터보시스템을 통해 알아본
터보차저의 쉬운 이해들(1)
글 은 이해하기 쉽도록 총 7개장으로 구성되어 있다. 제 1장은 과급 시스템의 기본적인 윈리와 터보차저가 장착된 차량에 대해 소개하고, 제2장은 터보차저의 특성을, 제 3장은 흡입 공기 냉각장치인 인터쿨러에 대해 알아보기로 한다. 또한 제 4장은 연료량 컨트롤에 대해 전자 제어를 중심으로 소개하고, 제 5장에서는 점화와 관련되 부분, 제 6장에서는 배기와 관련된 부분을 제시한다. 제 7장은 과급압 조절, 제 8장은 압축비와 피스톤의 관계를, 마지막으로 9장에서는 터보 엔진의 고장과 진단, 관리에 대해 사용자의 입장에서 알아본다.
제1장 터보란 무엇인가?
이해하고 살펴보면 아주 간단한
터보의 원리
터 보란 엔진의 배기가스 에너지를 이용하여 공기를 압축하는 펌프라고 할 수 있다. 엔진에서 연료가 연소, 발생하는 에너지는 크랭크 축에 힘을 가해서 출력을 발생시키도옥 사용되지만 그 중 30%정도는 배기관을 통해 배기가스의 형태로 없어진다. 다시말해 터보란 이렇게 손실되는 30%의 배기가스 에너지를 이용하는 것으로 에너지 효율측면에서 출력상승이 얼마인가는 예상이 가능하다. 즉 터보를 장착하여 과급을 할 경우 최하 30%에서 최고 100%까지의 출력 상승이 가능하다.
터보의 원리는 이렇게 간단한 반면 실제 엔진에 적용되는 것은 그렇게 간단하지는 않다. 과급에 의 파생되는 여러가지 문제점들 때문에 많은 부분에서 보완이 필요하며, 원활한 터보 엔진의 작동을 위해서는 자연 흡기 엔진과는 달리 세심한 주의를 요한다.
터보차저 시스템의 최고 수준은 77년에서 88년까지 F1에서 볼 수 있었다. 실제 F1차량에 사용되었던 터보차저 엔진은 회고출력이 1,000마역을 휠씬 넘는 고출력 엔진이었다. 그렇다면 어떻게 F1에 사용된 터보차저 시스템이 다른 시스템에 비해 많은 출력을 낼 수 있었는가? 이는 과급 시스템에 의해 출력을 향상시키기 위해서 가장 중요한 요소는 얼마나 많은 공기가 엔진으로 공급되는가에 따라 정해진다고 하겠다.
과급에 의해 공기의 공급량을 늘린다는 것은 자연 흡기찰량에서 공기 흡입을 늘리기 위해 흡기관의 설계를 변경하여 공기 흐름을 원활하게 하는 것과는 다른 개념으로 공급되는 공기의 압력이라고 말 할 수 있다. 여기서 말하는 압력이란 자연 흡기 엔진의 경우 풀 스로틀시 엔진에 공급되는 공기의 압력인 대기압을 말하며, 과급 엔진의 경우 얼마나 높은 압력으로 과급해 공기를 밀어 넣는냐를 말하는 것이다.
그렇다면 다른 과급 시스템에 비해 터보 시스템이 널리 쓰이는 이유는 무엇일까? 터보 시스템에서 과급시키는 에너지원은 배기가스의 배기압력으로 여기에서 발생하는 열과 압력으로 인해 터빈이 작동되며 여기서 발생되는 에너지로 흡입 공기에 압력을 가하게 되는 것이다. 다시 말해 배기가스(배기압력)란 원래 소멸될 에너지원으로 이를 재활용하여 압축시키는 터보 시스템이 다른 과급시스템에 비해 효율이 높다고 하겠다.
배기압력과 터보(터빈)의 크기와는 어떤 관계가 있을까? 이의 해답은 터보의 크기가 작아지면 배기압력이 늘어나므로 터보 크기가 작아지는 것만큼 엔진 실제출력의 손실은 늘어난다고 볼 수 있다. 즉 터보의 크기가 커져서 배기압력이 줄어들면 출력 손실 또한 줄어드는 것이다.
