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국내 터보차저 기술개발 동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-03-27 07:11:35

본문

1. 서론

터보차저 기술은 배기유동 에너지를 이용하여 터빈을 돌리게 되고 터빈과 동일축상에 연결된 컴프레서가 흡기를 가압하여 엔진에 공급함으로써 전체적인 출력을 향상시키기 위해 고안되었다. 터보차저는 디젤엔진에서 널리 사용되지만 최근 GDi엔진이 가솔린엔진에서 주류를 이루고 있기 때문에 가솔린엔진에도 대부분 적용될 것으로 예상되고 있는 매우 광범위하고 중요한 핵심부품으로 자리매김하였다. 터보차저는 흡기와 배기를 연결시켜 주는 위치에 자리잡고 있기 때문에 배기재순환 시스템과도 긴밀한 관계를 유지하게 되고 배기재순환 적용전략에 따라그 구조와 모듈이 더욱 복잡하고 고도화 되고 있는 상황이다. 특히 저압 배기재순환 시스템이 적용될 경우에는 응축수 문제와 후처리장치 파손시 대책 등 고려해야 할 사항이 추가로 발생하게 된다.

글 / 최 영 (한국기계연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 12월호

세계적인 터보차저 생산업체인 하니웰, 보그워너, 미쓰비시, IHI 등의 터보차저 기술 로드맵을 살펴보면 매우 유사한 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있는데 먼저 Wastegate 타입에서 가변형상터보차저인 VGT(Variable Geometry Turbocharger) 타입으로 발전하고 다음으로 2-Stage 터보차저가 이용되게 된다. 가변형상압축기(VGC, Variable Geometry Compressor)가 그 뒤를 따르고 궁극적으로 전기모터식 터보차저 기술로 진화할 것으로 전망하고 있다. 현재는 Wastegate 타입에서 한 단계 발전한 VGT가 주를 이루고 있으며 2-Stage 터보차저도 일부 차종에서 채택되어 사용되어지고 있다. 하지만 가솔린 GDi 차량의 경우는 비교적 부품가격이 저렴한 Wastegate 타입이 선호되고 있다.

일반적인 터보차저의 구성요소를 살펴보면 크게 세 부분으로 나눌 수 있는데 센터부, 컴프레서부, 터빈부로 나눌 수 있다. 센터부 내부에는 로터 어셈블리의 회전을 지탱하는 베어링 등과 같은 윤활 부품이 있어 Tribology 기술이 매우 중요하며 컴프레서부는 흡입 공기를 터보차저의 회전력에 의해 압축하여 엔진 실린더로 이송시키는 역할을 하게 되고 터빈부는 엔진 연소 후 방출되는 배기가스 에너지를 받아 회전하여 컴프레서부를 구동시키는 역할을 하게 된다. 터빈의 주요 구성 요소로는 내부 스크롤을 포함하는 터빈하우징과 터빈로터가 있으며 터빈부 부품들은 1,000℃에 육박하는 고온의 배기가스에 노출되기 때문에 높은 온도와 압력에 견딜 수 있도록 설계가 되어야 하며 재질 또한 높은 내열 내압 특성을 요구한다.

각각의 실린더에서 배출된 배기가스는 맥동류 형태를 보이게 되므로 배기 매니폴드에서 간섭 없이 합쳐져서 터보차저에 공급이 되도록 배기 매니폴드를 설계하는 것이 필요하고 고온 고압의 배기가스는 터빈로터를 거쳐 배기관으로 배출되게 되는데 이 때 터빈로터는 배기가스 유체의 속도에너지를 토크로 변환하여 동축에 연결된 컴프레서 휠을 구동하게 된다. 컴프레서는 컴프레서 휠, 디퓨져, 압축 스크롤 등이 주요 구성요소이며 컴프레서 휠이 회전하면서 유입된 공기는 디퓨져를 지나면서 유속이 낮아지게 되는 대신 압력이 높아지게 되며 이렇게 압력이 높아진 흡입공기는 스크롤을 지나면서 더욱 가압되어 고온 고압의 흡입공기로 변하면서 터보차저를 나오게 되고 인터쿨러에서 냉각된 후 흡기 매니폴드를 통해 엔진 내부로 공급되어 엔진 연소에 이용되게 된다.

