터보차저는 어떻게 힘을 더할까: 버려지는 배기가스로 공기를 밀어 넣는 원리

자동차 뒤에 붙은 "터보"라는 글자를 본 적이 있을 겁니다. 요즘은 작은 엔진에도 터보차저가 흔히 달립니다. 터보차저는 엔진이 내뿜는 배기가스의 힘으로 바람개비를 돌려 엔진에 공기를 더 밀어 넣는 장치입니다. 그냥 버려질 에너지로 엔진의 힘을 키우는 셈입니다. 그 원리를 차례로 살펴보겠습니다.

먼저 핵심만

엔진은 연료를 공기와 함께 태웁니다. 공기를 더 넣으면 연료도 더 태울 수 있습니다.
터보차저는 배기가스로 터빈을 돌리고, 같은 축에 붙은 압축기가 공기를 눌러 엔진에 밀어 넣습니다.
그래서 작은 엔진으로도 큰 엔진만큼 힘을 낼 수 있고, 연비를 높이는 데에도 쓰입니다.

엔진의 힘은 들어오는 공기의 양에 묶여 있습니다

엔진의 에너지는 연료에서 나옵니다. 엔진은 실린더 안에서 연료를 태워 힘을 얻습니다. 연료가 타려면 공기 속 산소가 필요하므로, 한 번에 태울 수 있는 연료의 양은 실린더에 들어온 공기의 양에 묶여 있습니다. 미국 정부의 연비 정보 누리집(fueleconomy.gov)은 터보차저를 엔진 실린더에 공기를 더 밀어 넣는 압축기라고 설명하고, 그래서 연료도 더 넣을 수 있다고 말합니다.

속을 볼 수 있게 자른 터보차저 모형. 사진: Quentin Schwinn (NASA), 퍼블릭 도메인, 위키미디어 공용

배기가스로 바람개비를 돌립니다

터보차저 제조사 가렛 모션(Garrett Motion)은 터보차저가 쓰이지 않고 버려지는 배기가스로 터빈을 돌리고, 터빈이 공기 압축기를 돌려 실린더에 공기를 더 밀어 넣는다고 설명합니다. 위키백과의 터보차저 항목도 터빈과 압축기가 하나의 축으로 이어져 있다고 설명합니다. 한쪽 바람개비는 배기가스에 밀려 돌고, 반대쪽 바람개비는 같이 돌며 공기를 빨아들여 누릅니다.

터보차저는 아주 빠르고 뜨거운 환경에서 일합니다. 가렛 모션 자료에 따르면 터보차저 날개는 보통 분당 20만~30만 번 돕니다. 1초에 약 3,300~5,000바퀴입니다(계산값). 온도는 디젤 엔진에서 화씨 750도(약 400℃), 가솔린 엔진에서 화씨 1,000도(약 540℃)에 이른다고 설명합니다(섭씨는 환산값).

터보차저 흐름 개념도. 엔진에서 나온 배기가스가 터빈을 돌리고, 같은 축의 압축기가 바깥 공기를 눌러 인터쿨러에서 식힌 뒤 엔진에 넣는다 — 실제 배치와 모양은 차마다 다릅니다. 출처: 필자 작성 개념도

눌린 공기는 왜 식힐까

공기를 세게 누르면 뜨거워집니다. 자전거 바퀴에 바람을 넣고 나면 펌프가 따뜻해지는 것과 같습니다. 위키백과의 인터쿨러 항목은 인터쿨러가 압축으로 데워진 공기를 식히는 열교환기라고 설명합니다. 공기를 식히면 더 촘촘해져 같은 부피에 산소가 더 많이 들어가고, 연료를 더 넣을 수 있으며, 노킹(비정상 연소)도 덜 생긴다고 설명합니다.

공기 밀도 비교 개념도. 같은 크기의 실린더에 보통 흡기는 공기 알갱이가 적고, 터보로 누르고 식힌 공기는 알갱이가 더 많이 들어간다 — 파란 원은 공기 알갱이를 뜻하며 개수는 비교를 위한 표현입니다. 출처: 필자 작성 개념도

너무 세지지 않게, 늦지 않게

배기가스가 많아질수록 터빈은 더 빨리 돌고 공기도 더 세게 들어갑니다. 위키백과는 터보차저가 엔진이 견딜 수 있는 것보다 높은 압력을 만들 수 있어서, 웨이스트게이트라는 문으로 터빈에 들어가는 배기가스 일부를 돌려 내보낸다고 설명합니다.

반대로 가속 페달을 밟은 직후에는 힘이 바로 나오지 않을 수 있습니다. 배기가스가 늘어나 터빈이 빨라지기까지 시간이 걸리기 때문인데, 이를 터보 랙이라고 부릅니다. 가렛 모션은 요즘 엔진은 엔진 제어와 설계가 좋아져 터보 랙을 거의 없앴다고 설명합니다.

트럭 엔진에 달린 터보차저. 사진: Panoha, CC BY-SA 3.0, 위키미디어 공용

작은 엔진, 같은 힘

fueleconomy.gov는 터보차저 덕분에 자동차 회사가 성능을 잃지 않고 더 작은 엔진을 쓸 수 있다고 설명합니다. 이를 엔진 다운사이징이라고 부르며, 같은 누리집은 터보와 다운사이징으로 효율을 최대 8%까지 높일 수 있다고 소개합니다(2015년 미국 국립과학원 연구 인용). 가렛 모션도 터보차저가 작은 엔진을 비슷한 큰 엔진처럼 움직이게 해 준다고 설명합니다.

원리에서 나오는 실천

터보차 탈 때 알아 둘 것

정비는 설명서대로: 가렛 모션은 터보 엔진도 일반 엔진과 같은 정비면 된다고 설명합니다. 엔진오일 교환 주기 등은 차 설명서를 따릅니다.
연료는 제조사 지정대로: 같은 자료는 터보라고 해서 고급 휘발유가 따로 필요한 것은 아니며, 연료 기준은 자동차 회사가 정한다고 말합니다.
추월할 때는 여유 있게: 힘이 붙기까지 짧은 시간이 걸릴 수 있으니 미리 가속합니다.
압력을 올리는 개조는 신중하게: 웨이스트게이트는 엔진이 견딜 수 있는 압력을 지키는 장치입니다. 설정을 바꾸면 엔진에 무리가 갈 수 있습니다.

정리

터보차저는 버려지는 배기가스로 공기를 눌러 넣는 바람개비입니다. 공기가 많아지면 연료를 더 태울 수 있어 작은 엔진도 큰 힘을 냅니다. 눌린 공기는 인터쿨러로 식히고, 너무 센 압력은 웨이스트게이트로 조절합니다. 다음에 "터보" 글자를 보면, 그 안에서 분당 수십만 번 도는 작은 바람개비를 떠올려 보시기 바랍니다.

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