동차에는 청정한 배출가스를 실현해 환경성능을 높이지 않으면 안된다. 가볍고 컴팩트한 엔진에서 더 높은 파워를 이끌어 내는 터보차저는 이것들을 양립하는 유력한 해법 중 하나라고 할 수 있다는 것이다.
최신 터보차저 기술들은 바로 이런 목적을 염두에 두고 개발되고 있다. 가솔린 엔진용의 터보차저에는 높은 내열성이 요구된다. 가솔린의 배기온도는 디젤보다 약 200도 정도가 높다. 그 때문에 과거에는 고회전 고 부하시에는 짙은 혼합비를 사용해 연소온도를 낮추는 수법이 이용되었으며 그 결과 고속주행등에서 극단적으로 연비가 악화되는 요인이 되기도 했었다.
이에 비해 최신의 터보차저는 신소재의 채용으로 내열성이 비약적으로 향상되어 무리한 연료분사량을 늘려 냉각할 필요가 없게 되어 효율 좋은 공연비로 고속주행이 가능하게 되었다. 또한 린번(배기 온도가 높아지기 쉬운)을 사용해도 문제가 없게 되었다.
연료분사의 인보도 터보차저에 있어서는 큰 혜택이다. 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 직접분사는 연비기술의 상징인데 터보에 있어서는 분사에 의해 연소실 내의 온도를 낮추어 준다고 하는 이점이 있다. 또한 최신 피에조 인젝터의 채용 모델에서는 다단 분사도 가능하기 때문에 배기온도를 포함한 연소 상태는 더욱 고도로 관리할 수 있도록 되었다.
그런데 기존 터보차저의 약점으로 터보 래그라는 것이 있다. 터빈은 배기 에너지로 작동하기 때문에 엔진회전수의 변화로 터빈의 일량이 영향을 받는다. 일단 터빈의 온도가 떨어져 버리면 부스트압이 올라갈 때까지 타임 로스가 발생하는 것이다. 일반적으로 과급효과가 높은 대형 터빈일수록 저속에서 상승하는데 시간이 필요하고 소형 터빈은 상승 응답성은 빠르지만 고회전시는 능력 부족으로 충분한 과급을 만들어 내지 못한다.
그래서 최신 터보차저 차량에는 소형 터빈을 병렬로 사용함으로써 저회전에서의 신속한 과급 응답성과 고회전역에서도 충분한 과급 능력을 양립하는 트윈터보를 채용하는 예가 늘고 있다. 또 터보차저 자체의 내부 구조에도 저속에서 고속 전역에서 효율 좋게 터빈을 돌리는 VTG(Variable Turbine Geometry)라고 하는 신기술이 도입되기 시작했다.
터보차저의 동력은 가스인데 저회전시와 스로틀 오프(Off)에서는 배기가스의 에너지가 적기 때문에 터빈 회전이 상승하기 어렵다. 스로를 온(On)에서 터빈은 회전수를 올려 과급을 시작하는데 엔진회전수가 낮은 영역에서는 충분한 과급을 만들기까지는 시간이 걸린다. 이것이 터보차저의 약점이다. 그런데 최신 터보차저에는 이 응답성을 신속하게 함과 동시에 폭 넓은 엔진회전역에서 터보의 효율을 높이기 위한 기구가 사용되고 있는데 그것이 바로 가변 터빈으로 오늘날 터보차저 시스템에 폭 넓게 사용되고 있다.
포르쉐 911 터보의 VTG는 에너지가 적은 저회전시에는 가변식 가이드 밴의 각도를 좁혀 배기가스의 흐름을 빠르게 해 신속하게 터빈을 가속시킨다. 역으로 에너지가 많은 고회전에서는 각도를 크게 해 저항이 적은 흐름으로 한다고 하는 메커니즘이다.
