터보차저의 원리

모형이 보여 주는 것

터보 엔진을 단 작은 차로 천천히 달리다가 가속 페달을 깊게 밟으면, 1초 남짓은 별 반응이 없다가 갑자기 엔진이 커진 것처럼 차가 튀어 나갑니다. 그 짧은 기다림과 뒤이은 힘은 모두 이 모형 한가운데의 부품에서 나옵니다. 엔진이 내뿜는 배기가스로 작은 바람개비를 돌려, 그 힘으로 실린더에 공기를 더 밀어 넣는 터보차저입니다.

모형은 배기량 2.0L 4기통 가솔린 엔진에 터보 하나, 앞쪽에 놓인 인터쿨러, 그리고 이들을 잇는 배관으로 되어 있습니다. 터보는 축을 따라 잘랐고, 빨간 면이 자른 자리입니다. 주황색 점은 배기가스입니다. 파란 점은 바깥 공기인데, 데워지면 보라색으로 바뀌고 식으면 다시 파란색 쪽으로 돌아옵니다. 노란 점은 오일입니다. 계기판에는 터보 축의 회전수, 과급 압력, 압축기를 나온 공기와 인터쿨러를 지난 공기의 온도, 실린더 하나가 들이마시는 공기의 양, 그리고 출력이 나옵니다. 모두 조작 탭의 설정을 넣어 이 글 아래쪽의 식으로 계산한 값입니다. 그 아래 그래프는 최근 8초를 보여 주므로, 스로틀을 움직였을 때 터보가 뒤늦게 따라오는 모습을 볼 수 있습니다.

숫자는 흔한 소형 터보 가솔린 엔진을 본뜬 모형 값입니다. 어느 제조사의 자료도 옮겨 오지 않았고, 모형에서 뺀 것은 글 끝 무렵에 따로 적었습니다.

엔진이 빽빽한 공기를 원하는 이유

가솔린 엔진은 들이마신 공기 속 산소로 연료를 태웁니다. 그래서 태울 수 있는 연료의 양은 공기의 양에 묶여 있습니다. 4행정 엔진 전시에서 보듯 실린더는 크랭크축이 두 바퀴 돌 때 한 번 공기를 채웁니다. 채우는 부피는 실린더 지름과 행정으로 정해져 있으니, 공기를 더 넣으려면 들어가기 전에 공기를 빽빽하게 만드는 수밖에 없습니다.

이 모형의 실린더 네 개는 각각 0.5L를 쓸어 내고, 그 부피의 90%까지 공기를 채웁니다(체적 효율). 25°C, 해수면 기압의 바깥 공기는 밀도가 1.184kg/m³이므로 터보 없이 스스로 숨 쉬는 실린더는 흡입 행정 한 번에

0.9 × 0.0005m³ × 1.184kg/m³ = 533mg의 공기를 들이마십니다.

6,000rpm이면 엔진 전체로 1초에 107g입니다. 공기와 연료의 비 14.7, 제동 효율 30%로 이 공기가 태울 수 있는 연료를 계산하면 94kW가 나옵니다. 터보를 과급 1bar로 맞추고 인터쿨러를 켜면 같은 실린더에 984mg이 들어가고 출력은 173kW가 됩니다. 엔진은 그대로이고, 공기를 더 꽉 눌러 담았을 뿐입니다.

배기가스가 터빈을, 축이 압축기를 돌립니다

실린더를 나오는 배기가스는 뜨겁고 압력도 남아 있습니다. 터보가 없는 엔진에서는 이 에너지가 그대로 머플러로 빠져나갑니다. 이 모형에서는 배기 매니폴드의 관 네 개가 가스를 모아 터빈 하우징으로 보냅니다. 터빈 하우징은 터빈 휠을 한 바퀴 감싸며 점점 좁아지는 주철 소용돌이관입니다. 좁아지는 길을 지나며 가스는 빨라지고 소용돌이치면서 휠의 날개 11장 사이로 안쪽을 향해 들어갔다가, 축 방향으로 빠져나가 다운파이프로 갑니다. 이때 가스가 날개를 미는 힘이 휠을 돌립니다.

