과급기

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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 스크류를 회전시켜서 공기를 압축하는 방식이다.

• 장점

  터보차저에 비해 저속구간부터 엔진의 동력을 활용하여 차저를 작동시키므로 반응성이 높다. 다만 터보차저가 발달하면서 일상적인 주행영역인 2,000 RPM 정도에서 최대 부스트압이 나오도록 설계된 제품들이 출시되면서 슈퍼차저의 입지가 좁아지고 있다.

• 단점
  • 엔진 동력을 일부 사용하는 특성상 고속주행 등 고출력이 요구되는 상황에서 엔진 출력의 일부가 항상 슈퍼차저를 돌리는데 소모되어 효율성이 저하된다.
  • 엔진과 직접 연결되는 구조상 동력계통에 직접적인 수정을 가해야 하므로 터보차저에 비해 애프터마켓 튜닝이 어렵다. 수퍼차저 장착 차량을 보면 후드 위로 뚫고 나온 경우가 많은 데, 애프터마켓 수준에서는 엔진룸에 공간을 만들기 어렵기 때문이다.

터보차저

엔진에서 배출된 고압의 배기가스가 터보차저에 설치된 터빈을 돌리면서 엔진에 공급되는 공기의 압력을 높여주는 방식이다.

• 장점
  • 엔진 동력의 일부를 사용하는 슈퍼차저와는 다르게, 터보차저는 엔진에서 배출된 배기가스를 재활용하므로 엔진 출력 저하가 발생하지 않는다.
  • 엔진과 연결되어 구조가 복잡한 슈퍼차저에 비해 상대적으로 엔진 배기라인과 흡기라인에 터보차저를 장착하는 정도로 구조가 간단하여 애프터마켓 튜닝도 손쉽게 가능한 편이다.
• 단점
  • 터빈이 일정한 수치 이상으로 회전력을 발휘하기 전까지는 과급압이 낮아 출력상승이 미미하다가 세팅된 터빈 회전수를 만족하면 폭발적인 출력상승이 발휘되는 구조상 출력상승 지연시간인 이른바 터보랙(Turbo-lag)이 발생한다.
  • 터빈은 엄청난 속도로 회전하기 때문에 시간이 지날수록 터빈 블레이드의 내구성이 떨어질 수 있으며, 터빈의 회전을 유지시키는 베어링과 같은 부품에 지속적으로 엔진오일이 공급되므로 엔진오일 소모가 많은 등 유지관리 요소가 존재한다.

트윈차저

슈퍼차저와 터보차저를 모두 장착한 경우를 말한다. 저속 구간에서는 슈퍼차저가 개입하여 터보랙을 최소화하고, 고속 구간에서는 터보차저의 개입으로 최대 출력을 뽑아내는 개념. 물론 2가지 과급기를 모두 장착하기 때문에 엔진룸의 구조가 복잡해지고 차량의 제작단가가 높아지는 등 대중적인 방식은 아니다.

관련용어

• 인터쿨러

  Intercooler의 역할은 과급기를 통해 압축된 공기를 식혀주는 것이다. 압축된 공기는 온도가 높아지게 되면서 열팽창에 의해 공기의 밀도가 떨어지고, 결과적으로 압축된 공기안의 산소 농도도 약해지므로 연소 효율이 떨어지게 되어 출력 저하로 이어질 수 있다. 따라서 과급기를 거친 고온 고압의 공기를 인터쿨러를 통해 적정수준의 온도로 냉각시켜 연소효율을 높이는 것이다. 인터쿨러는 크게 공랭식과 수냉식으로 구분되는데, 아무래도 확실한 냉각에는 수냉식의 효율이 좋은 편이다.

• VGT

  Variable Geometry Turbocharger의 약자로서, 가변형상 터보차저를 의미한다. 터보랙을 최소화하기 위해 도입된 개념으로, 저속 구간에서 유입되는 배기가스의 양이 적어서 터보차저의 효율이 발휘되지 않는 상황을 개선하기 위하여 배기가스의 흐름을 조절하는 베인 컨트롤 액츄에이터가 개입하여 터빈 블레이드(Vane)의 각도를 조절하면서 배기가스의 통로의 폭을 좁히거나 넓히는 가변형상을 적용하면서 터빈의 회전속도를 조절한다는 개념이다. 즉 배기압이 낮은 저속구간에서는 터빈 블레이드의 각도를 세워서 회전수를 높이는 효과를 발휘하고, 고속구간에서는 터빈 블레이드의 각도를 낮춰서 터빈의 회전수를 유지시키는 개념. ECU의 개입을 통해 능동적으로 액츄에이터를 조절하는 전자제어식이 적용될 경우 EVGT, e-VGT라 불리기도 한다.

• 트윈스크롤

  터보차저에 적용되는 기술로서, 터보차저에 연결된 배기 통로를 2개 설치하여 배기가스의 간섭을 최소화하는 개념이다. 특히 터보랙이 발생하는 저속 영역에서 배기 통로가 1개로 뭉쳐있으면 낮은 압력의 배기가스가 서로 간섭을 일으켜 배기가스의 흐름이 약해질 수 있으므로, 저속 영역에서는 입구가 좁은 배기 통로를 개방하여 배기가스의 압력을 높여 터보랙을 단축시키고, 고속 영역에서는 배기 통로 2개를 모두 개방하여 고압의 배기가스를 원활하게 배출할 수 있도록 한다.

• 트윈터보(트리플, 쿼드)

  말 그대로 터보차저를 2개 장착한 경우를 의미한다.(3개면 트리플, 4개면 쿼드..) 트윈터보는 단순히 터보차저를 2개 부착하는 방식과 저속 영역의 터보와 고속 영역의 터보를 설치한 이른바 시퀀셜 트윈터보라는 개념이 존재한다. 터보차저가 많이 설치될 수록 엔진룸의 공간은 좁아지기 마련이고, 고열이 발생하는 터보차저의 특성상 엔진룸의 내부의 강력한 냉각성능이 요구된다. 물론 생산비용도 그만큼 높아지게 될 것이다. 트윈터보는 주로 고성능을 추구하는 대배기량 고회전 가솔린 엔진에 적용되며, 디젤 엔진에는 3~4개의 터보차저를 결합하여 배기량 대비 출력을 극대화한 모델이 소수 존재한다.