두 개의 터빈을 사용하는 방법으로서는 크고 작은 두 개의 터빈을 연속적으로 구분하는 시퀀셜이라고 하는 방법도 있는데 과거에 포르쉐 터보 등에 채용된 예가 있다. 이는 높은 과급압에 의해 고회전역에서 파워를 내는데는 하나의 큰 터빈을 사용하는 것이 효율이 좋기 때문에 최고출력을 위한 대형 터빈과 그 저속을 보완하는 소형 터빈을 조합시킨다고 하는 사고방식이다. 최근의 트윈 터보의 주류는 저속에서 고속까지 부드러운 특성으로 응답성이 좋고 소형 터빈 두 개를 병렬로 사용하는 패럴랠 트윈 방식으로 되어 있다. 포르쉐도 최신 911 터보는 패럴랠 방식이다.
1970년대와 80년대에 걸쳐 터보차저 시스템은 고성능 자동차의 상징으로 한 세대를 풍미했었다. 하지만 그 이후로는 이렇다 할 기술적인 진보를 이루지 못하고 타임래그라든가 하는 지엽적인 문제로 더 이상 발전을 하지 못한 채로 시간이 흘렀다.
그런데 최근 들어 터보차저 시스템이 또 다시 주목을 끌며 자동차시장의 변화를 주도하고 있다. 특히 2006년 봄 BMW가 트윈터보를 채용해 리터당 100마력이 넘는 직렬 6기통 엔진을 선 보이면서 관심이 더욱 집중되고 있다.(참조 : http://www.global-autonews.com/board/view.php3?table=bd_chae_war&gubun=7&page_num=2&idx=1119&keyfield=&key=) 물론 그것은 터보차저와 관련된 여타 기술의 혁신과 밀접한 관계가 있을 것이다. 최신 터보차저 시스템에 관한 외지의 자료를 정리해 본다.(편집자 주)
터보차저란 터빈의 회전에 의해 보다 많은 공기를 엔진에 보내는 기구다.
터보차저 시스템이 처음 등장한 지 100년의 세월이 흘러 다시 주목을 끌고 있다. 가스 터빈의 설계와 제조는 고도의 기술을 요하기 때문에 발명에서 실용화까지 오랜 시간을 필요로 했다. 또 한 때 터보 차량이 인기를 끌기도 했었으나 보다 간결하고 고성능을 발휘하는 자연흡기 엔진의 대두에 의해 점차 도태되어 가는 듯했었다.
참고로 세계 최초로 터보차저를 탑재한 차는 1961년에 데뷔한 올즈모빌 F-85 제트파이어라는 모델이다. 하지만 내구성과 신뢰성에 문제가 있어 얼마되지 않아 시장에서 모습을 감추었다. 그 후 1972년에 BMW2002 터보가 이 문제를 해결해 등장함으로써 터보차저를 단숨에 고성능의 상징으로 위치시켰다.
터보차저는 일정 배기량으로부터 고출력을 이끌어 내는 가장 유효한 기술이지만 현재 터보차저가 주목을 끌고 있는 것은 단지 파워를 추구한다고 하는 의미 때문만은 아니다. 그것은 배기 에너지를 이용해 파워를 이끌어 낸다고 하는 합리성에 있다. 사람들은 본질적으로 파우풀한 동력성능을 갈망한다. 하지만 오늘날의 자동차에는 청정한 배출가스를 실현해 환경성능을 높이지 않으면 안된다. 가볍고 컴팩트한 엔진에서 더 높은 파워를 이끌어 내는 터보차저는 이것들을 양립하는 유력한 해법 중 하나라고 할 수 있다는 것이다.
최신 터보차저 기술들은 바로 이런 목적을 염두에 두고 개발되고 있다. 가솔린 엔진용의 터보차저에는 높은 내열성이 요구된다. 가솔린의 배기온도는 디젤보다 약 200도 정도가 높다. 그 때문에 과거에는 고회전 고 부하시에는 짙은 혼합비를 사용해 연소온도를 낮추는 수법이 이용되었으며 그 결과 고속주행등에서 극단적으로 연비가 악화되는 요인이 되기도 했었다.