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본 고에서는 일반적인 터보차저 기술개발 흐름에서 현재 국내에서 터보차저를 생산하고 있는 업체들의 주요 생산품목인 웨이스트게이트 타입 터보차저와 가변형상터보차저에 중점을 두고 국내 터보차저 기술 동향을 살펴보도록 하겠다. 아울러 현재 일부 적용되고는 있지만 향후 최적화 개발을 통해 경쟁력 확보가 예상되는 2단 터보차저 기술과 기술개발 고도화를 통해 향후 제품화 될 것으로 예상되는 미래 터보차저 기술에 대해서도 소개하도록 하겠다.

2. 웨이스트게이트 터보차저 (Wastegate Turbocharger)

터보차저 개념이 도입된 초기의 일반적인 터보차저의경우는 컴프레서에 들어가는 공기와 터빈에 들어가는 배기가스의 양이 일정했기 때문에 고정식 터보차저라 불렸다. 이와 같은 고정식 터보차저는 저속구간에서 터빈휠을 회전시키는데 필요한 충분한 배기가스 유량을 확보하지 못하게되어 응답성이 현저히 저하되고 반대로 고속영역에서는 배기가스 유량이 증가하여 터빈휠의 회전 허용한도 이상으로 회전하게 되기 때문에 터빈부의 과부하문제가 발생하게 된다. 따라서 고정식 터보차저의 경우 엔진 요구 성능에 부합하는 적정한 크기의 터보차저를 설계 제작하여 특정 엔진에 적용하는 것이 매우 중요하였는데 고정식 터보차저의 성능 특성상 저속구간 또는 고속구간 요구 성능을 모두 만족시키지 못하는 문제가 빈번히 발생하였다.

이와 같은 고정식 터보차저의 문제점을 보완하여 고안된 것이 Wastegate 타입 터보차저이다. 비교적 작은 사이즈의 터보차저를 적용하여 저속 성능을 만족시키고 대신 고속구간에서 발생하는 과부하 문제를 해결하기 위하여 터빈의 회전 허용 한계 이상으로 배기가스가 유입될 경우에는 배기가스 일부를 바이패스 시키도록 고안된 Wastegate를 장착하여 고속영역의 과부하 문제를 해결한 타입이 바로 Wastegate 타입 터보차저이다.

현재 일반적인 승용이나 SUV 디젤엔진의 경우에는 Wastegate 타입 터보차저의 적용이 현저히 줄어들었으며 대신 가변형상 터보차저의 적용이 대폭 증가하고 있다. 하지만 여전히 높은 가격경쟁력으로 인해 상용차량의 경우 대부분 이용되고 있으며 특히 가솔린 직접분사방식(GDi) 엔진의 등장으로 그 수요가 가파르게 증가하고 있다.

일반적인 터보차저 장착 디젤엔진의 경우 연료와 공기의 공급비율이 약 1대20 이상이며 공기과잉의 상태에서 연소(희박연소, Lean Combustion)하므로 배기가스 온도는 최대 850℃ 정도이다. 하지만 가솔린엔진의 경우는 연료와 공기의 혼합 비율은 1대 14.5 정도로서 이론공연비연소(Stoichiometric Combustion)가 유도되며 일부 최대출력 조건에서 배기가스 온도는 약 1,050℃ 정도에 육박하게 된다. 따라서 터보차저의 내열 성능이 보장되어야 하는데 이를 위해서는 터빈휠, 터빈하우징, 터빈엔 드씰, 웨이스트게이트 등의 재질 및 공기역학적 설계가 매우 중요하다.

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한국하니웰의 경우는 자체 개발한 재료를 적용하였으며 강화된 슈라우드(Shroud) 설계 및 터보 센터 하우징의 수냉식 최적화를 통해 고온 내열 문제를 해결하였으며 웨이스트게이트에 대한 가솔린 특수 전동 액츄에이터의 채택을 통해 고온 조건에서의 터보 기능을 최적화시키고 신뢰도 높은 터보 작동을 가능하게 하였다.

또한 계양정밀에서도 이러한 고온 배기가스 작동 환경차이를 극복하기 위해서 가솔린엔진용 자체 개발 소재를 사용하였고 저속성능 향상을 위해 트윈스크롤(Twin Scroll)방식을 적용하고 있으며 전동 액츄에이션에 의해 작동되는 웨이스트게이트를 장착하여 성능 개선을 꾀하고 있다.

