터보 차저의 작동 원리

 

 

사람들이 레이싱 차량이나 고성능 스포츠 차량을 말할 때 터보차저에 대한 언급이 주로 나오게 된다. 터보는 대형 디젤차량에는 거의 대부분 장착되어 나온다. 터보는 엔진의 무게를 크게 늘리지 않으면서 엔진의 파워를 크게 올리는 것이 가능하다. 바로 이점이 터보가 폭발적으로 인기를 끌고 있는 가장 큰 요인이다.

터보는 전형적인 강제 흡기 시스템이다. 흡기를 엔진으로 압축하여 밀어 넣는 것이다. 공기를 압축하는 것의 장점은 엔진의 실린더내에 보다 많은 공기를 채울 수 있으며 많은 공기는 많은 연료의 분사를 의미한다. 따라서 각 실린더의 폭발행정으로부터 보다 더 많은 출력을 얻을 수 있는 것이다. 그러므로 터보는 전반적으로 원래의 엔진보다 많은 파워를 이끌어 내는 것이다. 특히 엔진의 무게당 출력 비율을 대폭적으로 올리것이 가능하다.

파워를 올리기 위하여 터보차저는 배기의 흐름을 이용하여 터빈을 돌리고 이 터빈과 맛물려 있는 에어 펌프를 회전시킨다. 터빈은 분당 15만번까지 회전하는데 이는 엔진 회전 속도의 약 30배에 달하는 것이다. 그리고 배기기관에 설치되어 있으므로 터빈의 온도는 매우 높게 올라간다.

◆ 기본이론
엔진의 힘을 증가시키는 가장 확실한 방법은 공기와 연료의 양을 늘리것이다. 이러기 위하여는 엔진의 실린더 수를 늘리던가 아니면 실린더의 사이즈를 키워야 한다. 그러나 현실적으로 특히 after market에서는 이런 방법이 거의 불가능하거나 어려울 때가 많다. 하지만 터보를 장착하면 가장 간단하고 간결하게 파워를 올릴 수가 있는 것이다.

터보는 기존의 실린더내로 보다 많은 공기와 연료를 밀어 넣어 연소를 가능하게 한다. 일반적으로 터보에 의하여 6내지 8 psi의 공기가 추가되어진다. 대기압이 14.7psi 이므로 약 50%의 공기가 증가되며 파워 또한 50% 향상된다. 하지만 실제에 있어서의 손실 마력을 감안하면 30 - 40%의 파워가 증가한다고 보면된다.

출력 손실의 한가지 원인은 터빈을 회전시키는 것이 마냥 자유롭지만은 않다는 것이다. 배기기관에 터빈을 설치된다는 것은 배기의 저항을 증가시킨다. 즉 배기 행정에서 엔진은 높은 배압을 밀어 내어야만 한다. 이 것이 그 시간에 연소되고 있는 또 다른 실린더로부터 약간의 파워를 빼앗아 가는 것이다.

터보는 공기가 희박한 고도가 높은 지역에서도 위력을 발휘한다. 정상 엔진이 고지대에서는 희박한 밀도의 공기때문에 파워가 떨어지는 것을 경험할 것이다. 터보 엔진 또한 파워가 떨어지는 것은 같은 이치이지만 그 정도는 훨씬 덜 하다. 그 이유는 밀도가 희박한 공기는 터보가 엔진으로 밀어 넣기가 그만큼 손쉽기 때문이다.

카뷰레이터 방식의 구식 차량은 공기량이 증가되는 것에 따라서 자동적으로 연료량을 늘리게 된다. 현대의 인젝터 방식의 차량들도 일정한도까지는 마찬가지이다. 배기관에 부착되어 있는 산소 센서가 공연비를 체크하여 터보에 의하여 공기 투입량이 늘어나면 연료분사량이 자동으로 증가되도록 조절하는 것이다.

