디젤은 물론 가솔린도 터보차저를 적용한 모델이 증가하고 있습니다. 전 세계적으로 배출가스 및 연비규제가 강화됨에 따라 배출가스저감 및 연비향상을 위해 차체의 경량화와 엔진배기량을 낮추는 엔진 다운사이징(소형화)이 4~5년전부터 세계적인 흐름이 되었지요. 터보차저는 엔진 배기량을 줄여도 출력 손실이 없고 이산화탄소 배출량과 질소 산화물 배출을 줄일 수 있는 최적의 솔루션으로 각광받고 있습니다. 

터보차저(Turbo Charger)는 배기가스를 이용해 터빈을 돌려 더 많은 흡입공기를 엔진연소실로 넣어 줌으로써 엔진출력을 향상시켜 주는 과급장치입니다. 엔진내부로 들어가는 공기의 밀도를 향상시킴으로써 완전연소를 유도해 엔진의 폭발력이 증가하게 되고 이에 따라 고출력과 높은 토크를 얻는 것이 터보차저 원리이지요. 

터보차저를 장착하면 이전에 비해 엔진효율이 약 60% 높아지게 되므로 2.4ℓ 엔진을 1.6ℓ 터보차저 엔진으로 교체해도 차량 효율과 성능은 비슷한 수준으로 유지할 수 있습니다. 또 터보차저 엔진은 동급 엔진에 비해 출력과 토크가 높기 때문에 차량응답성이 좋아 운전의 재미를 줄 뿐 아니라 같은 출력을 내면서도 엔진 배기량은 줄일 수 있기 때문에 약 15%의 연비개선 효과도 기대할 수 있습니다. 

가솔린 터보엔진은 자연흡기 엔진에 비해 20% 이상 경제적이며, 디젤 터보엔진은 동일한 출력을 가진 자연흡기 엔진보다 40% 이상 연비가 뛰어난 것으로 알려졌습니다. 같은 배기량으로도 높은 출력을 얻을 수 있는 터보차저는 오래 전부터 고성능차의 필수품으로 여겨져 왔지만 갈수록 고성능화되는 엔진의 요구조건에 따라 진화를 거듭해 오면서 최근에는 엔진의 출력향상을 위한 목적보다는 배출가스 저감 및 연비 향상이라는 친환경적인 측면이 강조되고 있는 추세입니다. 

터보 기술 발전으로 연비와 동력성능이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡는 것이 가능해짐에 따라 흡입공기를 최적화해 완전연소를 실현함으로써, 엔진을 다운사이징하더라도 출력손실이 없을 뿐더러 이산화탄소 배출량과 질소 산화물 배출을 줄일 수 있기 때문입니다.

특히 오는 2025년 미국 내에서 판매하는 자동차는 23.2ℓ/km(1갤런당 54.5마일)의 기업 평균연비를 만족시켜야 함에 따라 엔진배기량을 줄이고 차체무게를 가볍게 해 배출가스를 줄이려는 소형화(Down sizing)에서 엔진의 효율성을 향상시켜 배출가스는 물론 연비를 개선시키는 등 차량 전반에 걸쳐 효율성을 극대화하는 최적화(Right sizing)로 옮겨가고 있습니다. 

이미 최고출력과 최대토크, 연비, 이산화탄소 배출량 등 모든 부분에서 터보 엔진이 자연흡기 엔진보다 우수하다는 것이 전문가들의 평가이지요. 과거 터보 엔진은 주로 높은 회전영역에서 폭발력을 극대화해 강력한 힘을 발휘하는 고성능 터보가 주류를 이루었지만 최근에는 고성능은 그대로 유지하면서 저속 운전 조건에서의 효율을 개선해 배출가스를 줄여주는 저속지향형 터보차저가 적용되고 있습니다. 

일반적으로 터보차저의 경우 저속구간에서는 배출가스량이 적고 유속이 느려 터보효과를 발휘할 수 없기 때문에 터보차저가 2500rpm 이상의 중고속 영역에서 작동되는 것과 달리 저속지향형 터보는 2000rpm 이하에서도 작동하는 것이 특징입니다. 터보차저의 가장 큰 단점으로 지목되어 온 터보 래그(Turbo Lag)을 줄이기 위한 다양한 기술도 적용되고 있습니다. 

터보 래그는 액셀러레이터 페달을 밟아 스로틀 밸브를 열었을 때 실린더에 흡입되는 공기량이 신속하게 증가하지 않고 스로틀밸브가 열리는 정도에 알맞은 양의 공기가 실린더로 흡입되기까지 시간이 지연되는 현상으로 특히 급가속할 때나 천천히 주행하다가 가속할 때에 주로 발생됩니다.