같은 강철 축의 반대쪽 끝에는 압축기 휠이 있어서 터빈과 똑같은 속도로 돕니다. 필터를 지난 공기는 축 방향으로 휠에 들어오고, 휘어진 날개가 공기를 둘레 바깥으로 내던집니다. 압축기를 둘러싼 알루미늄 소용돌이관은 갈수록 넓어지는데, 그 덕분에 빠른 공기가 느려지면서 속도가 압력으로 바뀝니다. 뜨거운 가스에서 터빈으로 일을 꺼내 차가운 공기를 압축기로 누르는 방식은 제트 엔진과 같습니다. 다만 여기에는 둘 사이에 연소실이 없고, 연료는 엔진의 실린더가 태웁니다.

얼마나 빨리 돌까요? 큰 터보 제조사인 가렛(Garrett)은 자사에서 가장 큰 터보가 최대 63,000rpm, 가장 작은 터보는 300,000rpm 넘게 돈다고 밝힙니다. 모형의 압축기 휠은 지름이 50mm이고, 과급 1bar를 내려면 약 142,000rpm으로 돌아야 합니다. 이때 휠 바깥 둘레는

2π × 0.025m × 142,300 / 60초 = 373m/s

로 움직여서 바깥 공기 속 소리보다 빠릅니다. 화면 속 휠은 계기판 값보다 2,000배 느리게 돕니다.

오일 위에 떠서 도는 축

터보는 대부분 축을 평범한 부싱과 오일 막으로 받치고, 일부 고성능 터보는 특수한 볼 베어링을 씁니다. 모형에서는 금속 편조 호스가 엔진의 오일 통로에서 센터 하우징 꼭대기로 오일을 가져옵니다. 오일은 청동 부싱 두 개 둘레의 틈을 채우는데, 부싱은 축과 하우징 사이에 떠 있고 축은 그 오일 막 위에서 금속에 닿지 않고 돕니다. 압축기 쪽의 스러스트 베어링은 축을 길이 방향으로 미는 힘을 받습니다. 쓰인 오일은 아래쪽의 큰 배출구로 떨어져 오일 팬으로 돌아갑니다. 배출 호스가 굵고 곧게 아래를 향하는 이유입니다.

오일은 열도 실어 나릅니다. 터빈 쪽은 배기가스에 잠겨 있고 압축기 쪽은 바깥 공기를 마시는데, 센터 하우징은 그 둘을 잇는 다리입니다. 같은 이유로 센터 하우징에 냉각수 통로를 두는 터보도 있습니다. 오일이 지나치게 뜨거워지지 않게 지키려는 것입니다.

공기를 누르면 뜨거워집니다

자전거 바퀴에 바람을 넣으면 펌프 통이 따뜻해집니다. 압축기는 같은 일을 훨씬 빨리 하기 때문에 공기가 열을 내보낼 틈이 없습니다. 손실이 없는 이상적인 압축기라면 출구 온도는

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ)

입니다. PR은 압력비이고, 공기의 γ는 1.4입니다. 바깥 기압 1.013bar에 과급 1bar를 더하면 압력비는 1.987입니다. 298.15K(25°C)에서 시작하면

298.15K × 1.987^0.286 = 362.8K, 약 90°C가 됩니다.

실제 압축기는 일의 일부를 쓸데없는 열로 잃습니다. 모형은 효율을 72%로 잡았고, 온도 상승을 이 효율로 나눕니다.

T₂ = 298.15 × (1 + (1.2168 − 1) / 0.72) = 387.9K, 약 115°C입니다.

계기판의 「압축기 출구」 값이 이것입니다. 과급 한도를 1.5bar로 올리면 148°C까지 오릅니다. 이 일을 하는 데에도 힘이 듭니다. 공기 1kg마다 90kJ, 6,000rpm에서 약 18kW이고, 모두 터빈이 배기가스에서 가져온 것입니다.

