터보차저

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1. 개요

터보차저는 배기가스의 에너지를 활용하여 엔진의 출력을 높이는 과급 장치이다. 1905년 스위스 엔지니어 알프레드 뷔히가 특허를 획득한 이후, 항공기, 자동차, 선박 등 다양한 분야에 적용되어 왔다. 터보차저는 자연흡기 엔진보다 높은 출력을 낼 수 있지만, 터보랙, 가격 상승, 정비 비용 증가 등의 단점도 존재한다. 기술 발전으로 트윈 스크롤 터보차저, 가변 형상 터보차저, 전동 어시스트 터보차저 등이 개발되었으며, 주요 제조사로는 가렛 모션, 보그워너, 미쓰비시 중공업 등이 있다. 터보차저 엔진은 질소산화물 배출 증가, 오일 누출로 인한 환경 오염 등의 문제를 야기할 수 있다.

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터보차저
지도 정보
기본 정보
명칭	터보차저
다른 이름	과급기
영어 명칭	turbocharger
일본어 명칭	ターボチャージャー (Tābōchājā)
기술 정보
작동 원리	배기가스 에너지를 이용하여 터빈을 회전시켜 공기를 압축하여 엔진으로 공급하는 장치
주요 구성 요소	터빈 압축기 연결 축
작동 방식	배기가스 흐름으로 터빈 회전 터빈과 연결된 압축기가 공기 흡입 및 압축 압축된 공기가 엔진 실린더로 유입
과급 방식	강제 흡입 방식
사용 연료	가솔린, 디젤 등
주요 효과	엔진 출력 증가 연료 효율 개선 배기가스 감소
냉각 방식	인터쿨러 또는 오일 냉각
역사
초기 개발	고틀리프 다임러에 의해 개발
항공기 사용	항공기 엔진의 고고도 성능 향상을 위해 사용
자동차 사용	1960년대부터 자동차에 사용되기 시작
관련 역사	제너럴 일렉트릭 개릿 모션 보그워너
종류
싱글 터보차저	단일 터빈과 압축기 사용
트윈 터보차저	두 개의 터보차저 사용 (병렬 또는 순차적)
가변 지오메트리 터보차저	터빈 베인의 각도를 조절하여 효율 향상
트윈스크롤 터보차저	배기가스 흐름을 분리하여 효율 향상
장단점
장점	엔진 출력 증가 연료 소비 감소 배기가스 감소
단점	터보 래그 발생 가능성 복잡한 구조 높은 제조 비용
기타
참고 자료	터보차저 작동 방식 터보 과급기와 항공기 동력 장치

2. 역사

터보차저는 1878년 스코틀랜드 엔지니어 더걸드 클럭이 설계한 과급식 2행정 가스 엔진 제작과 함께 시작되었고, 1885년 고틀리브 다임러는 내연 기관에 공기를 강제로 주입하는 기술을 특허 받았다.^[5]^[6]

1905년 술처에서 근무하던 스위스 엔지니어 알프레드 뷔히가 터보차저 특허를 획득하며 터보차저의 탄생으로 여겨진다.^[7]^[8]^[9] 1916년 프랑스 오귀스트 라토가 프랑스 전투기의 르노 엔진용 터보차저 특허를 출원했고,^[10]^[14] 1917년 미국 항공자문위원회(NACA)와 샌포드 알렉산더 모스는 터보차저가 4250m 고도까지 엔진 동력 손실을 막을 수 있음을 보였다.^[10]

최초 상용화는 1924년에 이루어졌고,^[15] 1925년 뷔히는 10기통 디젤 엔진에 터보차저를 설치하여 출력을 높였다.^[16]^[17]^[18] 이 엔진은 독일 여객선에 사용되었으며, 이후 해양, 철도 차량 및 대형 고정식 응용 분야로 확장되었다.^[13]

제2차 세계 대전 중에는 보잉 B-17 플라잉 포트리스를 비롯한 여러 항공기에 사용되었다.^[10]^[19] 1930년대 스위스 자우러는 트럭에 터보차저를 적용했다.^[20]

1950년대 자동차 회사들이 연구를 시작했지만, "터보랙"과 크기 문제가 있었다.^[8]^[13] 1962년 쉐보레 코베어 몬자와 올즈모빌 젯파이어가 최초의 터보차저 자동차였다.^[23]^[24]

일본은 1942년 2행정 디젤 엔진에 터보차저를 도입했지만,^[62] 군용 선박 도입은 종전까지 이루어지지 않았다. 1978년 선박용 2행정 디젤 엔진에 정압 과급 방식 터보차저가 도입되어 열효율이 향상되었고, 1979년 닛산 세드릭/글로리아에 처음 채용되었다.

2005년 이후 폭스바겐을 필두로 엔진 다운사이징과 함께 터보차저가 확대되고 있다.

2. 1. 초기 역사

1905년 스위스의 엔지니어 알프레드 뷔히는 배기가스로 구동되는 터보차저에 대한 특허를 획득했다.^[7]^[8]^[9] 이는 터보차저의 탄생으로 여겨진다.^[7]^[8]^[9] 1915년 뷔히는 최초의 터보차저 시제품을 완성했으나, 신뢰성 문제로 양산에는 이르지 못했다.^[12] 1925년 뷔히는 10기통 디젤 엔진에 터보차저를 성공적으로 설치하여 출력을 1750hp에서 2500hp로 크게 향상시켰다.^[16]^[17]^[18] 이 엔진은 독일 교통부에서 ''프로이센''과 Hanestadt Danzig|한자슈타트 단치히^de라는 두 대의 대형 여객선에 사용되었다.^[13]

2. 2. 항공기 엔진 적용

미국에서는 제1차 세계 대전 말기에 항공기용 엔진용 터보차저가 개발되어 고고도 비행이 가능해지는 등 다른 국가에 앞선 연구가 진행되었다. 1930년대 중반에는 차세대 군용기용 성능 향상 장비로 본격적인 양산화가 진행되어 1930년대 후반에는 양산 체제가 갖춰졌으며, 제2차 세계 대전에서 연합국 측 항공 전략의 우세에 기여했다.