가변용량 터보차저(VGT, Variable Geometry Turbocharger)는 터보 래그를 줄이기 위한 대표적인 기술로 주로 디젤 터보 엔진에 사용되지만 가솔린 엔진에서도 적용되고 있으며, 가변 노즐 터빈(VNT) 터보차저라고도 불리웁니다. VGT는 배기가스의 양이나 유속에 따라 터보차저의 터빈 날개형상을 바꿔 엔진 연소실로 들어가는 흡기 공기량을 조절하는 기술로 낮은 회전영역에서도 터보의 작동을 원활하게 함으로써 터보랙을 줄여줍니다. 

즉 배기가스가 통과하는 터빈의 노즐을 작게하면 같은 배기량이라도 가스가 힘차게 분출되기 때문에 터보 래그를 줄일 수 있습니다. 이러한 VGT는 기존 터보 인터쿨러 시스템보다 출력이 10% 이상 향상되고 배기가스도 저감할 수 있습니다. 디젤 엔진의 터보 래그를 줄이기 위해 파워펄스라는 기술도 적용되고 있습니다. 

파워펄스는 시동 직후 또는 저속(1단과 2단, 2000rpm 이하일 때)에서와 같이 터보차저의 배기압이 충분치 못할 때 2.0ℓ 크기의 탱크에 저장된 압축공기를 이용해 터보차저의 터빈을 작동시키는 원리입니다. 또한 트윈 스크롤은 터보 래그를 최소화해 자연흡기 엔진에 가까운 응답성을 얻기 위해 적용하는 또 다른 기술이지요. 

일반적으로 터보 엔진은 실린더 4개에서 나오는 배기가스가 하나의 매니폴드로 모여 터보차저의 터빈에 유입되는데 이럴 경우, 점화순서에 따라 각 실린더에서 나오는 배기가스의 간섭으로 배기에너지의 손실이 발생하고, 이는 터보차저 내부의 터빈속도가 느려지는 현상으로 이어집니다. 

트윈 스크롤은 터보차저 내부에 2개의 실린더 당 1개의 스크롤(터빈 날개)이 별도로 연결함으로써 점화순서에 따른 배기가스의 기통간 간섭이 줄어들어 싱글 스크롤 대비 터보 래그를 줄일 수 있습니다. 또한 싱글 스크롤 방식의 터보차저 보다 우수한 터보 래그 특성을 바탕으로 터보차저의 용량증대에 용이하게 대응할 수 있으므로 트윈스크롤 터보 엔진의 출력을 향상시키는 데에도 유리합니다.

하나의 큰 터빈 대신 두 개의 작은 터보차저를 설치해 배기간섭을 방지함과 동시에 출력향상을 도모할 수 있는 트윈 터보 시스템과 2-스테이지 트윈 터보시스템도 적용되고 있습니다. 2-스테이지 트윈 터보는 트윈 터보와 같이 두 개의 터보차저를 사용하지만 엔진회전수에 따라 작동시점(저속 및 고속)을 달리해 저속회전에서는 한 개의 터보만을 구동하여 응답성을 좋게 하고, 고속회전에서는 양쪽을 사용하여 토크를 높여주는 것이 특징이지요. 

이외에도 두 개의 터보차저가 각각 작동하는 듀얼 터보차저와 터보 래그가 큰 저속에서는 슈퍼차저를 사용하고, 고속에서는 터보차저를 사용하는 양쪽의 장점을 이용하는 하이브리드 터보(Hybrid Turbo) 방식도 있습니다. 흡입공기를 압축하는 컴프레서 휠이 두 개로 연결된 듀얼 부스터 터보차저나 저속구간에서 배기가스 대신 전기모터가 터빈을 구동시켜 주는 e-터보 기술도 새롭게 선보이고 있는 신기술 중 하나입니다. 

48V 시스템의 경우 잉여전력을 이용해 전기모터로 터보를 구동시켜 순간적으로 큰 힘을 발휘하는 e-부스트도 개발되고 있습니다. “터보차저는 갈수록 심화되고 있는 배출가스규제와 고성능화되고 있는 엔진의 요구조건 등 시장의 환경에 따라 업그레이드될 수밖에 없다. 특히 최근에는 출력증강의 목적보다는 환경적, 경제적 요인으로 인해 터보 적용차가 증가하고 있는 추세며 가솔린 터보의 적용이 전세계적으로 확대되고 있는 이유”라는 것이 터보 제조사 관계자의 이야기입니다. 

김아롱 칼럼니스트/webmaster@autoherald.co.kr

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