자연흡기 엔진의 공기 흡입 한계를 넘어 더 빠른 속도를 추구한 인간의 욕망이 터보차저라는 해법으로 이어졌다. (오토헤럴드 DB)
[오토헤럴드 김흥식 기자] 더 빠르게 달리고 싶은 인간의 욕망은 자동차를 끊임없이 진화시켜 온 원동력이었다. 초기 자동차의 평균 속도는 시속 10km 안팎으로 마차보다 느리거나 사람이 걷는 속도와 크게 다르지 않은 수준에 불과했다.
하지만 기술이 발전하고 모터스포츠가 등장하면서 속도에 대한 집착은 점점 강해졌다. 여기에 효율성 경쟁까지 더해지면서 엔진 성능을 끌어올리기 위한 해법이 필요해졌다. 문제는 공기를 스스로 끌어들이는 자연흡기 방식에 의존하는 내연기관의 구조적 한계를 어떻게 극복하느냐였다.
일반적인 내연기관, 즉 자연흡기 엔진은 대기압 상태의 공기를 실린더로 끌어들여 연료와 혼합해 폭발을 일으킨다. 이 과정에서 발생하는 에너지가 자동차를 움직인다.
그러나 태생적 한계가 존재했다. 엔진이 흡입할 수 있는 공기의 양이 대기압과 배기량에 의해 제한되기 때문이다. 이 때문에 더 큰 출력을 얻기 위해서는 엔진을 키우거나 회전수를 높여야 했지만 이는 무게 증가, 연비 저하, 내구성 문제로 이어졌다.
버려지던 에너지의 재발견 '터보차저'
터보차저는 배기가스 에너지로 터빈을 회전시키고 이를 통해 공기를 압축해 엔진으로 보내는 방식으로 출력과 효율을 동시에 끌어올린다. (오토헤럴드 DB)
엔지니어들은 새로운 방법을 고민하기 시작했다. “더 많은 공기를 넣을 수 있다면 더 큰 힘을 만들 수 있지 않을까.” 이 질문에 대한 해답이 바로 터빈으로 공기를 압축해 공급하는 장치, '터보차저(Turbocharger)'다.
터보차저는 1905년 스위스 엔지니어 '알프레드 뷔히(Alfred Büchi)'가 처음 개념을 제시하고 특허를 등록한 기술이다. 그는 엔진에서 버려지던 배기가스의 에너지를 활용해 공기를 압축하는 방식을 고안했다.
작동 원리는 단순하지만 혁신적이다. 배기가스가 터빈을 돌리고 이 터빈과 연결된 컴프레서가 공기를 압축해 엔진으로 보내는 구조다. 압축된 공기는 더 많은 산소를 포함하고 이는 더 많은 연료 연소로 이어져 출력이 증가한다.
같은 배기량에서도 더 강한 힘을 낼 수 있게 되는 것이다. 터보차저는 초기 항공기와 대형 디젤 엔진에 먼저 적용됐다. 공기 밀도가 낮은 고지대에서도 출력 저하를 줄일 수 있었다. 이후 1960년대부터 일부 양산차에 적용되기 시작했고 1980년대 모터스포츠와 스포츠카를 통해 빠르게 확산됐다.
작은 엔진으로 큰 힘 '효율'까지 잡다
폭스바겐 EA211 TSI 엔진. 최고 출력 150마력, 최대 토크 250Nm로 1.4L급 배기량으로 2.0L급 자연흡기 엔진에 맞먹는 성능을 발휘하고 최대 18km/L의 복합 연비를 자랑한다. (오토헤럴드 DB)
터보차저의 가장 큰 장점은 작은 엔진으로 큰 출력을 낼 수 있다는 점이다. 같은 배기량 기준으로 출력과 토크가 향상되고 가속 성능이 개선된다. 동시에 엔진 배기량을 줄이면서 연비를 높이는 ‘다운사이징’ 전략이 가능해졌다.
다운사이징은 환경 규제가 강화되면서 등장한 개념으로 작은 배기량으로 더 높은 성능과 효율을 확보하는 기술이다. 특히 유럽 제조사들이 적극적으로 도입하며 빠르게 확산했다.
2.0L 엔진이 과거 2.5~3.0L급 자연흡기 엔진의 성능을 대체하는 시대를 이끈 것이 바로 터보차저다. 실제로 볼보는 2.0L 터보 엔진으로 2.4~3.0L급 자연흡기 엔진 수준의 성능을 구현하며 다운사이징 전략을 가장 적극적으로 추진했다.
폭스바겐의 1.4 TSI 엔진은 자연흡기 2.0L급 성능을 구현하고 BMW 역시 2.0L 터보 엔진으로 과거 직렬 6기통 자연흡기 엔진을 대체하며 효율과 성능을 동시에 확보했다.
하지만 단점도 존재한다. 대표적인 것이 '터보 래그(Turbo Lag)'다. 배기가스가 충분히 발생하기 전까지 터빈이 회전하지 않아 가속 반응이 늦어지는 현상이다. 여기에 고온 환경에 따른 내구성 문제와 복잡한 구조로 인한 비용 증가도 부담으로 작용한다.
터보의 진화로 필수 기술이 되다
가변형 터보차저(VGT)의 내부 구조. 배기가스 흐름을 조절하는 가이드 베인(vane)이 배열된 터빈 하우징으로 베인의 각도를 변화시켜 저속과 고속 영역에서 모두 효율적인 과급이 가능하도록 설계된 핵심 부품이다.(출처: BorgWarner )
이러한 한계를 극복하기 위해 터보차저는 꾸준히 진화해 왔다. 트윈 터보는 저속과 고속 영역을 나눠 반응성을 개선했고 가변형 터보(VGT)는 터빈 각도를 조절해 효율을 높였다. 최근에는 전기 모터로 터빈을 즉시 회전시키는 전동 터보(e-Turbo) 기술도 등장해 터보 래그를 크게 줄이고 있다.
환경 규제가 강화되면서 엔진 배기량을 줄이면서도 성능을 유지해야 하는 시대가 됐다. 그 결과 터보차저는 고성능 차량을 넘어 일반 승용차에도 널리 적용되는 보편적 기술로 자리 잡았다.
자동차는 더 빠르게 달리기 위해 진화해 왔지만 그 해법은 단순히 엔진을 키우는 것이 아니었다. 버려지던 에너지를 활용해 효율과 성능을 동시에 끌어올리는 방향으로 발전해 왔다. 터보차저는 그 전환점을 만든 기술이다.
김흥식 기자/reporter@autoherald.co.kr
ⓒ 오토헤럴드(http://www.autoherald.co.kr) 무단전재 및 재배포금지