공기 과급시 온도 상승은 관심을 두어야할 중요한 사항이다. 동일한 압력, 흐름조건에서도 과급 시스템의 종류에 따라 온도 상승은 각기 다르다. 이런 온도 상승의 차이점은 과급 시스템의 효율에 따른 것으로 일반적인 루트(Roots)형의 수퍼차저 시스템을 장착하면 효율성이 약 50%정도 된다고 알고 있다. 열에 관련된 효율성이 좋다는 것은 실제 알마만큼의 출력을 낼 수 있느냐에 중요한 요소이기도 하다. 온도가 효율성에 영향을 미친다는 것은 출력에 영향을 준다는 의미로 동일한 압력하에서 흡입공기의 온도가 높으면 실제 흡입공기의 질량은 작아지기 때문에 출력이 줄어든다. 또한 엔진 출력에 영향을 미치는 또 하나의 중요한 요소인 점화시기를 설정하는데 있어서도 흡입공기의 온도가 많은 영향을 준다. 이는 온도상승으로 인해 질량이 줄어드는 것만큼 엔진 출력에 밀접한 영향을 주는 요소이다. 이외에 흡입 공기의 온도가 높으면 연료량을 설정하는데 있어서도 공연비가 최고 출력영역보다 더 많게 설정되므로 출력이 떨어지고 연비도 떨어진다. 이처럼 열은 엔진 출력에 세가지면에서 영향을 미치는 만큼 흡입 공기의 냉각에 많은 신경을 써야한다.
터보가 장착된 차량은 크게 양산단계에서부터 터보가 장착되어 출고된 차량과 자연 흡기 찰량에 별도의 터보 키트를 구성하여 장착한 차량으로 나눌 수 있다. 양산단계에서 터보가 장착되어진 차량은 어려움 없이 업그레이드를 하는 개념에서 튜닝을 할 수 있다. 별도의 터보키트를 장착하는 자연 흡기 엔진은 키트로 구성된 터보 시스템을 구입하는 경우와 자기 차량에 맞는 터보 키트를 새롭게 구성하는 방법으로 나눌 수 있다.
여 기서 주의해야할 사항은 터보를 장착하려는 차량중 종류와 목적에 대해서 먼저 정해야하고, 그 목적대로 장착했을 경우 법적인 문제가 없는지에 대해 생각해야 한다. 또한 얼마나 많은 출력을 원하는지, 터보 튜닝시 문제가 발생할 때 해결할 수 있는 기술자가 있는지, 직접 장착할 경우에는 얼마만큼의 노력이 들어가는지에 애해 깊게 생각해야 한다.
양산 단계의 터보 차량은 국산 차량은 현대 스쿠프 터보가 유일한 가솔린 터보 차량이며, 외국산 차량의 경우 닛산 실비아, 스카이라인 GTR, 미쓰비시 이클립스 등의 일본차량과 포르쉐 터보, 뷰익 GNX, 로터스 에스프리 등이 있다. 양산 터보 차량은 터보kit 장착차량과는 달리 내구성 부분이나 법적인 부분에 대해 신경을 쓸 필요가 없기 때문에 가장 바람직한 방향이라 할 수 있겠다.
양산 터보 차량을 업그레이드 하는 방법으로 가장 간단한 것은 부스트 압력을 상승시키는 것이다. 부스트 압력의 상승이란 공기의 압축 압력을 상승시키는 것으로 더 많은 공기를 밀어 넣는다고 생각하면 된다. 부스트 압력을 상승시키는 것은 터빈의 용량에 한계가 있기 때문에 그 이상의 출력 상승을 원할 경우에는 터빈을 좀 더 큰 것으로 교환해야 한다.
대부분의 경우 터빈을 교환하고 부스트압력을 상승시킬때에는 연료량이 부족해 연료공급량을 조절하는데 신경을 써야하며 또한 점화시기를 조절해야만 엔진의 내구성을 보장할 수 있다. 양산 터보 차량의 경우 위와 같이 조절하는 것이 터보 키트를 장착한 차량에 비해서는 휠씬 간단하다. 그 이유는 전체적으로 기계 및 전자적 시스템이 터보 시스템에 적합하게끔 설계되어 있기 때문에 크게 변경할 필요가 없다.
하 지만 터보 키트를 장착한 차량의 경우 어떤 시스템으로 어떤 기술자가 장착하였는가에 따라 출력 및 내구성의 차이가 엄청나다고 할 수 있다. 자연 흡기 차량에 장착하는 터보 키트의 경우 시스템을 하나도 변경하지 않고 터빈만을 장착하여 과급을 할 경우에는 0.2bar 이하의 낮은 압력하에서는 자동적으로 보정해 줄 수 있기 때문이다. 엔진의 하드웨어적인 부분과 전자제어적인 부분의 오차 보정범위가 위와 비슷하기 때문에 큰 문제점도 발생되지 않는다. 일반적으로 널리 알려진 터보키트인 혼다 시빅 터보키트나 BMW에 장착되는 일반적인 터보 키트의 경우는 0.4bar정도의 압력을 가하는 시스템으로 과급 압력이 가해질때 연료량을 더 공급하기 위해서 연료 압력 레귤레이터를 장착하는 간단한 방법을 사용한다. 좀 더 많은 출력을 얻기 위해서는 과급압력을 0.5bar이상 사용해야하는데 이때에는 위의 두 경우와는 달리 많은 주의를 요한다.
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