공기를 식혀 밀도를 되찾습니다

뜨거운 공기는 묽습니다. 이상기체 식은 세 값을 ρ = p / (R T)로 묶고, 공기의 R은 287J/(kg·K)입니다. 과급 1bar에서 압축기를 나온 공기는 201,325Pa, 387.9K이므로

ρ = 201,325 / (287.05 × 387.9) = 1.808kg/m³입니다.

압력은 거의 두 배가 되었는데 밀도는 1.53배밖에 늘지 않았습니다. 늘어난 몫의 상당 부분이 열로 갔기 때문입니다. 뜨거운 공기가 실린더로 들어가면 점화 플러그가 불꽃을 튀기기 전에 혼합기가 저절로 타 버리는 노킹에도 가까워집니다.

인터쿨러는 흡기용 라디에이터입니다. 압축된 공기는 납작한 관 속을 지나고, 차 앞쪽으로 들어오는 바람이 관 사이의 핀을 스치며 열을 가져갑니다. 모형의 인터쿨러는 온도 상승분의 75%를 덜어 냅니다.

T₃ = 387.9 − 0.75 × (387.9 − 298.15) = 320.6K, 약 47°C입니다.

압력이 같아도 밀도는 201,325 / (287.05 × 320.6) = 2.188kg/m³로, 바깥 공기의 1.85배가 됩니다. 조작 탭에서 인터쿨러를 끄면 과급 압력은 그대로인데도 4,000rpm 출력이 115kW에서 95kW로 떨어집니다.

과급 압력을 한도에 묶어 두는 법

엔진 회전수가 높으면 배기가스는 터보에 필요한 양보다 훨씬 많아집니다. 모형에서 6,000rpm, 스로틀 끝까지라면 배기가스는 압축기를 압력비 3 정도까지 돌릴 수 있고, 이는 엔진이 버티도록 만든 값을 훌쩍 넘습니다. 이것을 막는 것이 웨이스트게이트입니다. 터빈 하우징 안의 덮개로, 출구로 곧장 이어지는 구멍을 열어 가스 일부가 터빈 휠을 비켜 가게 합니다. 스프링과 막이 든 밀폐 통인 액추에이터가 과급 압력이 한도에 닿으면 이 덮개를 밀어 엽니다. 가렛의 설명대로 정해 둔 압력에서 웨이스트게이트가 열리고 배기가스가 터빈을 우회합니다.

「과급 한도」 슬라이더가 그 정해 둔 압력을 바꿉니다. 4,000rpm에서는 덮개가 16%쯤 열리고, 6,000rpm에서는 절반쯤 열립니다. 엔진 회전수가 올라가도 계기판의 과급 압력은 1bar에 머뭅니다. 한도를 0으로 두면 덮개가 활짝 열린 채로 있고, 엔진은 터보 없는 엔진처럼 숨 쉬며 6,000rpm에서 약 94kW를 냅니다.

힘이 늦게 오는 이유

터보는 배기가스가 미는 만큼만 빨라질 수 있는데, 스로틀을 살짝 밟고 달릴 때는 배기가스가 많지 않습니다. 페달을 끝까지 밟아도 처음에는 엔진이 스스로 들이마시는 공기만 들어갑니다. 그러면 배기가스가 조금 늘고, 터보가 조금 빨라지고, 과급이 조금 오르기를 되풀이하다가 한도에 닿습니다. 이 기다림을 터보 랙이라고 부릅니다.

모형은 축의 회전수가 목표값을 향해 지연을 두고 올라가게 했고, 배기가스가 적을수록 지연을 길게 잡았습니다. 2,000rpm에서 스로틀을 15%에서 끝까지 밟으면 축은 약 19,800rpm에서 101,600rpm으로 올라가는데, 0.7초 만에 절반, 2.4초 만에 90%에 닿습니다. 3,500rpm에서는 같은 동작이 90%까지 1.7초 걸립니다. 안내의 마지막 단계가 이 시험을 보여 주며, 그래프에서 빨간 회전수 선과 파란 과급 선이 회색 스로틀 선보다 늦게 따라옵니다.

