개요
자동차의 역사를 시작한 내연기관 엔진은 최근 환경문제가 심각해지면서 친환경 자동차로의 변화를 맞이한, 자동차 시장에서 차츰 사라지고 있다. 주요 글로벌 자동차 회사들은 특정시점까지 내연기관 자동차의 단종 공약을 내걸기 시작했고, RE100(Renewable Enery 100)과 같은 100% 재생 에너지를 사용하기 위한 프로젝트가 생기기도 했다.
하지만 승용차뿐만 아니라 상용차에 사용하고 있는 내연기관을 한순간에 친환경 자동차로 대체할 수 없고, 충전 인프라 등의 문제 역시 내연기관에서 친환경 자동차로의 변화에 제동을 걸고 있는 상황이다. 비록 내연기관 자동차가 시작한 때에 비하면 기술 발전 속도가 엄청나게 빠르기 때문에 빠른 시일 내로 대체 가능한 친환경 자동차가 나오겠지만, 내연기관에서도 친환경 기술이 오래전부터 발전해 왔다.
본문에서는 기존 자연 흡기 엔진의 출력 향상을 위해 개발되었지만, 결과적으로는 배기가스의 에너지를 활용함으로써 엔진의 효율을 높여줬기 때문에 작은 배기량에서도 큰 출력을 낼 수 있었고 연료 절약과 탄소 배출량 감소에도 기여하고 있는 터보 엔진에 대해 소개한다.
터보 엔진의 원리
터보 엔진은 내연기관의 배기가스 압력을 이용해 터빈(Turbine)을 회전시키고, 터빈의 회전력으로 컴프레서(Compressor)가 공기를 압축하여 인터쿨러(Intercooler)*로 보낸다. 이렇게 하면 엔진에 들어가는 공기의 밀도와 산소량이 증가하고 연료와의 혼합비가 개선된다. 그로 인해 엔진의 연소가 강화되고 출력과 효율이 증가한다.
터보 엔진의 탄생
터보 엔진의 핵심 부품 중 하나인 터보 차저가 발명되기 전에는 스코틀랜드 엔지니어였던 두갈드 클라크(Dugald Clark)에 의해 1878년 기계식 과급기를 통해 공기를 강제로 엔진에 주입하는 방식의 엔진이 먼저 발명되었다. 당시 개발된 엔진은 압축과 새로운 점화 시스템을 사용하는 2 행정 엔진으로 시장성 있는 최초의 엔진이라고 평가받았다.
터보 엔진이라고 불리울만한 시스템이 발명된 것은 1905년 스위스 엔지니어 였던 알프레드 뷔치(Alfred Büchi)에 의해서였다. 그는 엔진의 배기 열 손실과 관련된 효율을 개선하는 과제에 매료되어 있었고 현재의 터보차저와 비슷한 형태의 축 방향 압축기, 피스톤 엔진 및 축 방향 터빈을 사용하여 배기가스의 에너지를 사용하는 시스템이었다. 하지만 독일 특허청에 등록되었지만 작동하는 데 필요한 재료와 연료는 그 당시 기술로는 사용이 불가능했다.
알프레드 뷔치에 의해 발명된 터보엔진이 처음 적용된 것은 자동차가 아닌 항공기였고 고도가 높아질수록 성능이 떨어지는 비행기 엔진을 개선하기 위한 목적으로 터보차저가 발명되었다.
1918년 미국의 항공 엔지니어였던 샌포드 알렉산더 모스(Sanford Alexander Moss)는 국가 항공 자문 위원회(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)와 함께 Liberty V12라는 이름의 엔진에 터보차저를 장착해 비행 테스트를 진행했고 기존보다 훨씬 높은 고도에서 더 높은 공기 흡입 충전 밀도를 유지함으로써 최대 4,250m(13,944 피트) 상공에서도 엔진 성능을 유지할 수 있었다.