1950년대까지 항공기 엔진은 대부분 왕복 엔진이었기 때문에, 기압이 낮은(산소가 적은) 고공에서의 출력 유지를 위해 과급기 연구가 진행되었다. 초기에는 기계식 슈퍼차저만 채택되었지만, 점차 터보차저를 사용하는 기종도 등장하게 되었다(대표적인 예: B-29, P-38, P-47).

엔진 출력을 일정하게 유지하기 위해, 터빈에 보내는 배기를 고도에 따라 자동으로 조절하는 근로 밸브라는 장치가 사용되었다. 이 밸브는 바이패스 유로를 개폐하여 기압이 낮은 고고도에서는 터빈에 더 많은 배기를 보내 흡기 압력을 높이고, 기압이 높은 저고도에서는 터빈에 보내는 배기를 줄여 흡기 압력을 낮춘다. 이러한 방식으로 지상에서 임계고도까지는 일정한 엔진 출력을 유지할 수 있지만, 임계고도 이상에서는 엔진 출력이 저하된다.^[65]

한편, 일본에서는 미국을 따라 항공기용 터보차저 연구가 진행되었지만, 시제품 수준의 것이 전투기인 '레이덴'과 '5식 전투기'에 탑재된 예가 있을 뿐, 내열 합금 등을 포함한 기술적 난제를 극복하지 못해 실용화에는 실패했다.

현대에는 제트 엔진이나 터보프롭 엔진의 고성능화에 따라 왕복 엔진을 채용하는 것은 소형기로 한정되어 있다. 그러나 고공 성능보다는 엔진 크기를 줄이면서 출력을 높이기 위해 터보차저가 탑재되기도 한다. 참고로, 왕복 엔진에 터보차저를 장착해도 면허는 자연흡기와 동일하게 '피스톤'으로 분류되므로, 설계는 그대로 두고 엔진만 터보차저 장착형으로 교체한 기체를 상위 모델로 하는 제작사도 있다.

2. 3. 자동차 엔진 적용

1962년 미국의 제너럴 모터스(GM)가 올즈모빌 F85와 쉐보레 콜베어에 터보차저를 옵션으로 처음 설정하였다.^[62] 1973년에는 BMW 2002 터보가 유럽 최초의 터보차저 장착 자동차로 출시되었다.^[62] 1979년의 닛산 세드릭/글로리아는 일본 및 대한민국 최초로 터보차저를 탑재한 모델이었다.^[62]

1980년대 후반 일본에서는 보통 승용차(3넘버)와 소형 승용차(5넘버) 간의 자동차세 차이가 커서(5넘버 39,500엔, 3넘버 3,000cc 미만 81,500엔), 소형 승용차의 배기량 상한인 2,000cc 엔진에 터보차저를 장착한 차종이 고급차와 스포츠카를 중심으로 증가했다.

2000년대 이후, 엔진 다운사이징 추세와 함께 터보차저 적용이 확대되었다. 폭스바겐은 2005년 이후 엔진을 소배기량화하고 터보차저로 토크나 마력을 보충하는 차종을 늘리고 있으며, 다른 유럽 제조사도 뒤따르고 있다. 2013년 이후에는 일본 제조사도 연료 분사의 직분사화와 함께 터보 탑재를 진행하고 있다.

2. 4. 대한민국 자동차 산업에서의 터보차저

1979년 닛산 세드릭/글로리아를 통해 국내에 처음 소개되었다. 1980년대에는 일본에서 보통 승용차(3넘버)와 소형 승용차(5넘버) 간의 자동차세 차이가 커, 소형 승용차 배기량 상한인 2,000cc 엔진에 터보차저를 장착한 차종이 고급차와 스포츠카를 중심으로 증가했다.^[62]

2010년대 이후, 현대자동차와 기아자동차를 중심으로 터보차저 기술 개발 및 적용이 가속화되고 있다. 특히, 쏘나타, 그랜저 등 주력 모델에 터보 엔진이 탑재되면서, 대한민국 자동차 시장에서 터보차저의 대중화가 이루어졌다.

3. 작동 원리

배기가스의 에너지(온도·압력)를 이용해 터빈을 고속 회전시켜, 그 회전력으로 압축기를 구동하여 압축한 공기를 엔진 내부로 보낸다. 이를 통해 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입·폭발시켜 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻게 된다. 일반적으로 엔진 회전수가 2000rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압한다.^[25]^[26]^[27]

터보차저는 엔진의 기본 한계를 뛰어넘어 체적 대비 출력 효율을 높이기 위한 장치이다. 자연흡기 방식의 엔진에서는 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려올 때(흡입행정) 실린더 내부의 체적 변화로 압력이 대기압 이하로 낮아지면서(진공 상태) 공기와 연료의 혼합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다. 흡입된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발 행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 커지기 때문에, 연소실로 공급되는 공기 양과 이에 따른 연료 양은 엔진의 한계를 결정하는 중요한 요소가 된다.

터빈의 회전 속도는 자동차용 가솔린 엔진 등 소형의 경우 200,000RPM(매분 20만 회전)를 넘기도 하며^[61], 뜨거운 배기가스(800~900℃)를 직접 받기 때문에^[61] 그 열에 의해 터빈이나 하우징이 붉게 발광할 정도이다.

