과급기

과급기는 내연기관의 효율성을 높이기 위하여 고안된 장치이다.

역사

독일의 고틀립 다임러에 의해 고안되었으며, 원리는 모터를 통해 압축된 공기를 실린더에 밀어넣는 공기펌프와 유사하다. 1920년에 메르세데스-벤츠와 벤틀리의 차량에 적용되었으며 특히 고공에서 공기의 밀도가 낮아져서 효율이 떨어지는 항공기의 엔진에는 과급기가 필수적인 요소가 되었다.

원리

가솔린이나 디젤 등 화석연료를 사용하는 내연기관은 실린더 내부에 연료와 공기를 혼합한 가스를 넣은 후 점화하여 폭발하는 반작용으로 피스톤을 밀어내면서 동력을 생성하게 된다. 폭발하는 과정에서 실린더 내부의 산소의 양에 따라 효율이 변하게 되는데, 과급기를 통해 높은 압력으로 압축된 공기를 주입하면서 산소의 농도를 대기압보다 훨씬 높일 수 있으며 불완전 연소를 그만큼 줄일 수 있으므로 이산화탄소 배출량이 감소하고 열효율은 높아져서 그만큼 더 강한 출력을 얻을 수 있게 된다. 따라서 과급기는 일종의 공기압축기라고 생각할 수 있다.

적용분야

비행기

고도가 높아지면 그만큼 대기의 밀도가 감소하게 되므로 높은 고도를 비행하는 항공기의 엔진에는 과급기가 필수적이다. 즉 희박한 공기를 과급기를 통해 고압으로 압축시켜 지상의 조건과 유사하게 엔진의 출력을 유지할 수 있도록 해주기 때문이다. 과급기가 없다면 고도가 높아질수록 항공기의 연비는 극도로 나빠질 것이고 그만큼 항속거리도 크게 감소하였을 것이다.

자동차

애초에 과급기가 개발된 목적이 자동차의 성능 향상을 위함이었으므로 현재에도 과급기에 대한 꾸준한 연구와 개량이 진행되고 있다. 특히 디젤 엔진은 압축 착화식의 특성상 과급기를 통해 높은 압력과 온도의 공기를 실린더 내부에 주입하면서 가솔린보다 높은 발화점을 가지는 디젤의 점화 타이밍을 단축시키면서 불완전 연소를 낮출 수 있으므로 항공기의 엔진과 마찬가지로 필수적인 요소로 자리잡았다. 가솔린 엔진의 경우 자동차 배기가스로 유발되는 환경오염에 대한 규제가 심해지는 추세여서 오염물질 배출을 줄이려는 목적에서 배기량을 줄이는 대신 과급기를 통해 성능저하를 방지할 수 있다. 물론 고성능을 추구하는 스포츠카나 경주용 자동차들 역시 과급기를 적극적으로 채용하고 있다.

선박

선박의 엔진도 과급기가 필수적인 요소이다. 비행기나 자동차와는 비교할 수 없는 육중한 덩치의 대형 상선이나 군함을 기동하기 위해서 요구되는 강력한 동력을 충족시키기 위해서는 과급기를 통한 효율성 증대가 필연적이기 때문이다. 또한 대형 선박은 연료비가 비싼 가솔린이나 순수한 디젤을 사용하지 않고 등급이 낮은 중유(주로 벙커-C유와 같은)를 디젤과 혼합하는 식으로 사용하기 때문에 불완전 연소를 최대한 방지할 필요가 높아 과급기를 통해 고농도의 산소 공급이 요구된다.

과급기의 종류

슈퍼차저

슈퍼차저는 엔진과 연결된 폴리에 의해 동력을 전달받아 로터를 회전시켜서 공기를 압축하는 방식이다. 엔진의 힘을 어느 정도 소모하며, 저속 구간에서는 효율이 좋으나 고속 구간에서는 제한적인 회전수로 출력 향상에 제한이 발생한다는 단점이 있다.

터보차저

엔진에서 배출된 고압의 배기가스가 터보차저에 설치된 터빈을 돌리면서 엔진에 공급되는 공기의 압력을 높여주는 방식이다. 엔진 동력을 일정부분 활용하는 슈퍼차저와 다르게 배기가스를 재활용하는 개념으로 엔진의 출력을 소모시키지 않는다는 장점이 있고, 터빈의 회전속도가 슈퍼차저보다 월등히 높아 고속 구간에서도 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 다만 터빈이 일정수준 이상으로 회전력을 얻기 전까지는 효율이 떨어지는 이른바 터보랙 현상이 발생한다.