이와 따로 생기는 현상이 하나 더 있습니다. 엔진 회전수가 낮으면 아무리 기다려도 배기가스가 터보를 충분히 빨리 돌리지 못합니다. 모형에서 2,000rpm 스로틀 끝까지는 0.45bar에 그치고, 한도까지 과급이 차는 것은 약 3,500rpm부터입니다. 이를 부스트 임계점이라고 합니다. 제조사들은 더 작고 가벼운 휠, 트윈 스크롤 하우징, 터빈 안의 가변 날개, 그리고 최근에는 축에 붙인 전기 모터로 두 문제를 줄여 왔습니다.

실제 터보와 다른 점

• 터보의 크기는 대략 실물에 맞췄지만 하우징 벽, 날개 모양, 배관 경로는 단순하게 그렸습니다.
• 기본 판독표의 압축기 효율, 인터쿨러 효율, 엔진의 체적 효율은 고정된 값입니다. 실제로는 유량과 회전수에 따라 바뀝니다. 압축기 맵 칸은 그 변화를 50 mm 날개에 맞춰 공개된 맵 모양으로 그린 모형 맵으로 보여 주며, 특정 제조사의 자료는 아닙니다.
• 배기 쪽은 터빈이 낼 수 있는 압력을 식 하나로 정하고 나머지는 웨이스트게이트가 덜어 내게 했습니다. 실린더마다 오는 맥동, 배압, 배기 온도는 계산하지 않았습니다.
• 엔진은 공기와 연료의 비 14.7, 효율 30%로 고정해 연료를 태웁니다. 실제 터보 엔진은 최대 과급에서 연료를 더 진하게 쓰고, 노킹을 피하려고 점화 시기를 늦춥니다.
• 필터, 배관, 인터쿨러에서 생기는 압력 손실은 넣지 않았습니다. 블로오프 밸브는 무대에 그려져 있고, 그 효과는 압축기 맵 칸에서만 계산합니다. 밸브를 끄고 스로틀을 갑자기 닫으면 운전점이 서지선을 넘습니다.

선박 엔진에서 작은 승용차까지

보통 스위스 기술자 알프레트 뷔히(Alfred Büchi)가 1905년에 낸 특허를 터보차저의 시작으로 봅니다. 브라운 보베리(Brown Boveri)는 1924년 6월 큰 엔진용 첫 터보차저 VT402를 완성했고, 1926년 진수한 독일 여객선 프로이센호와 한자슈타트 단치히호가 뷔히의 감독 아래 만든 터보 엔진을 단 첫 배가 됐습니다. 다음은 항공기였습니다. 1930년대 말부터 보잉 B-17이 제너럴 일렉트릭의 터보를 달고 날았고, 터보는 높은 하늘의 묽은 공기 속에서도 엔진 힘을 지켜 주었습니다. 자동차에서는 터보 랙과 큰 덩치가 오랫동안 걸림돌이었습니다. 지금은 작은 엔진에서 더 큰 힘을 얻는 흔한 방법이 됐고, 이를 다운사이징이라고 부릅니다.

과급 1 bar가 공기량을 정확히 두 배로 만들지 않는 이유

과급계는 보통 대기압보다 얼마나 높은지를 표시하지만, 기체 법칙에는 진공을 기준으로 한 절대압력이 필요합니다. 계산을 단순하게 하려고 대기압을 절대압력 1 bar로 가정하고 흡기 온도는 같다고 하겠습니다. 과급 1 bar이면 절대압력은 2 bar입니다. ρ = p / (R T)에 따라 절대압력이 두 배이면 밀도도 두 배가 되므로 같은 실린더에 공기 질량이 두 배 들어갑니다. 그렇다고 1 bar를 더할 때마다 공기량이 두 배가 되는 것은 아닙니다. 절대압력 2 bar에서 1 bar를 더하면 비율은 3 / 2입니다.

