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과급기

last modified: 2015-02-27 01:18:58 Contributors


Contents

1. 개요
2. 역사
3. 작동 방식
3.1. 터보차저
4. 활용
4.1. 항공기
4.2. 자동차

1. 개요

Supercharger

왕복엔진에 많은 산소를 한꺼번에 넣어서 연소 과정을 돕는 장치.

2. 역사

과급기의 역사는 생각보다 오래되어서 1860년에 이미 특허가 등록되었는데, 다만 이때의 것은 왕복엔진이 아닌 용광로용 과급기였다. 어찌보면 풀무의 확장판이랄까...

최초로 내연기관을 위한 과급기를 개발한 것은 독일의 엔진 및 자동차 개발자로 유명한 고트리브 다이믈러(Gottlieb Daimler)다. 그리고 프랑스에서 처음으로 원심식 압축기를 사용한 과급기가 등장하였으며, 이것은 곧 경주용 차에 쓰이게 되었다.

자동차용 터보과급기는 1977년 사브에서 항공기용 터보 과급기를 자동차 엔진에 도입하는 과정에서 개발되었다.

3. 작동 방식

쉽게 생각하면 공기 압축기다. 공기를 꾹꾹 눌러담은 다음에 이걸 엔진에 넣어주는 것. 산소의 양이 많아지므로 연소 효율이 높아진다.

과급기를 거친 공기는 압축되는 한편 온도가 올라가게 된다. 온도가 올라간 공기를 흡입하는 것은 내연기관의 효율면에서도 안좋고, 특히 온도가 올라간 공기는 다시 팽창하려는 성질이 있다. 그래서 과급기를 장착한 차량이나 항공기는 공기를 냉각시키는 시스템을 갖고는 하는데 이것이 터쿨러(intercooler)다. 자동차 측면에 'INTERCOOLER'라고 자랑스럽게 써 붙이고 다니는 차들은 대부분 이 시스템을 내장하고 있다는 소리. 냉각 방식은 공랭식도 있고 액랭식도 있고 다양하다.

한편 2차대전 중 쓰인 항공기중 일부는 추가적인 냉각을 위하여 물과 알코올을 섞은 혼합액을 연료/공기 혼합기에 분사해주는 시스템을 사용하기도 했다. 알코올을 섞은 것은 온도가 낮은 고고도에서 보관상태로 있다가 얼지 않도록 하기 위해서다. 물론 물/알코올양은 한정이 있으므로 보통 공중전 처럼 긴급한 상황에서만 썼다.[1] 압축된 공기를 냉각시키기 위해 물 등을 분사하는 시스템은 심지어 일부 제트 항공기에서도 쓰고 있다.[2]

터보차저는 배기가스의 힘으로 압축기를 돌려쓰고(보통 일정 RPM이상 나와야 과급이 이루어짐으로 ~몇RPM에서 터보가 터진다라는 표현을 하기도한다) , 슈퍼차저는 엔진 축에서 힘을 받아 쓰므로 엔진 입장에서는 일정 부분 동력 손실이 있는 셈이지만, 전자와 후자 모두 더 많은 산소를 공급받으므로 전체적으로는 엔진의 출력이 올라가게 된다. 살을 주고 뼈를 치는 셈.

3.1. 터보차저

과급기가 엔진의 동력을 빌려쓴다는 점이 맘에 안 들었던 일부 개발자들은 배기가스의 에너지를 으로 회수하여 이용하는 과급기를 개발하였다. 터보 과급기(Turbosuperchager)가 이것으로 그냥 Turbochager나 Turbo라고 부르기도 한다.[3]

배기가스는 그 자체가 고온/고압의 가스이기 때문에 상당한 에너지를 보유하고 있다. 그래서 이 배기가스를 모아서 터빈[4]를 돌려서 동력을 얻고, 그 힘으로 다시 과급기를 돌리는 것이 바로 터보과급기다.

일반적인 과급기와 달리 '어차피 버리는 것을 재활용' 하는 방식이므로 원리만 놓고 보면 분명히 효율적이지만, 시스템 자체가 크고 복잡해지며 무거워진다는 단점이 있다. 특히 고온의 배기가스 속에서 항상 고속으로 돌아야 하는 터빈은 꽤 비싼 재료로 만들어야 한다.

배기가스가 가진 에너지는 엔진의 회전수와 관계가 있기 때문에 저회전에선 에너지가 부족해 터보차저의 효과를 보기 힘들다. 그래서 터보차저가 실제로 도움되려면 적정 엔진 회전수에 도달해 하는데, 이 회전수에 이르기 전엔 터빈이 배기를 방해해서 배기효율이 떨어 질 수 있기 때문에 오히려 자연흡기보다 성능이 떨어질 수 있는다. 이런 현상을 스풀 업이 늦다고 표현한다. 또한 배기가스로 터빈을 돌리기 때문에 엑셀러레이터를 밟았을 때 증가한 배기가스가 터빈을 돌려 흡기량을 더 늘려주는데 시간이 걸리므로 엔진의 토크가 액셀러레이터를 밟자마자 상승하지 않는데, 이것을 터보 랙[5]이라고 한다. 터빈의 용량이 작을 수록 스풀 업이 빠르고 터보 랙이 적지만 용량이 작은 만큼 최대출력에 불리하고, 터빈의 용량이 클수록 최대출력에 유리하지만 스풀 업이 늦고 터보 랙이 크다.