엔진이 흡입하는 공기의 밀도를 높여 더 많은 산소를 연소실로 보내고, 더 높은 연소 에너지를 얻는 것을 과급이라고 하는데, 압축기의 동력을 엔진 출력축에서 얻는 기계식 과급기와 비교하여 일반적으로 폐기되는 배기가스의 운동 에너지를 회수하여 구동하기 때문에 효율이 높다.

고온의 배기가스를 직접 받는 터빈의 베어링은 엔진 오일로 윤활되는 경우가 많으며, 엔진에는 고온 환경에 견딜 수 있는 성능이 요구된다. 엔진을 정지하면 오일 펌프에 의한 순환이 멈추기 때문에, 고부하 운전으로 고온이 된 상태에서 엔진을 정지하면 베어링의 열손상이나, 정체된 오일이 슬러지(sludge)를 발생시키는 원인이 된다. 이를 방지하기 위해 자동차 취급 설명서 등에서는 엔진을 정지하기 전에 아이들링(공회전)을 계속하여 열을 식히는 것이 권장되고 있다.

3. 1. 구성 요소

터보차저는 주로 배기가스의 흐름을 이용해 회전하는 '''터빈''', 터빈의 회전력을 전달하는 샤프트, 전달된 터빈의 회전력으로 공기를 흡입하여 압축하는 '''압축기(컴프레서)''', 그리고 터빈과 컴프레서 주변의 흐름을 제어하는 '''하우징'''으로 구성된다.^[61] 압축기에는 원심 압축기가 사용되며, 터빈과 압축기는 하나의 샤프트 양쪽 끝에 고정되어 있어 같은 회전 속도로 회전한다.

터보차저의 단면 모형. 빨간 부분으로 배기가스가 유입되고, 파란 부분에서 흡기가 압축된다.

터보차저의 주요 구성 요소는 다음과 같다:

'''터빈''': 배기가스의 에너지를 회전 운동으로 변환하는 장치이다. 일반적으로 레이디얼 터빈 설계가 사용된다.
'''압축기''': 터빈의 회전력을 이용하여 공기를 압축하는 장치이다. 원심 압축기가 주로 사용된다.
'''하우징''': 터빈과 압축기 주변의 배기가스 및 공기의 흐름을 제어하는 역할을 한다.
'''센터 허브 회전 조립체 (CHRA)''': 터빈과 압축기를 연결하는 샤프트를 지지하고, 베어링을 통해 고속 회전을 가능하게 한다. 더 가벼운 샤프트는 터보랙을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.^[43]

가렛(Garrett Motion) GT30의 압축기 하우징을 제거한 압축기 부분

터빈은 배기 매니폴드에서 유입된 배기가스를 터빈 입구로 보내 날개를 회전시킨다. 터빈 하우징은 터빈 부분을 통과하는 가스 흐름을 유도하며, 터빈 자체는 최대 250,000 rpm의 속도로 회전할 수 있다.^[28]^[29]

압축기는 엔진 흡기 시스템을 통해 외부 공기를 흡입하여 가압한 다음 연소실(흡기 매니폴드를 통해)로 공급한다. 압축기는 임펠러, 디퓨저 및 볼루트 하우징으로 구성된다.

일부 CHRA는 수냉식이며 엔진 냉각수가 흐르도록 파이프가 있다. 수냉의 한 가지 이유는 터보차저의 윤활유가 과열되는 것을 방지하기 위해서이다.

3. 2. 작동 과정

배기가스의 에너지(온도·압력)를 이용해 터빈을 고속 회전시켜, 그 회전력으로 원심식 압축기를 구동하여 압축한 공기를 엔진 내부로 보내는 구조로 되어 있다. 이것에 의해, 내연기관 본래의 흡기량을 넘는 혼합기를 흡입·폭발시키는 것을 통해 외관의 배기량을 넘는 출력을 얻게 된다. 일반적으로 기관 회전수가 2000rpm 이상 되어야 터보차저가 흡입되는 공기를 가압한다.

터보차저는 엔진의 기본 한계를 뛰어넘어 체적 대비 출력 효율을 높이기 위한 목적을 가지고 있다. 자연흡기 방식의 엔진에서는 피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려올 때(흡입행정) 실린더 내부의 체적 변화로 압력이 대기압 이하로 낮아지면서(진공 상태) 공기와 연료의 혼합기가 자연스럽게 실린더로 흡입된다. 흡입된 공기와 연료 혼합기의 양이 많아져야 폭발 행정에서 피스톤을 밀어내는 힘이 커지기 때문에, 연소실로 공급되는 공기 양과 이에 따른 연료 양은 엔진의 한계를 결정하는 중요한 요소가 된다.

터보차저는 달팽이 모양의 용기 안에 터빈과 가스압축기(compressor)가 하나의 축에 연결된 구조로 이루어져 있고, 배기 매니폴드에서 유입된 배기가스를 터빈 입구로 보내 터빈의 날개를 회전시킨다. 이 회전력으로 가스압축기를 동작시키고, 가스압축기는 공기를 압축해 엔진의 공기 흡입구로 전달하게 된다. 압축된 공기는 더 많은 연료와 혼합되고 이 혼합기가 엔진 실린더 안으로 전달되어 엔진의 효율을 높이는 것이다.

터빈의 회전 속도는 자동차용 가솔린 엔진 등 소형의 경우 200,000RPM(매분 20만 회전)를 넘는 것도 있다. 뜨거운 배기가스(8~900℃)를 직접 받기 때문에 그 열에 의해 터빈이나 하우징이 붉게 발광할 정도다.

4. 장단점

터보차저는 엔진의 출력과 효율을 높이고 배기가스를 줄이는 데 기여하지만, 몇 가지 장단점을 가지고 있다.