여기서 가솔린용 웨이스트게이트 작동을 위한 전동화기술이 중요한데 가솔린용 전기 구동 액츄에이션 기술은 터보 웨이스트게이트 메커니즘이나 미래의 잠재적 가변 기하학적 메커니즘의 전기적 제어 및 구동을 의미하게 되는데 공압식 액츄에이션과 비교해 볼 때 이 방식은 부스트를 제어하기 위한 입력 신호와 실제 이동 간에 있어 더욱 즉각적이고 직접적인 관계를 제공하기 때문에 전동엑츄에이션은 광범위한 엔진 작동 영역에서 보다 정확한 배기유량 제어 기능을 제공하게 된다. 천이 운전영역인 실제 도로주행 시와 같이 엔진을 작동할 때 전동 액츄에이터는 연료 소비를 개선하면서 웨이스트게이트를 열고 배압을 감소시킬 수 있다.

또한 엔진이 콜드 스타트 상태나 아이들 상태에서 촉매 활성화가 어려운 상황일 때 전동 액츄에이터 구동에 의해 웨이스트게이트를 강제 개방함으로서 배기 유량을 배기관의 후처리장치로 다량 흘려 보내 단시간만에 촉매작동 온도(Light-off Temperature)에 도달시키게 할 수 있는 이점이 있다.

3. 가변형상 터보차저 (Variable Geometry Turbocharger)

고정식 터보차저의 과부하 문제점을 개선하기 위해 고안된 것이 Wastegate 타입 터보차저라면 저속과 고부하 요구 성능 차이로부터 발생하는 근본적인 문제를 능동적으로 해결하기 위해 고안된 것이 가변형상 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger)이다.

엔진 각 구간별로 터보차저에 공급되는 배기가스의 양과 속도를 조절할 수 있는 기능을 갖추고 있는 터보차저를 통틀어 가변형상 터보차저라 한다. 가변형상 터보차저의 경우 Wastegate 대신에 배기가스의 유량과 유속을 조절할 수 있는 장치를 추가하게 되는데, 이 장치의 구조와 형태에 따라 각 업체마다 VGT, VNT(Variable Nozzle Turbine) 등 다양한 명칭으로 불리고 있다. 하지만, 기본적 작동 원리는 모두 동일하며, 엔진의 저속구간에서의 적은 배기량으로도 터빈휠이 회전 할 수 있도록 배기가스 유로를 좁혀 배기가스의 속도에너지를 향상시키고, 반대로 고속구간에서는 배기가스의 유로를 넓혀 터빈휠의 회전에 필요한 배기가스를 충분히 받으면서도 과부하를 방지할 수 있도록 고안된 방식이 되겠다.

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가변형상 터보차저의 경우 배기가스 조절장치의 구조와 배기재순환 시스템 연계 구조에 따라 적용되는 부품의 종류와 수량은 다를 수 있겠지만 엔진 흡배기계의 특성 상 높은 배기 온도에서도 견딜 수 있는 내열 재질을 사용해야 한다는 것과 유량을 효율적으로 이용할 수 있는 공기역학적 설계와 엔진룸 공간을 고려한 컴팩트한 설계는 반드시 요구되며 현재 주로 승용과 SUV 디젤 차량에 적용되고 있다.

가변형상 터보차저인 VGT 기술에서 가장 중요한 것은 노즐의 형태로서 직선형 노즐에서 곡선형 노즐로 바뀌었으며 Vane 형태도 유선직선형에서 유선캠버형을 거쳐 S 형태의 곡선베인으로 발전하였고 현재도 계속해서 최적화된 형상이 도출되고 있다. 또한 노즐 플레이트와 베어링하우징, 핀, 개스킷, 노즐 등이 카트리지 형태로 출시되므로 연결부의 형상과 체결이 매우 중요하며 배기에너지 이용을 극대화시킬 수 있는 형상의 유로 최적화도 매우 중요하다고 할 수 있다. VGT 기술을 이용할 경우 저속저부하(Low End) 토오크 성능이 크게 개선됨을 확인할 수 있으며 저속영역뿐만 아니라 전체 운전영역에서 연료소비율 향상이 가능하게 된다.

