자동차 터보차저 시스템의 원리 및 관리 방법

기존 자동차에서 터보차저 시스템이 적용된 엔진(Turbocharger Engine)은 디젤 엔진에 주로 적용되었으나 최근에 출시되는 대부분의 가솔린 엔진의 자동차의 경우도 터보차저 시스템을 적용하여 출시하고 있습니다. 터보차저 엔진은 버려지는 배기가스의 압력을 이용하여 흡입된 공기를 압축하고 엔진 실린데 내로 고밀도 상태의 더 많은 공기를 강제 주입하여 자연 흡기 엔진 대비 연료의 완전연소 효율을 높여 출력을 향상하고 연비까지 향상할 수 있는 효율적인 시스템입니다. 그래서 이번 시간에는 기존 자연흡기 엔진보다 다운 사이징된 적은 배기량으로 동등 또는 그 이상의 성능을 낼 수 있는 터보차저 시스템은 어떤 구조로 작동하고 차량 출력 등 성능에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

자동차 흡기 시스템의 원리 및 구조, 기능, 고장 유형 등에 대하여

터보차저 시스템이란?
터보차저 시스템의 원리와 전체 구조
터보 차저 시스템의 주변 장치
인터쿨러 시스템
웨이스트 게이트(Wastegate)
압축기 바이패스 밸브(Bypass Valve) 또는 블로우 오프 밸브(Blowoff Valve)
터보차저 기술의 발전
터보차저 시스템이 적용된 자동차의 관리
글을 마치며

터보차저 시스템이란?

자동차 배기 시스템의 정의, 기능, 구조, 종류, 고장유형 및 원인

터보차저 시스템은 슈퍼 차저 시스템과 함께 과급 기술 중 하나로 1, 2차 세계 대전 당시 전투기가 고고도로 비행 시 기압의 저하로 발생하는, 산소(공기)의 부족 현상을 해결하기 위해 전투기 엔진에 과급기를 적용하고 이를 통해 공기를 압축하여, 더 많은 양의 공기를 엔진에 공급하기 위하여 본격적으로 적용되기 시작한 기술입니다. 이후 많은 발전을 거쳐 자동차에 적용되기 시작했으며 최근에는 대부분의 자동차에 적용되어 출력향상, 연비개선, 배출가스 감소 등의 역할을 하고 있습니다.

터보차저 시스템의 원리와 전체 구조

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터보차저 시스템은 앞서 간단히 설명드렸다시피 내연기관엔진에서 그대로 버려지는 높은 온도(약 800˚C)의 배기가스의 압력을 이용하여 최대 280,000 rpm의 고속으로 터보 차저의 터빈 휠을 돌리게 되고 이는 터빈 반대편에 연결되어 같이 회전하는 컴프레셔의 휠을 돌려 흡기 시스템(Intake System)으로 들어온 공기를 압축하게 됩니다. 압축된 공기는 큰 체적(부피)의 감소와 분자 간의 충돌로 고온, 고압의 고밀도 상태로 변화하여 그대로 엔진 실린더 내부로 보내지게 되면 엔진 노킹 현상 등의 부작용을 가져올 수 있으므로 보통 라디에이터 그릴 앞쪽에 위치한 인터쿨러를 통과시켜 온도를 낮추어 실린더 내부로 보내지게 됩니다.

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이렇게 자연 흡기 엔진 대비 많은 양의 공기, 즉 많은 산소를 엔진 실린더 내로 보낼 수 있어 완전연소 효율을 높일 수 있고 강한 폭발력으로 엔진 토크 및 출력 등 성능을 크게 향상할 수 있고 연비 향상 및 배출 가스 저감에도 도움을 줄 수 있는 시스템입니다. 터보차저 시스템이 적용된 엔진은 갖고 있는 같은 엔진 배기량의 자연흡기 엔진에 비해 두 배 가량의 출력을 높일 수 있다고까지 합니다.

터보 차저 시스템의 주변 장치

인터쿨러 시스템

듀얼 클러치 변속기 (DCT)의 원리 및 장단점 바로가기

앞서도 설명드렸지만 터보차저 콤프레셔를 통해 압축된 공기는 고압에 고온으로 그대로 엔진 실린더 내로 공급될 경우 노킹 현상 등의 부작용이 발생할 수 있으므로 온도를 낮춰줄 필요가 있습니다. 따라서 고온의 압축공기를 인터쿨러를 통과시켜 온도를 낮춘 후 엔진 실린더 내로 공급하게 됩니다.