터보차저는 배기가스의 흐름을 이용해 터빈을 회전시키고, 이 회전력으로 공기를 압축하여 엔진에 공급한다. 이러한 과급을 통해 엔진은 더 많은 산소를 연소시켜 더 높은 출력을 낼 수 있다. 특히, 슈퍼차저와 달리 배기가스의 버려지는 에너지를 활용하기 때문에 효율이 높다.^[63]

하지만 터보차저는 엔진룸 레이아웃을 복잡하게 만들고, 터보랙 현상을 유발할 수 있다. 터보랙은 저속에서 고속으로 급가속할 때 터빈이 충분한 속도에 도달하지 못해 발생하는 지연 현상이다. 또한, 터보차저의 베어링은 고온에 노출되므로 내열성이 중요하며, 엔진 오일의 열화가 발생하기 쉽다.

과급으로 인해 연소 온도가 높아지면 노킹 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 압축비를 낮추거나 연료를 더 많이 사용하는 경우가 있는데, 이는 연비 저하로 이어질 수 있다. 그러나 최근에는 가솔린 직분사 엔진 기술 덕분에 노킹 문제가 개선되어, 엔진 다운사이징과 함께 터보 엔진이 일반 승용차에도 널리 사용되고 있다.

4. 1. 장점

터보차저는 동일 배기량의 자연흡기 엔진보다 더 높은 출력을 낼 수 있다.
배기가스 에너지를 재활용하여 슈퍼차저 엔진보다 더 높은 열효율을 가진다. 버려지는 열과 압력을 공기 압축에 사용하기 때문이다.
터보차저는 다른 과급 시스템에 비해 작고 가벼워 엔진 격납실에 쉽게 장착할 수 있다.

엔진 출력축에서 동력을 얻는 슈퍼차저와 달리, 터보차저는 배기가스의 열이나 운동 에너지로 버려지는 에너지(배기 손실)의 일부를 이용해 구동한다. 따라서 엔진 출력축의 기계 손실이 없고, 약간의 배기 저항만 발생한다.
실린더 내 연소에서 얻어지는 에너지 중 배기 손실은 40% 정도인데, 터보차저는 이 중 7~10%를 회수할 수 있다고 여겨진다.^[63]
과급기는 흡입 공기를 기관에 압송하여 단위 배기량당 출력을 향상시킨다.
2010년 이후의 승용차에서는 배기량을 줄이는 대신 과급기를 사용하여 출력을 보충하고, 종합적으로 연비를 개선하는 엔진 다운사이징이 유행하고 있다. 일반 승용차에서도 터보 엔진을 채용하는 것이 매우 일반적이 되고 있다.

4. 2. 단점

크기가 맞지 않는 터보차저를 사용하면 반응성이 떨어진다. 너무 큰 터보차저를 사용하면 가속 반응이 감소하지만, 최대 출력은 더 높아진다.^[47]
부스트 역치(boost threshold)가 있다. 터보차저가 부스트를 시작하려면 엔진이 특정 엔진회전수(rpm)까지 도달해야 한다. 배출가스의 양이 충분치 않으면 정지해 있는 터보 프로펠러를 돌리기 어렵기 때문이다.^[47]
운전자가 가속페달을 밟은 후 터보차저가 동작할 때까지 시간 지연이 발생하는데, 이를 터보랙(turbo-lag)이라 한다. 이 현상은 과급기에서 과급이 되는 정도까지 배기가스를 공급해 줄 때만 터보의 기능을 하기 때문이다.^[47]
터보차저는 자연흡기 방식 엔진보다 부품 비용이 더 든다.^[47]
자동차 경주에 있어서 부스트 역치는 단점으로 작용한다. 가속이 시작되어 터보차저가 동작하기 전까지 엔진 출력의 크기를 예상할 수 없다. 이때 오버스티어 현상을 일으키기도 한다.^[47]

터보랙(Turbo lag)은 엔진 회전 속도(rpm)가 터보차저의 작동 범위 내에 있을 때, 스로틀을 밟는 순간부터 터보차저가 회전하여 부스트 압력을 발생시키기까지 발생하는 지연을 말한다.^[47]^[48] 이러한 지연은 스로틀이 갑자기 열린 후 증가하는 배기가스 흐름이 터빈을 부스트가 생성되는 속도로 회전시키는 데 시간이 걸리기 때문이다.^[49] 터보랙의 영향으로 동력 전달이 지연되는 형태의 스로틀 응답이 감소한다.^[50] 슈퍼차저는 압축기 메커니즘이 엔진에 의해 직접 구동되기 때문에 터보랙이 발생하지 않는다.

터보랙을 줄이는 방법은 다음과 같다.

더 작은 반경의 부품과 세라믹 및 기타 가벼운 재료를 사용하여 터보차저의 회전 관성을 낮춘다.
터빈의 ''종횡비 (A/R 비율)''를 변경한다.
상부 데크 공기압(압축기 배출구)을 증가시키고 웨이스트게이트 응답을 개선한다.
베어링 마찰 손실 감소를 위해, 기존 오일 베어링 대신 박막 베어링을 사용한다.
가변 노즐 또는 트윈 스크롤 터보차저를 사용한다.
상부 데크 배관의 부피를 감소시킨다.
여러 개의 터보차저를 순차적 또는 병렬로 사용한다.
앤티랙 시스템을 사용한다.
터보차저 스풀 밸브를 사용하여 (트윈 스크롤) 터빈으로의 배기가스 흐름 속도를 증가시킨다.
버터플라이 밸브를 사용하여 터보 인렛의 더 작은 통로를 통해 배기가스를 강제로 통과시킨다.
전기 터보차저^[51] 및 하이브리드 터보차저를 사용한다.