온도가 달라지면 결과도 달라집니다. 절대압력을 두 배로 높이는 동안 공기가 300 K에서 400 K로 뜨거워진다고 가정하겠습니다. 모형의 설정값이 아니라 설명을 위한 가정입니다. 밀도비는 2 × 300 / 400 = 1.50입니다. 같은 압력에서 330 K까지 식히면 2 × 300 / 330 = 1.82가 됩니다. 이 계산에서 냉각기는 압력을 높이지 않았습니다. 이미 주어진 공간에 공기가 더 많이 들어가도록 한 것입니다. 반드시 켈빈 온도를 써야 합니다. 섭씨 온도는 절대영도에서 시작하지 않으므로 섭씨 숫자를 나누면 틀립니다.

전시는 반올림한 1 bar 대신 대기압 1.013 bar를 사용합니다. 따라서 과급 1 bar일 때 압력비는 2보다 조금 작고, 온도와 밀도도 이 연습 계산과 조금 다릅니다. 실제 인터쿨러에서는 압력 손실도 생기며, 필터가 막히면 압축기 입구 압력이 내려갑니다. Garrett의 압축기 성능 지도 안내서는 실제 압력비를 구할 때 입구와 출구의 손실을 모두 반영합니다. 계기판의 과급 수치만으로는 압축기의 부담을 알 수 없습니다.

출력도 오해하기 쉽습니다. 산소가 늘어나면 연료를 더 태울 수 있지만 산소가 연료를 대신하지는 않습니다. 혼합비와 효율을 고정한 이 전시에서는 공기 질량에 비례해 계산 출력이 늘어납니다. 실제 제어기는 토크를 제한하거나 점화 시기를 늦추고 혼합비를 바꿀 수 있습니다. 과급계 수치가 같은 엔진도 흡기 온도와 배기량, 출력이 다를 수 있습니다. 과급은 유용한 정보이지만 마력이나 기계적 안전성을 직접 측정한 값은 아닙니다.

큰 날개를 무조건 빠르게 돌릴 수 없는 이유

앞의 날개 끝 속도 계산은 회전수 표시를 실제 이동 속도와 연결합니다. 모형처럼 지름이 50 mm인 날개는 100,000 rpm에서 끝 속도가 약 262 m/s이고, 250,000 rpm에서는 약 654 m/s입니다. 작은 터보에서 가능한 회전수 범위를 기하학적으로 비교한 예일 뿐, 이 날개에 허용된 운전 조건이라는 뜻은 아닙니다. 실제 날개가 견딜 수 있는지는 재료와 날개 모양, 제조사의 회전수 한계에 달려 있습니다. 화면의 입자와 느리게 표시한 회전으로는 이런 응력을 볼 수 없습니다.

반지름이 같다면 날개 일부를 원운동시키는 데 필요한 가속도는 각속도의 제곱에 비례합니다. 속도가 두 배이면 구심 가속도는 네 배가 필요합니다. 반지름이 커져도 같은 회전수에서 끝 속도가 높아집니다. 그래서 대형 산업용 터보가 자동차용 소형 터보보다 훨씬 느리게 돌아도 유용한 일이 적다고 할 수 없습니다. MIT 강의는 원심 응력을 압축기 회전수의 제약으로 설명합니다. 날개 크기 없이 회전수만 인용하면 설계 문제의 상당 부분을 놓칩니다.

압축기 성능 지도에는 또 다른 제약이 나타납니다. Garrett의 지도는 가로축에 질량 유량, 세로축에 절대압력비를 놓습니다. 곡선은 회전수를 나타내고, 효율이 같은 영역을 둘러싼 선은 축의 일이 열로 낭비되는 정도를 보여 줍니다. 유량이 적은 쪽의 서지는 유동이 불안정한 상태를 가리키며 출력이 낮다는 뜻과는 다릅니다. 유량이 많은 경계에서는 초킹과 효율 저하가 작동 범위를 제한하며, 압력을 더 높이려다 과회전할 수 있습니다. 큰 압축기가 무조건 좋은 것은 아닙니다. 필요한 회전수 범위 전체에서 엔진의 운전점이 지도에 맞아야 합니다.