한국하니웰의 경우 VNT 기술을 계속해서 발전시켜나가고 있는데 VNT 카트리지 개념 도입과 터빈 하우징제조 용이성 등을 통해 크기가 작으면서도 성능이 뛰어난 터보차저 시스템을 구축하고 있으며 특히 회전식 전동 액츄에이터(REA)를 적용한 VNT 터보차저 시스템 개발 및 제품 적용을 통해 디젤엔진의 탁월한 운전성과 연료 효율성을 제공하고 있다.

REA 기술은 VNT 시스템과 연계되어 베인 위치의 파악 및 제어를 통해 정상 상태 및 과도 상태 두 가지 응답모드 모두에서 공기의 유량을 전자적으로 제어하고 있으며 특히 저속 저부하 토오크 성능 개선을 통해 차량 운전성 향상과 연비 개선 효과를 보여주고 있다. 계양정밀과 서한워너터보시스템 또한 각 사의 주력 터보차저 품목으로서 가변형상 터보차저를 생산하고 있으며 전동 액츄에이터를 장착한 VGT 시스템을 적용하여 디젤엔진 엔진다운사이징과 차기 배기규제 만족 효과를 가져 오고 있는 것으로 조사되고 있다.

압축착화 방식인 디젤엔진과 달리 불꽃점화 기관인 가솔린 엔진의 경우 흡입공기의 과급 압력이 너무 높아질 경우 엔진 노킹을 일으킬 위험이 뒤따르기 때문에 엔진운전 조건에 따라 더욱 세밀한 과급 압력의 조절이 필요하게 된다. 따라서 가변형상 터보차저처럼 배기가스를 최대한 활용하려는 장치를 가솔린 엔진에 적용하기 위해서는 각각의 엔진 운전조건에 따라 매우 정교한 과급압력 제어가 필요한데 아직은 가격경쟁력이 우수한 Wastegate 타입 터보차저가 선호되고 있으며 향후 VGT 장치의 가솔린엔진 적용을 위한 심도있는 연구가 더욱 필요할 것으로 보인다.

4. 2단 터보차저 (2-Stage Turbocharger)

다음으로 터보차저의 저속성능과 고속성능을 동시에 만족시키기 위해 고안된 방법으로서 이단 터보차저(2-Stage Turbocharger, Twin Turbocharger)가 있으며, 이단 터보차저는 2개의 소형 터빈을 설치하고 배기간섭을 방지하기 위하여 배기관을 두 개의 통로로 나누어 2개의 터빈에 연결하여 작동하도록 구성한 것을 말한다.

엔진 운전 영역에 따라 1개의 터빈만 가동할 수도 있으며 다양한 조합을 통해 응답성이 우수한 특성과 부드러운 가속 느낌을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이단 터보차저의 조합 중 특히 저속 회전력을 향상시키기 위하여 소형과 대형의 터빈을 각각 설치하는 경우가 많다. 하나의 엔진에 크고 작은 2개의 터보차저를 장착하여 저속 구간에서는 작은 사이즈의 터빈을 돌려 저속 출력을 향상시키고 고속구간에서는 큰 사이즈의 터빈을 이용하여 고속주행에 필요한 충분한 출력을 확보하도록 한 것이다.

이단 터보차저의 구성요소 조합을 최적화하여 엔진 운전 조건에 적합하게 제어할 경우 높은 배기재순환율에서도 최적의 부스팅을 가능하게 할 수 있으며 저속 저부하
영역에서의 토오크를 크게 개선할 수 있다. 또한 과도영역과 천이영역에서도 공기연료비 변동을 최소화시켜 연비향상과 운전 성능 개선이 가능하며 매우 부드러운 가속 성능 또한 구현할 수 있다.

하지만 단점으로는 터빈을 두 개 사용하기 때문에 제작 비용이 높아 제품의 단가가 높은 것이며 엔진 제어기와 연동 시 제어의 높은 정밀도가 요구되고 매우 세밀한 엔진과 터보차저 매핑이 필요하다.

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이단 터보차저 시스템은 높은 단가로 현재는 일부 고급 차량에만 적용되고 있는 실정이며 향후 제작 비용 저감을 위한 설계 및 제작 최적화와 두 대의 터보차저를 연결하는 밸브시스템 및 바이패스 밸브의 최적화 개발 또한 필요하다.