터보랙으로 종종 잘못 인식되는 유사한 현상이 바로 부스트 임계값이다. 이는 엔진 속도(rpm)가 현재 터보차저 시스템의 작동 범위보다 낮아 엔진이 상당한 부스트를 생성할 수 없는 경우이다. 저 rpm에서는 배기가스 유량이 터빈을 충분히 회전시킬 수 없다.

부스트 임계값은 저 rpm에서 동력 전달 지연을 발생시키는 반면(부스트되지 않은 엔진이 차량을 가속하여 rpm을 부스트 임계값 이상으로 높여야 하기 때문), 터보랙은 고 rpm에서 동력 전달 지연을 발생시킨다.

흡기 배관과 배기 배관 모두 터보차저를 경유하기 때문에 엔진룸의 레이아웃이 복잡해진다. 또한, 자동차와 같이 엔진의 회전 속도가 운전 중에 크게 변동하는 용도에서는 저속 회전부터 고속 회전으로의 과도 운전 시, 터빈이 충분한 과급압을 얻을 수 있는 회전 속도에 도달할 때까지 지연이 발생하는 터보랙 현상이 발생하기 쉽다. 즉, 스로틀 조작에 대한 엔진의 출력 상승에 지연이 생기기 쉽다. 터보차저의 베어링은 고온이 되기 때문에 내열성이 높은 볼 베어링이 사용되는 경우가 많거나, 오일을 순환시켜 냉각·윤활을 하는 경우가 많다. 자동차와 같은 용도에서는 엔진 오일로 냉각·윤활하기 때문에 엔진 오일의 열화가 진행되기 쉽다.

터보랙의 영향을 작게 하기 위해, 터빈의 경량화나 터보차저를 소형화하는 등의 방책이 각 메이커에서 행해지고 있다. F1에서는 2014년부터, 터보를 사용하여 모터(MGU-H)를 돌려 발전하는 「열 회생」이 인정되었기 때문에, 반대로 MGU-H에 전력을 흘려 강제적으로 터빈을 돌림으로써 터보랙을 해소하는 수법이 도입되었다.

과급기는 흡입 공기를 기관에 압송하기 때문에, 단위 배기량당 출력이 향상된다. 그러나 한편으로는 출력 증가에 따라 연소 온도가 높아지고 실린더 내압이 높아지기 때문에 헤드 가스켓, 실린더 헤드, 실린더 블록의 강도와 피스톤의 내열성을 높일 필요가 있다. 컴프레서에 의한 압축과 터빈으로부터의 열전도에 의해 흡기 온도가 높아진다. 인터쿨러로 압축 후의 흡기를 냉각하여 공기 충전율을 향상시키는 경우도 많다.

휘발유 엔진의 경우, 과급에 의해 엔진의 압축 행정에서 혼합기가 더 고온이 되기 때문에 노킹이 발생하기 쉽다. 이러한 대책으로 동형식의 자연흡기 엔진보다 압축비를 낮게 설정하거나, 공연비를 농후하게 설정하는 경우가 있다. 압축비를 낮추면 과급 효과를 얻을 수 없는 회전 영역에서 열효율이 저하되어 자연흡기 엔진보다 출력이 저하된다. 또한 공연비를 농후하게 함으로써 연비가 악화된다.

5. 기술 발전

터보차저 기술은 지속적으로 발전하여 터보랙 감소와 효율성 향상을 이루어 왔다.
터보랙은 스로틀을 밟는 순간부터 터보차저가 작동하여 부스트 압력을 발생시키기까지 발생하는 지연 현상이다.^[47]^[48] 이는 배기가스 흐름이 터빈을 회전시키는 데 시간이 걸리기 때문에 발생한다.^[49] 터보랙은 스로틀 응답을 감소시켜 동력 전달을 지연시킨다.^[50] 반면, 슈퍼차저는 엔진에 의해 직접 구동되므로 터보랙이 발생하지 않는다.

터보랙을 줄이는 방법은 다음과 같다:

터보차저의 회전 관성을 낮추기 위해 더 작은 부품, 세라믹 등 가벼운 재료 사용
터빈의 종횡비 변경
상부 데크 공기압 증가 및 웨이스트게이트 응답 개선
박막 베어링 사용 등 베어링 마찰 손실 감소
가변 노즐 또는 트윈 스크롤 터보차저 사용
상부 데크 배관 부피 감소
앤티랙 시스템 사용
터보차저 스풀 밸브를 사용하여 터빈으로의 배기가스 흐름 속도 증가
버터플라이 밸브를 사용하여 터보 인렛의 더 작은 통로를 통해 배기가스를 강제로 통과
하이브리드 터보차저 및 전기 터보차저^[51] 사용

부스트 임계값은 엔진 속도가 터보차저 시스템의 작동 범위보다 낮아 엔진이 충분한 부스트를 생성할 수 없는 현상으로, 터보랙과 혼동되기도 한다.

터보차저와 슈퍼차저의 주요 차이점은 슈퍼차저는 엔진에 의해 기계적으로 구동되는 반면, 터보차저는 엔진의 배기가스에 의해 구동된다는 점이다.^[52] 터보차저는 엔진에 직접적인 기계적 부하를 가하지 않지만, 배기 역압을 증가시켜 펌핑 손실을 증가시킨다.^[52]

인터쿨러는 압축된 공기를 냉각하여 밀도를 높여 엔진 출력을 향상시키고,^[45] 웨이스트게이트는 과도한 부스트 압력을 제한하며, 블로우오프 밸브는 스로틀이 닫힐 때 압축기에서 발생하는 압력 서지를 방지한다.

이 외에도 저압터보, 쓰리휠터보(TWT) 등의 기술이 개발되었다. 쓰리휠터보는 흡기, 배기 외에 저속 회전을 돕는 휠을 추가한 것으로, 넓은 의미로는 전동 어시스트 터보도 포함되지만 주로 유압을 이용해 오일 터빈을 회전시켜 보조하는 방식에 사용된다.