따라서 좀 더 고급스러운 것으로 배기가스 유로에 배기가스의 진행방향에 맞춘 가변의 vane을 달아 이 각도를 변화시켜서 상황에 따라 터빈용량이 바뀌는 VGT(Variable Geometry Turbocharger, 가변 용량 터보차저)를 사용하기도 하는데, 가솔린 엔진은 배기온이 높아 고온에 버티는 vane을 만들기 힘들기 때문에 VGT는 주료 디젤 엔진에 사용된다. 포르쉐그딴 거 없고 997 터보부터 사용하고 있지만 가격이 매우 비싸다. 아예 저회전 영역대에서 동작하는 터보차저와 고회전 영역대에서 동작하는 터보차저 두 개를 장착한 직렬식 트윈터보도 있다. 다기통 엔진의 경우 작은 용량의 터보차저 2개를 실린더 간 배기가스 간섭을 줄이는 방식[6]으로 장착한 병렬식 트윈터보를 사용하기도 한다. 트윈터보는 터보차저가 두개나 되다 보니 배기계통 설계의 어려움과 비용 문제 때문에 터보차저는 하나지만 병렬식 트윈터보와 같은 원리로 실린더를 묶고 하나의 터빈에 두개의 스크롤을 달아 배기가스 간의 간섭을 줄이고 동작영역을 넓힌 트윈스크롤 터보차저로 대체되고 있다.[7] 터보 랙을 완전히 없앤 터보차저도 개발됐는데, 원리는 터빈에 모터를 달아 터보 랙을 없앤 것이다. 하지만 열이 굉장히 많이 나고 실생활에서는 실용성이 많이 부족하기 때문에 포뮬러 1이나 WRC에서나 쓰고 있다. 그런데 최근 페라리가 내놓은 신차 캘리포니아 T의 엔진도 터보렉이 없는 것으로 탑기어코리아 시즌6 방영을 통해 알려졌다.

4. 활용

4.1. 항공기

자동차의 경우에는 일부 고성능 차량에만 과급기가 달리지만, 왕복엔진을 사용하는 항공기에 있어서는 이 과급기가 필수다. 공기밀도가 고고도가 될 수록 희박해지기 때문에 높은 고도로 올라갈 수록 엔진이 헥헥거리기 때문. 이를 테면 9km 고도로 올라가면 엔진이 쓸 수 있는 산소는 지상의 1/3에 불과하다. 즉 엔진 내에 아무리 연료를 우겨 넣어도 지상과 비교하면 1/3의 연료만 태우고 나머지는 불완전 연소가 되어버리는 셈.

그래서 일반적으로 왕복엔진 항공기는 과급기를 이용하여 모자란 산소를 모아 모아 모아서 엔진에 우겨넣어서 엔진의 출력 손실을 어느정도 막는다.

2차대전 중 전투기나 폭격기 등에 쓰였던 고성능 엔진은 보통 2단식 과급기를 사용하였으며, 이 말은 압축기가 두 개가 있어서 두 번에 걸쳐서 압축을 한다는 소리다. 그러나 저고도에서는 굳이 과급기를 돌려서 공기를 압축할 필요가 없기 때문에 선택적으로 고도에 따라 과급기를 켜거나 끄기도 한다. 2단식 압축기 대신에 과급기로 동력을 전달하는 기어의 감속비를 변환하여 2가지 속도로 과급기가 돌도록 하는 시스템도 있다.

항공기에 쓰는 터보과급기는 보통 그 자체로 모든 압축과정을 진행하지는 않고, 보통 2단압축기만 터빈을 이용하여 돌린다. 1단 압축기는 보통의 과급기와 마찬가지로 엔진의 동력을 그대로 사용...

터보과급기는 2차대전 중에는 미 육군 항공대가 잘써먹었는데, 이는 미국이 가스터빈기관을 개발하다가 때려치고 그때 얻은 터빈 설계기술로 대신 이 터보과급기를 발전시켰기 때문. 부피가 크고 무게가 무겁지만 대형폭격기에 쓰기에는 별 무리가 없었다. 특히 1930년대에 미군은 전투기보다는 '본토를 침공하는 적 함대를 멀리서 부터 조질 수 있는' 폭격기 개발에 몰두해 있었기 때문에 폭격기의 고고도 비행성능을 향상시켜줄 이 터보과급기를 매우 중요시했다.