5. 차기 터보차저 (Future Turbocharger)

현재 고도화 개발이 진행되고 있거나 향후 성능 개선을 통해 제품화 될 것으로 예상되는 터보차저 기술로는 가변형상압축기 기술과 전기전자식 터보차저 기술이 있다.

가변형상압축기(VGC, Variable Diffuser)는 제어가 가능한 베인을 갖는 컴프레서를 의미하는데 저속 저부하영역에서는 흡기 유량이 적으므로 베인을 닫아 높은 부스트 압력을 발생시키고 반대로 흡기 유량이 상대적으로 많은 고속 영역에서는 베인을 열어 흐름을 원활하게 유지시키게 된다.

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전기전동식 터보차저(E-TC, Electric Turbocharger, E-booster)는 고속 모터를 이용하여 컴프레서를 돌려주는 구조를 가지고 있으며 모터를 직접 제어함으로서 기존의 터보차저에서 가장 문제시 되었던 저속 저부하에서의 용량 부족 문제를 해결할 수 있으며 보다 짧은 시간에 보다 뛰어난 부스팅 성능을 제공하여 터보랙(Turbo Lag)을 최소화할 수 있고 가솔린과 디젤 엔진에 모두 적용이 가능하다. 하지만 고성능 베어링과 고성능 터빈, 압축기 기술이 수반되어야만 하고 그 크기도 축소시켜야 하는 등 아직도 해결해야 할 부분이 많은 기술이다.

6. 결론

터보차저 시스템은 엔진 흡배기계를 통틀어 가장 핵심적인 부분 중의 하나이며 배기가스재순환 시스템 및 후처리 시스템과 긴밀하게 연결되어 있어 그 중요성을 다시 한 번 강조하지 않을 수 없겠다. 또한 터빈 및 컴프레서가 일체형으로 연결된 구조는 열유체기계의 전형으로서 그 설계, 재질, 가공, 제어, 내구성 등 여러 가지 측면에서 고도의 기술을 요하는 부품들의 조합이다.

더욱이 엔진 다운사이징과 고출력화, 유해배출물 저감, 연비 향상 등이 기술적 화두인 현재 디젤엔진 뿐만 아니라 직접분사식 가솔린엔진이 주류를 이루는 상황에서 터보차저 기술의 자립화와 고도화는 향후 국내 동력 발생 연구개발 흐름에 있어 매우 의미있고 중요한 위치를 차지하고 있다고 할 수 있다.

사실 국내 터보차저 생산업체의 경우 자체적인 연구개발 활동이 활발하다고는 할 수 없으며 글로벌 모기업으로부터 위탁생산하는 수준을 벗어나지 못하고 있다. 하지만 정부의 지속적인 지원 아래 일부업체에서는 2000년대 후반부터 터보차저 국산화 개발에 많은 연구역량을 투입하였으며 그 결과 터보차저 핵심부품 설계 방법의 정립과 내열 소재 개발, 터보차저 성능 해석 기술 확보를 완료하였으며 성능 검증을 위한 장비를 자체적으로 구축하고 시험 평가 방법 또한 정립하게 되었다.

이러한 연구개발 활동을 통해 국내 기업에서도 2리터급 디젤엔진용 가변형상 터보차저와 2리터급 가솔린엔진용 웨이스트게이트 터보차저를 국산화 개발하는데 성공한 것으로 보고되고 있으며 앞으로도 더욱 성능이 개선된 다양한 종류의 터보차저 제품 국산화가 가능할 것으로 기대되고 있다.

이제 시작 단계에 불과한 터보차저 국산화 흐름을 이어가기 위해서는 국내 제품 생산 업체의 연구개발 의지 또한 중요하겠지만 무엇보다도 자동차 동력발생 핵심부품의 기술 자립화를 위한 정부의 지원이 절실하다고 할 수 있겠다. 다시 한 번 자동차 동력발생 부품으로서 터보차저의 중요성을 강조하고, 터보차저 시스템에 대한 정부의 적극적이고 지속적인 연구개발 지원을 간곡히 바래보면서 본 기술동향 기고문을 맺고자 한다.

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