5. 1. 트윈 스크롤 터보차저

트윈 스크롤 터보차저는 각 실린더에서 배출되는 배기가스의 흐름 맥동을 이용하기 위해 두 개의 분리된 배기가스 유입구를 사용한다.^[34] 표준(싱글 스크롤) 터보차저는 모든 실린더의 배기가스가 결합되어 단일 흡입구를 통해 터보차저로 들어가는데, 이로 인해 각 실린더의 가스 맥동이 서로 간섭한다. 트윈 스크롤 터보차저의 경우, 맥동을 극대화하기 위해 실린더가 두 그룹으로 나뉜다. 배기 매니폴드는 이 두 그룹의 실린더에서 나오는 가스를 분리한 후, 두 개의 분리된 나선형 챔버("스크롤")를 통과하여 두 개의 분리된 노즐을 통해 터빈 하우징으로 들어간다. 이러한 가스 맥동의 스캐빈징 효과는 배기가스에서 더 많은 에너지를 회수하고, 기생적인 역압 손실을 최소화하며, 저속 엔진 속도에서 응답성을 향상시킨다.^[35]^[36]

트윈 스크롤 터보차저의 또 다른 일반적인 특징은 두 개의 노즐 크기가 다르다는 것이다. 더 작은 노즐은 더 가파른 각도로 설치되며 저속 응답에 사용되는 반면, 더 큰 노즐은 각도가 덜 가파르고 고출력이 필요할 때 최적화된다.^[37]

5. 2. 가변 형상 터보차저 (VGT)

가변 터빈 기하구조 터보차저(가변 노즐 터보차저로도 알려짐)는 작동 조건이 변함에 따라 터보차저의 유효 종횡비를 변경하는 데 사용된다. 이는 터빈 하우징 내부의 입구와 터빈 사이에 위치한 조절 가능한 베인을 사용하여 터빈으로 향하는 가스의 흐름에 영향을 줌으로써 수행된다.^[38]

터빈의 종횡비가 너무 크면 터보는 저속에서 부스트를 생성하지 못하고, 종횡비가 너무 작으면 터보는 고속에서 엔진을 막아 배기 매니폴드 압력이 높아지고, 펌핑 손실이 증가하며, 궁극적으로 출력이 감소한다. 엔진이 가속함에 따라 터빈 하우징의 기하학적 형상을 변경함으로써 터보의 종횡비를 최적으로 유지할 수 있다. 이러한 이유로 가변 터빈 기하구조 터보차저는 종종 지연이 감소하고, 부스트 임계값이 낮으며, 고속 엔진에서 효율이 높아진다.^[30]^[31] 가변 터빈 기하구조 터보차저의 장점은 저속 엔진에서의 최적 종횡비가 고속 엔진에서의 최적 종횡비와 매우 다르다는 점이다.

일부 가변 터빈 기하구조 터보차저는 베인을 열고 닫기 위해 회전식 전기 액추에이터를 사용하는 반면, 다른 것들은 공압 액추에이터를 사용한다.^[38]

5. 3. 전동 어시스트 터보차저

전동 어시스트 터보는 전기 모터를 사용하여 터빈의 회전을 돕는 방식이다. 이를 통해 터보랙을 줄이고, 엔진의 저속 응답성을 향상시킬 수 있다.^[66]^[67]^[68] 2011년 5월, IHI에서 전동 어시스트 터보 제품을 발표했다.^[66]

5. 4. 기타 기술

인터쿨러는 터보차저로 압축된 공기를 냉각해 밀도를 높여 엔진 출력을 향상시키는 장치이다.^[45]

웨이스트게이트는 엔진이 안전하게 견딜 수 있는 부스트 압력보다 높은 압력이 생성될 때, 터빈으로 들어가는 배기 가스 양을 조절하여 과도한 부스트 압력을 제한한다.

블로우오프 밸브는 스로틀이 닫힐 때 압축기에서 발생하는 압력 서지를 방지한다.

이 외에도 터보랙을 줄이기 위한 다양한 기술들이 개발되었다.

저압터보(로우프레셔터보/라이트프레셔터보)
트윈스크롤터보
가변노즐(VG) 터보
전동 어시스트 터보: 2011년 5월, IHI에서 제품화가 발표되었다.^[66]^[67]^[68]
쓰리휠터보(TWT:Three Wheel Turbochager): 흡기, 배기 외에 저속 회전을 돕는 휠을 추가한 것이다. 넓은 의미로는 전동 어시스트 터보도 포함되지만, 주로 유압을 이용해 오일 터빈을 회전시켜 보조하는 방식에 사용된다. 유압식은 주로 상용 디젤차를 위해 연구되었으나, 매우 높은 유압이 필요하다는 등의 문제로 보급되지는 못했다.