부스트를 너무 높이면 인젝터가 충분한 연료를 공급하지 못할 수가 있다. ECU가 허용하지 않거나 인젝터의 용량이 따라주지 못하는 경우이다. 이 때는 터보차저의 이점을 최대한 살리기 위해서는 다른 부분의 튜닝이 반드시 필요하다.

◆ 작동 원리
터보 차저는 배기 매니폴더에 장착된다. 실린더로부터 나온 배출가스가 터빈을 회전시킨다. 터빈은 흡기쪽의 에어필터와 흡기 매니폴더 사이에 설치되어 있는 압축기와 축으로 연결되어 있어 이를 동시에 회전시킨다. 이 압축기가 공기를 압축하여 실린더로 보낸다.

실린더를 빠져나온 배기가 터빈 날개를 통과하면서 터빈을 회전시킨다. 배기량이 많은면 많을 수록 터빈은 더 빨리 돌아간다. 다른 한쪽 축에서는 압축기가 공기를 실린더로 펌프한다. 이 압축기는 원심펌프 타입이므로 날개 가운데로 공기를 흡수하여 회전하면서 바깥쪽으로 공기를 뿜어낸다.

분당 150,000번에 달하는 회전을 감당하려면 터빈 축은 매우 정교하게 지지되어야 한다. 대부분의 베어링들은 이 정도의 속도를 견디지 못하여 폭발하므로 터보차저는 액체 베어링을 사용한다. 일정하게 계속 공급되는 오일이 얇은 층을 이루어 축을 지지한다. 이는 두가지 역할을 한다. 하나는 축과 다른 부품들을 식혀주는 것이고 다른 하나는 큰 마찰저항이 없이 축이 회전하게 도와주는 것이다.  

위에서 보듯이 터보는 엔진에서 분출되는 배기로 터빈을 돌려 그 힘을 이용 흡기를 엔진으로 강제 주입하는 것이다.

 

◆ 터보 설계시 고려할 사항 

**. 너무 지나친 부스트
터보에 의하여 실린더로 압송되어지는 공기는 실린더에서 피스톤에 의하여 압축행정을 거치면서 또 다시 압축되는데 이 때 노킹이 일어날 위험이 많다. 노킹은 공기를 압축할 때, 공기의 온도가 높을 때 발생한다. 스파크 플러그가 방전하기 전에 조기 점화될 정도로 충분히 온도가 올라갈 수 있다. 그러므로 터보 차량은 노킹을 피하기 위하여 고 옥탄 연료가 필요한 것이다. 부스트 압이 실제로 높다면 노킹을 방지하기 위하여 압축비를 낮추어야 한다.

**. 터보 lag
터보차저의 중요 문제중의 하나가 바로 가속 페달을 밟아도 곧바로 파워가 올라가지 않는다는 것이다. 부스트가 발생하여 스피드가 올라가기 위해서는 1초 정도가 소요된다. 그 결과 악셀레이터를 밟을 때 잠간 지연되었다가 터보가 작동되면서 자동차가 앞으로 갑자기 돌진하는 느낌을 주는 것이다.

터보 레그를 줄이는 한가지 방법은 주로 무게를 줄임으로써 회전하는 부품들의 관성을 줄이는 것이다. 이러면 터빈과 압축기의 급가속이 가능하고 보다 빨리 부스트에 도달하는 것이다.

**. 작은 터보와 큰 터보차저
터빈과 콤프레샤의 관성을 줄이는 한가지 방법은 터보차저를 작게 만드는 것이다. 작은 터보는 저속에서 보다 빠른 부스트를 가능하게 한다. 하지만 많은 량의 공기가 엔진으로 압송되는 고회전 영역에서 큰 부스트의 시현을 불가능하게 한다. 그리고 고RPM에서 터빈을 지나치게 빨리 회전시키는 위험에 처할 수도 있다.

대용량 터보는 고회전 영역에서는 높은 부스트를 가능하게 하지만 무거운 터빈과 큼프레샤를 가속하기 위하여 걸리는 시간에 의한 터보 래그는 감수하여야 한다.

 

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