웨이스트 게이트(Wastegate)

배기가스가 터보차저의 터빈으로 들어가는 적절한 압력량을 조절하는 장치입니다. 모든 배기가스가 터빈의 허용 범위 이상으로 들어오게 되면 강한 압력과 열이 발생하고 이로 인해 터빈의 수명에 영향을 미치게 되므로 반드시 적절한 양의 제어가 필요하고 불필요한 나머지는 배기가스로 배출되게 됩니다.

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압축기 바이패스 밸브(Bypass Valve) 또는 블로우 오프 밸브(Blowoff Valve)

운전자의 가속페달을 밟게 되면 터보차저에 의한 압축된 공기가 엔진 실린더 내로 공급되어 차량은 가속을 하게 되고, 이후 다시 운전자가 가속 페달에서 발을 떼어 엔진의 공기 공급을 제어하는 스로틀 밸브가 닫히게 되는 경우 바이패스 밸브 또는 블로우 오프 밸브를 통해 필요 없는 압축된 공기가 외부로 빠저 나가게 됩니다. 가끔 터보차저가 적용된 자동차에서 특유의 바람 빠지는 소리를 들을 수 있는데 이것이 바로 바이패스 밸브 또는 블로우 오프 밸브를 통해 필요 없는 압축공기가 빠지는 소리입니다. 만일 이러한 밸브가 없다면 불필요한 압축된 공기는 다시 엔진 방향 터보차저의 엑츄에이터(압축기) 쪽으로 역류를 하게 되어 터보차저의 수명에 영향을 미치게 됩니다.

터보차저 기술의 발전

터보차저 시스템의 가장 큰 단점 중에 하나는 터보에 필요한 부스트 된 압력을 형성하는데 시간이 필요합니다. 이를 터보 랙(Turbo Lag)이라 합니다. 즉 운전자가 가속을 위해 가속 페달을 밟았을 때 자동차의 가속으로 반응하는데 어느 정도의 지연이 발생하는 것입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 여러 방법과 기술이 적용되는데 그중 하나가 몇 개의 보다 작은 터보차저, 즉 2개(Twin-Turbocharger) 또는 3개(Triple-Turbocharger), 최근에는 4개(Quad-Turbocharger)까지의 터보차저를 적용하는 추세입니다. 여기에는 또 적용 방식에 따라 병렬형 터보 차징 방식(Parallel Turbo Charging)에서 순차적 터보 차징 방식(Sequencial Turbo Charging)의 기술로 발전하고 있습니다.

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터보차저 시스템이 적용된 자동차의 관리

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터보차저가 적용된 자동차는 800 ºC 이상의 높은 배기가스를 이용하고 터보차저의 휠도 최대 280,000 rpm의 고속으로 회전하기 때문에 내구성이 중요하여 터보차저의 소재도 특수한 소재를 사용하게 됩니다. 따라서 고장 시 화재의 원인이 될 수 있으며, 터보차저의 냉각과 윤활을 위한 엔진 오일이 실린더 내부로 누유가 되어 탈 수가 있으며, 이로 인해 엔진 수명에 영향을 미치게 되며 운전자의 안전에도 크게 영향을 미치게 됩니다. 따라서 터보차저가 적용된 자동차의 주행을 위해서는 평소 관리가 필요합니다. 비록 최근 출시된 자동차에는 이러한 관리를 도와주는 장치가 적용된 차량도 있으나 기본적으로 터보차저 시스템이 적용된 자동차는 특히 주행 전후의 예열과 후열이 중요합니다. 예열은 주행 전 1~2분 정도 예열 후 주행을 시작하시고 주행 초기 2,000 rpm을 넘지 않는 속도로 주행하시다가 엔진 온도가 충분히 올라간 후에 가속 주행을 한시는 것을 추천드립니다. 또한 후열은 일반적인 저속 도시 주행에서는 필요 없지만 특히 고속도로 등 고속 주행 후 엔진을 바로 끄지 마시고 1~3분 정도 후열을 통하여 엔진을 충분히 식히신 후에 엔진을 끄시는 것을 추천드립니다.

듀얼 클러치 변속기 (DCT)의 원리 및 장단점 바로가기

글을 마치며

지금까지 터보차저 시스템에 대해서 알아보았습니다. 앞서서도 설명을 드렸지만 자동차 제조사에서는 더 이상 고출력을 내기 위해 더 큰 엔진을 개발할 필요가 없고, 고출력의 성능을 내기 위해 터보 차저와 인터쿨러 시스템을 적용한 더 작은 배기량의 엔진이면서도 연소 효율이 높은 고출력 엔진을 개발할 수 있게 되었습니다. 이와 함께 연료의 소비를 줄일 수 있게 되고 배출가스의 감소를 가져올 수 있었습니다. 이글이 여러분에게 조금이라도 도움이 되었으면 합니다.

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