6. 활용 분야

터보차저는 자동차뿐만 아니라 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

자동차: 승용차, 트럭, 버스 등 다양한 종류의 자동차에 적용된다. 특히 디젤 엔진은 노킹 현상이 없어 터보차저와 궁합이 좋아 디젤 차량에 널리 사용된다.^[57] BMW 2002 터보(BMW・02シリーズ)는 터보차저를 탑재한 최초의 양산차이다. 일본에서는 1979년 닛산 세드릭(日産・セドリック#5代目 430型系（1979年 - 1983年）)/닛산 글로리아(日産・グロリア#6代目 430型系（1979年 - 1983年）)가 처음으로 터보 엔진을 탑재했고, 이후 닛산 블루버드(日産・ブルーバード), 닛산 스카이라인(日産・スカイライン) 등에도 터보 모델이 등장하며 닛산 자동차는 일본 터보차의 선구자 역할을 했다. 2010년대 이후 유럽 승용차는 가솔린 직분사 엔진을 채용하여 엔진을 소형·경량화하면서 터보차저로 출력을 보충하는 차종이 증가하고 있으며, 로우프레셔 터보나 트윈 스크롤 터보를 채용하여 저회전부터 중·고회전까지 큰 토크를 발생시킨다. 일본에서는 경자동차와 노선버스 차종에 터보차저가 채용되고 있다.
모터스포츠: 초기에는 터보랙과 신뢰성 문제로 기피되었지만, 1970년대 후반 르노가 르망 24시간 레이스와 F1을 석권하면서 다양한 카테고리에서 사용되기 시작했다. 터보차저는 예선과 결승에서 과급압을 조절하여 속도와 연료 효율을 높일 수 있어 그룹 C 시대의 내구 레이스에서 유용하게 사용되었다. 하지만 F1에서는 안전 문제로 1987년부터 과급압 제한 규정이 추가되었고, 1988년 시즌을 끝으로 과급기 사용이 금지되었다. 2010년대에 들어서면서 다운사이징 터보의 유행으로 양산차에 터보차저 차량이 증가하면서, F1을 포함한 대부분의 카테고리에서 터보 엔진이 다시 도입되기 시작했다.
항공기: 1950년대까지 왕복 엔진을 사용했던 항공기 엔진은 기압(산소)이 낮은 고공에서 출력 유지를 위해 과급기 연구가 진행되었다. 초기에는 기계식 슈퍼차저만 채택되었지만, 점차 터보차저를 사용하는 기종도 등장하였다. (대표적인 예: B-29, P-38, P-47)^[65] 현대에는 제트 엔진이나 터보프롭 엔진의 고성능화로 왕복 엔진을 채용하는 소형기에 터보차저를 탑재하여 엔진 크기를 억제하면서 출력을 증강하고 있다.
선박 및 발전기: 선박, 발전기, 건설 기계, 철도 차량 등 엔진의 회전 속도가 크게 변하지 않는 용도에서는 터보차저의 설계를 최적화하기 쉽고, 터보랙이 발생하지 않아 적합하다. 또한, 디젤 엔진은 가솔린 엔진과 달리 노킹이 일어나지 않고, 부분 부하 영역에서도 흡기 경로를 조이지 않기 때문에 과급기와의 상성이 특히 좋다.

6. 1. 자동차

터보차저는 승용차, 트럭, 버스 등 다양한 종류의 자동차에 적용된다. 디젤 엔진은 공기만을 실린더에 흡입하여 압축하기 때문에 노킹이 발생하지 않아 터보차저와 궁합이 좋아, 디젤 차량에 널리 사용된다.^[57]

BMW 2002 터보(BMW・02シリーズ)는 터보차저를 탑재한 최초의 양산차이다. 일본에서는 1979년 닛산 세드릭(日産・セドリック#5代目 430型系（1979年 - 1983年）)/닛산 글로리아(日産・グロリア#6代目 430型系（1979年 - 1983年）)가 처음으로 터보 엔진을 탑재했고, 이후 닛산 블루버드(日産・ブルーバード), 닛산 스카이라인(日産・スカイライン) 등에도 터보 모델이 등장하며 닛산 자동차는 일본 터보차의 선구자 역할을 했다.

1980년대 후반 일본에서는 보통 승용차(3넘버)와 소형 승용차(5넘버)의 자동차세 차이가 커서(5넘버 39,500엔, 3넘버 3,000cc 미만 81,500엔), 소형 승용차 배기량 상한인 2,000cc 엔진에 터보차저를 장착한 차종이 고급차와 스포츠카를 중심으로 증가했다. 이탈리아도 대배기량차에 고액의 세금을 부과하여 페라리는 이탈리아 전용으로 페라리 308의 배기량을 줄인 208GTS를 만들고 터보 장착차를 설정했다.

2005년 이후 폭스바겐은 엔진을 소배기량화하고 터보차저로 토크나 마력을 보충하는 차종을 늘리고 있으며, 다른 유럽 제조사도 뒤따르고 있다. 2010년대 이후 유럽 승용차는 가솔린 직분사 엔진을 채용하여 엔진을 소형·경량화하면서 터보차저로 출력을 보충하는 차종이 증가하고 있다. 로우프레셔 터보나 트윈 스크롤 터보를 채용하여 저회전부터 중·고회전까지 큰 토크를 발생시킨다.

일본에서는 경자동차에 터보차저가 채용되고 있으며, 노선버스 차종은 2005년 후반부터 다운사이징 터보를 통해 연비와 배출가스를 줄이고 있다.

6. 2. 모터스포츠

초기에는 터보랙과 신뢰성 문제로 터보차저가 모터스포츠에서 기피되었지만, 1970년대 후반 르노가 르망 24시간 레이스와 F1을 석권하면서 다양한 카테고리에서 사용되기 시작했다. 터보차저는 예선에서 과급압을 높여 속도를 높이고, 결승전에서는 과급압을 낮춰 연료 효율을 높일 수 있어 그룹 C 시대의 내구 레이스에서 유용하게 사용되었다.

하지만 F1에서 혼다가 윌리엄스에 공급했던 엔진(RA166E)은 1,500cc V형 6기통 트윈터보 구성으로 레이스 중 776kW(1,055마력)을 발생했다고 알려져 있으며,^[64] 안전성을 이유로 1987년부터 규정에 따라 과급압 제한이 추가되었다(1987년 최대 4 bar, 1988년 최대 2.5 bar). 그리고 F1에서는 1988년 시즌을 끝으로 과급기 사용이 금지되었다.

다른 카테고리에서도 자연흡기 엔진이 저가형 양산차 라인업에 더 많이 사용되어 참가가 용이하다는 마케팅적 측면과 비용 절감이라는 관점에서 1990년대와 2000년대의 하위 클래스 랠리, 투어링카 레이스, 랠리 레이드 등에서 가솔린 터보가 금지되는 경향이 있었다.