한편 P-38 라이트닝P-47 썬더볼트 같은 대형 전투기도 이 터보과급기를 사용했다. 전자는 폭격기 요격용으로, 후자는 폭격기 호위용으로 개발한 전투기이다 보니 둘 다 뛰어난 고고도 비행성능이 필요했던 것[8].

P-47은 단발 왕복엔진 전투기중에는 유례없이 큰 편인데, 이는 중장갑과 많은 무장도 한 몫했지만 제일 큰 이유는 바로 이 터보과급기 때문. 터보과급기를 위한 긴 관이 동체를 지나다니기 때문에 같은 엔진을 사용하는 F4U 콜세어 보다도 훨씬 덩치가 커졌다.

4.2. 자동차

자동차용 터보과급기는 주로 가솔린 엔진을 단 스포츠카에서 많이 이용되는 방법이지만 그외에도 디젤 엔진을 단 트럭이나 버스에도 많이 활용되어 부족한 힘을 보충하고 있으며 엔진 다운사이징에도 활용된다. 실제로 직분사가 아닌 가솔린 엔진의 경우 혼합기 양만큼의 공기를 압축하지 못하는 셈이 되기 때문에 특정 회전수 이상이 되어야 한다. 하지만 디젤 엔진의 경우 순수 공기만이 흡기되기 때문에 터보의 효율이 더 높다. (현재 출시되는 100%에 가까운 디젤 승용/상업자동차는 터보과급기를 장착하고 있다)

그리고 미쓰비시 자동차랜서 에볼루션에 '미스파이어링 시스템' 이라는 약빨고 만든(?) 요상한 기능을 넣었던 적이 있다. 이것은 악셀오프시 터보차저의 회전속도가 떨어져 재가속시 터보랙이 걸리는것을 막기 위해 배기 매니폴드에서 연료를 분사해 고열로 자연발화시켜서 배기가스 양을 늘려 터보차저를 돌려준다. 물론 WRC를 위한것. 악셀 오프시 백파이어와는 별개로 펑펑 불방귀를 뀌게된다.이게뭐야 무서워

자동차용 터보과급기는 항공기의 것처럼 일반 과급기와 터보과급기를 혼용하는 경우도 있고, 혹은 저용량 터보과급기와 고용량 터보과급기, 이렇게 2개를 2단으로 달아서 상황에 따라 사용하는 경우도 있다.


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  • [1] 니트로를 써서 순간적으로 산소공급을 높이는 시스템도 있었다.
  • [2] 대표적인 것이 B-52 폭격기. B-52 폭격기 이륙사진에서 유독 매연이 심한것이 이 때문이다. 더불어 AV-8 해리어 전투기도 이 시스템을 사용한다
  • [3] Turbo는 본래 터빈을 사용하는 기관 전반을 이르는 말이다. 그러나 자동차에 터빈기관을 사용할 일은 웬만해서는 없으므로 자동차에서 말하는 Turbo는 바로 이 터보과급기를 의미한다.
  • [4] 쉽게 생각하면 풍차. 참고로 이름의 유래는 소라껍질이다. 풍차 내지는 바람개비역할을 하는 부품을 싸고있는 껍데기가 소라처럼 생겼기 때문.
  • [5] RPM에서 최대 토크 혹은 최대 출력 지점 사이의 최대 부하 변속 타이밍에서의 출력 지연 현상을 뜻함 즉 시프트 다운을 해서 급격히 5000rpm으로 급가속을 시도할 때에 NA엔진이라면 즉각적으로 정해진 파워를 공급하겠지만 터보 엔진은 터빈 날개의 회전수가 올라가고 공기 흡입 라인에 최대 부스트가 걸리는 시간 동안 엔진에는 정해진 공기량을 공급하지 못하다가 부스트압이 올라가며 파워가 급상승을 하게 되는대. 정확히는 이를 터보랙이라고 함. 즉 하이 RPM에서 최대 부스트가 걸리는 시간까지의 출력 지연 현상이지 토크가 즉시 상승 하지 않는 것이 아니다.
  • [6] 직렬 4기통 엔진의 점화순서가 1-3-4-2이므로 1, 4번 실린더와 2, 3번 실린더를 묶는다. 직렬 6기통 엔진의 경우 폭발순서가 1-5-3-6-2-4 이므로 1, 2, 3번 실린더와 4, 5, 6번 실린더를 묶는다. V형 엔진이나 수평대향 엔진은 뱅크별로 따로 묶는다.
  • [7] V형 8기통 이상에는 뱅크별로 트윈스크롤 터보차저가 쓰이기도 한다.
  • [8] 아이러니하게도 P-38은 태평양전선에서는 일본군 전투기들 보다 확실히 고고도 성능이 뛰어났으나, 유럽전선에서는 독일 전투기들에 비해 고고도 비행성능이 별로라는 평을 받았다.어째 티거>셔먼>치하의 먹이사슬이 겹쳐보이지만 기분탓이겠지...