샌포드 알렉산더 모스에 의해 처음 비행기에 터보차저가 적용되었지만, 상용화된 것은 7년 뒤인 1925년에 들어서야 처음 터보차저의 개념과 발명을 이루어낸 알프레드 뷔치에 의해 실현되었다. 해당 엔진은 Preussen과 Hansestadt Danzig라는 이름의 대형 여객선에 사용되었고 이후 터보차저는 해양, 철도 차량 등에 사용되기 시작했다.
이후 제2차 세계대전이 발발하자 미국 보잉(Boeing)에서는 1935년 미국의 제너럴 일렉트릭(General Electric)에서 생산한 터보차저를 바탕으로 B-17 Flying Fortress라는 이름의 전투기에 터보엔진을 장착했고, 독일에서는 BMW V12 엔진을 장착한 Focke-Wulf Fw 190이라는 전투기에 터보차저 적용해 이후 여러 항공기 엔진에 사용되었다.
자동차 터보 엔진
승용차에 터보엔진이 적용되기 이전에 트럭에 먼저 터보엔진이 적용되었고, 최초의 적용은 1931년 스위스의 트럭 제조사였던 아돌프 사우러(Adolph Saurer AG)에 의해 실현되었다. BXD, BZD라는 이름의 엔진은 터보 차저 옵션으로 제조되었고 자동차 영역에서의 터보차저 엔진의 선구적인 역할을 해냈다.
승용차를 제조하는 자동차 업계에도 터보 엔진에 대한 연구가 시작되었지만, 터보렉(Turbo Lag)*과 터보차저의 큰 부피 때문에 적용되지 못했고 양산 승용차에 처음 적용된 것은 약 30년 뒤인 1962년 미국의 올즈모빌(Oldsmobile)의 제트파이어(Jetfire)라는 이름의 승용차와 쉐보레(Chevrolet)의 코르베어 몬자(Corvair Monza)라는 이름의 승용차였다.
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해당 자동차들은 모두 가솔린 터보 엔진을 장착한 자동차였고, 디젤 터보 엔진은 그보다 뒤인 1978년 출시한 독일 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)의 W116이라는 이름의 승용차였다.
그렇게 발전되기 시작한 자동차 터보 엔진은 각종 레이스에서도 두각을 드러냈으며 1980년대에 들어서는 더 작은 배기량 엔진의 성능을 향상시키는 방법으로 여러 자동차에 적용되기 시작했다. 1990년대에는 독일 폭스바겐 그룹(Volkswagen Group)에서 TDI(Turbocharged Direct Injection)라는 이름의 터보차저 직접 분사 방식의 한 단계 높은 기술의 터보엔진을 개발하기도 했다. 이후에는 이러한 방향성과 맞물려 연료 분사 시스템을 개선함으로써 성능과 연비를 향상시키는 방향으로 발전되었다.
터보 엔진의 미래
전기 자동차로의 전환의 길이 열리면서 내연기관 자동차가 몰락하고 있지만, 그럼에도 터보엔진은 전기 자동차보다 저렴하고 유연하며 충전문제가 없기 때문에 저배기량에서 출력을 높이는 기술은 여전히 지속 개발되고 있다.
최근에는 하이브리드 자동차에 적용할 목적으로 독일 아우디(AUDI)와 스위스 가렛 모션(Garrett Motion)과 같은 회사에서는 터보 차저에 배기가스뿐만 아니라 전기 모터까지 추가 구동되는 전기 터보 엔진도 개발 중에 있다. 전기 터보 엔진이 개발되면 엔진에 더 많은 공기를 공급해 출력을 높이고 터보렉을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.
*인터쿨러(Intercooler)
주로 터보엔진에서 과급기의 압축에 의해 온도가 상승한 공기를 냉각하는 열교환기
*터보렉(Turbo Lag)
정지상태에서 갑자기 가속하려 할 때 터빈의 회전수가 증가될 때까지 터보 효과가 나타나지 않는 현상
(엔진이 저회전 상태에서는 배기가스 양이 적기 때문에 터빈 회전수가 높지 않다.)
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