2010년대에 들어서면서 다운사이징 터보의 유행으로 양산차에 터보차저 차량이 증가하면서 상황이 역전되어, 4~6기통 정도의 소형 기통수를 전제로 대부분의 카테고리에서 터보 엔진이 도입되기 시작했다. F1에서는 2014년부터 1,600cc V형 6기통 엔진에 싱글 터보를 조합하여 사용할 수 있게 되었다. 또한 엔진뿐만 아니라 하이브리드 시스템과의 조합을 통해 터보의 터빈 샤프트에 모터를 연결하여 배기가스의 에너지를 이용해 모터를 돌려 발전시키는 "열회생"이 무제한으로 허용되었기 때문에, 터보와 회생용 모터(MGU-H)로 얼마나 효율적으로 에너지를 회수하는가가 중요해졌다(운동에너지 회생 시스템#열회생과 규정 참조).

6. 3. 항공기

1950년대까지 대부분 왕복 엔진을 사용했던 항공기 엔진은 기압(산소)이 낮은 고공에서 출력 유지를 위해 과급기 연구가 진행되었다. 초기에는 기계식 슈퍼차저만 채택되었지만, 점차 터보차저를 사용하는 기종도 등장하였다. (대표적인 예: B-29, P-38, P-47)^[65]

엔진 출력을 풀 스로틀로 소정의 출력을 낼 수 있는 고도인 임계고도(해면고도와 같은 출력을 발휘할 수 있는 한계 높이)까지 유지하기 위해, 터빈에 보내는 배기를 고도에 따라 자동으로 바이패스 유로를 개폐하는 근로 밸브라는 밸브를 장착하고 있다. 기압이 낮은 고고도에서는 바이패스 유로를 닫아 터빈에 보내는 배기를 늘려 흡기 압력을 상승시키고, 기압이 높은 저고도에서는 바이패스 유로를 열어 터빈에 보내는 배기를 줄여 흡기 압력을 저하시켜 엔진 출력을 일정하게 한다. 지상에서 임계고도까지는 일정한 엔진 출력을 유지할 수 있지만, 임계고도 이상이 되면 엔진 출력이 저하된다.^[65]

현대에는 제트 엔진이나 터보프롭 엔진의 고성능화에 따라, 왕복 엔진을 채용하는 것은 소형기로 한정되어 있지만, 고공 성능보다 엔진 크기를 억제하면서 출력을 증강하기 위해 터보차저를 탑재하고 있다. 참고로 왕복 엔진에 터보차저를 장착해도 면허는 자연흡기와 다름없이 ‘피스톤’이므로, 설계는 그대로 엔진만 터보차저 장착형으로 교체한 기체를 상위 모델로 하고 있는 제작사도 있다.

6. 4. 선박 및 발전기

터보차저는 선박, 발전기, 건설 기계, 철도 차량, 자동차 등에서 널리 이용되고 있다. 특히 선박이나 발전기처럼 엔진의 회전 속도가 크게 변하지 않는 용도에서는 터보차저의 설계를 그 운전 조건에 최적화하기 쉽고, 터보차저 특유의 단점인 터보랙이 발생하지 않아 적합하다. 또한, 디젤 엔진은 공기만을 실린더에 흡입하여 압축하기 때문에 가솔린 엔진에서 발생하는 노킹이 일어나지 않고, 부분 부하 영역에서도 흡기 경로를 조이지 않기 때문에 과급기와의 상성이 특히 좋다.

국철 키하183계 기동차의 DMF13HZ형 엔진에 장착되어 있는 터보차저

7. 주요 제조사

가렛 모션(하니웰)^[1]
미쓰비시 중공업^[2]
IHI(구 이스카와시마하리마중공업)^[6]
보그워너^[4]
콘티넨탈^[8]
BMTS 테크놀로지(구 보쉬 마레 터보 시스템즈)^[7]
커민스(HOLSET)^[9]
KBB turbochargers Kompressorenbau Bannewitz GmbH^[10]
ABB^[11]
네이피어 앤드 선(네이피어)^[12]
MAN 디젤(MAN Diesel)(구 B&W)^[13]
코마쓰^[14]
가와사키 중공업^[15]
미쓰이 조선^[16]
IHI 원동기(니가타 원동기)^[17]
히타치(보그워너와의 합작을 거쳐 사업에서 철수)^[3]
하우덴 터보(Howden Turbo) (구 독일 KKK사(Kühnle Kopp und Kausch))^[4]
* 다임러→펜스키(Penske Corporation)→보그워너(+ 미국 Schwitzer사)→지멘스→하우덴(Enovis 자회사)→KPS 캐피탈 파트너스(KPS Capital Partners)
터보네틱스(Turbonetics)^[5]

8. 환경 문제 및 정책적 고려 사항

더불어민주당은 터보차저 기술이 내연기관 차량의 연료 효율성을 높이고 배출 가스를 줄이는 데 기여할 수 있다고 본다.

8. 1. 환경 문제

터보차저 씰(seal)이 고장나면 오일이 실린더로 누출되어 청회색 연기가 발생한다. 디젤 엔진의 경우, 디젤 엔진 돌발 가속 현상이 발생할 수 있다.^[60]

참조

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_[66] 논문 電動アシストターボ!! https://www.ihi.co.j[...] 2012-01-31
_[67] 웹사이트 燃費が1割改善～IHIの電動アシストターボ http://www.njd.jp/to[...] 2012-01-31
_[68] 논문 電動アシストターボチャージャ“ハイブリッドターボ”の開発 http://www.mhi.co.jp[...] 2012-01-31