이에 비해 최신의 터보차저는 신소재의 채용으로 내열성이 비약적으로 향상되어 무리한 연료분사량을 늘려 냉각할 필요가 없게 되어 효율 좋은 공연비로 고속주행이 가능하게 되었다. 또한 린번(배기 온도가 높아지기 쉬운)을 사용해도 문제가 없게 되었다.
연료분사의 인보도 터보차저에 있어서는 큰 혜택이다. 연소실 내에 직접 연료를 분사하는 직접분사는 연비기술의 상징인데 터보에 있어서는 분사에 의해 연소실 내의 온도를 낮추어 준다고 하는 이점이 있다. 또한 최신 피에조 인젝터의 채용 모델에서는 다단 분사도 가능하기 때문에 배기온도를 포함한 연소 상태는 더욱 고도로 관리할 수 있도록 되었다.
그런데 기존 터보차저의 약점으로 터보 래그라는 것이 있다. 터빈은 배기 에너지로 작동하기 때문에 엔진회전수의 변화로 터빈의 일량이 영향을 받는다. 일단 터빈의 온도가 떨어져 버리면 부스트압이 올라갈 때까지 타임 로스가 발생하는 것이다. 일반적으로 과급효과가 높은 대형 터빈일수록 저속에서 상승하는데 시간이 필요하고 소형 터빈은 상승 응답성은 빠르지만 고회전시는 능력 부족으로 충분한 과급을 만들어 내지 못한다.
그래서 최신 터보차저 차량에는 소형 터빈을 병렬로 사용함으로써 저회전에서의 신속한 과급 응답성과 고회전역에서도 충분한 과급 능력을 양립하는 트윈터보를 채용하는 예가 늘고 있다. 또 터보차저 자체의 내부 구조에도 저속에서 고속 전역에서 효율 좋게 터빈을 돌리는 VTG(Variable Turbine Geometry)라고 하는 신기술이 도입되기 시작했다.
터보차저의 동력은 가스인데 저회전시와 스로틀 오프(Off)에서는 배기가스의 에너지가 적기 때문에 터빈 회전이 상승하기 어렵다. 스로를 온(On)에서 터빈은 회전수를 올려 과급을 시작하는데 엔진회전수가 낮은 영역에서는 충분한 과급을 만들기까지는 시간이 걸린다. 이것이 터보차저의 약점이다. 그런데 최신 터보차저에는 이 응답성을 신속하게 함과 동시에 폭 넓은 엔진회전역에서 터보의 효율을 높이기 위한 기구가 사용되고 있는데 그것이 바로 가변 터빈으로 오늘날 터보차저 시스템에 폭 넓게 사용되고 있다.
포르쉐 911 터보의 VTG는 에너지가 적은 저회전시에는 가변식 가이드 밴의 각도를 좁혀 배기가스의 흐름을 빠르게 해 신속하게 터빈을 가속시킨다. 역으로 에너지가 많은 고회전에서는 각도를 크게 해 저항이 적은 흐름으로 한다고 하는 메커니즘이다.
두 개의 터빈을 사용하는 방법으로서는 크고 작은 두 개의 터빈을 연속적으로 구분하는 시퀀셜이라고 하는 방법도 있는데 과거에 포르쉐 터보 등에 채용된 예가 있다. 이는 높은 과급압에 의해 고회전역에서 파워를 내는데는 하나의 큰 터빈을 사용하는 것이 효율이 좋기 때문에 최고출력을 위한 대형 터빈과 그 저속을 보완하는 소형 터빈을 조합시킨다고 하는 사고방식이다. 최근의 트윈 터보의 주류는 저속에서 고속까지 부드러운 특성으로 응답성이 좋고 소형 터빈 두 개를 병렬로 사용하는 패럴랠 트윈 방식으로 되어 있다. 포르쉐도 최신 911 터보는 패럴랠 방식이다.