스로틀을 갑자기 닫으면 날개는 계속 도는데 엔진이 받아들이는 공기가 줄어들어 서지 쪽으로 이동할 수 있습니다. 실제 장치는 압축기 바이패스 밸브나 블로오프 밸브로 이를 완화합니다. 배기 쪽의 웨이스트게이트와는 다른 부품입니다. 전시의 맵 칸에서는 블로오프 밸브를 끄고 운전점이 모형 서지선을 넘는 모습을 볼 수 있지만, 맵이 모형이므로 서지 소리를 예측하거나 교체용 터보가 맞는지 판단할 수는 없습니다. 스로틀 실험은 과급의 지연을 보여 줄 뿐, 실제 흡기에서 생기는 모든 불안정을 재현하지 않습니다.

배기 맥동을 나누는 방법과 터빈 입구를 바꾸는 방법

트윈 스크롤 터빈도 터빈 날개는 하나입니다. 하우징의 배기 통로가 나뉘어 있고 분할된 매니폴드가 특정 실린더 묶음의 배기를 날개 앞까지 분리합니다. 이렇게 하면 배기 맥동을 더 잘 활용하고 실린더 사이의 간섭을 줄일 수 있습니다. BorgWarner의 양산 6기통 적용 설명은 분리된 통로가 저회전 응답에 도움이 되는 이유를 다룹니다. 트윈 스크롤은 트윈 터보가 아닙니다. 매니폴드의 통로는 그대로 두고 하우징에 칸막이만 넣어서는 같은 구조가 되지 않습니다.

가변 지오메트리는 다른 부분을 바꿉니다. 터빈 둘레의 가동 안내 날개가 유효 입구 통로를 조절합니다. Garrett의 디젤 VGT 설명에 따르면 엔진 저회전에서는 안내 날개를 닫아 터빈 동력과 과급을 높이고, 고회전에서는 열어 배기를 더 많이 통과시키며 과회전을 피합니다. 터빈 날개 자체의 크기를 바꾸는 것은 아닙니다. 고정 하우징보다 넓은 유량 범위에 대응할 수 있지만 액추에이터의 복잡성과 뜨거운 배기 환경은 여전히 고려해야 합니다.

어느 설계도 회전자를 가속할 에너지가 필요하다는 사실을 없애지는 못합니다. 맥동을 더 잘 쓰거나 입구를 알맞게 조절하면 응답을 줄일 수 있지만, 배기가 약하면 공급 에너지에 한계가 있습니다. 작은 터빈은 저회전 응답에 유리하면서도 큰 유량에서는 저항이 될 수 있습니다. 큰 터빈은 그 저항을 줄이는 대신 가속하기 어려울 수 있습니다. 선택은 엔진과 사용 조건에 달려 있으며 보편적인 우열로 정할 수 없습니다. 패널의 형식 비교에서 웨이스트게이트, 트윈스크롤, 가변 형상, 전동 보조 터보로 무대를 바꿔 모형 과급과 응답을 비교할 수 있습니다. 처음 화면의 터빈은 앞서 설명한 고정 지오메트리와 웨이스트게이트 방식입니다.

다운사이징이 연료를 아끼는 조건

다운사이징은 큰 엔진을 작은 엔진으로 바꾸고 높은 출력이 필요할 때 과급을 사용하는 방식입니다. 일상 주행에서는 최대 출력의 일부만 필요한 시간이 많습니다. 작은 엔진은 마찰이 적을 수 있고 같은 주행 부하에서 스로틀을 덜 조인 상태로 작동할 수 있습니다. 터보는 배기량을 줄이면서 잃게 되는 성능을 보충합니다. 같은 일을 하는 엔진 시스템 전체를 비교하는 이야기이지, 어떤 엔진에든 터보를 달면 자동으로 연료를 아낀다는 주장은 아닙니다.

EPA의 자동차 동향 보고서는 터보를 다른 엔진 기술과 함께 분류하고 성능과 효율에 미치는 결합 효과를 다룹니다. 이런 차량 집단 자료는 기술 보급과 완성차의 변화를 설명하지만, 터보 하나만의 확정적인 절감률을 분리해 주지는 않습니다. 차량 질량과 기어비, 주행 저항, 제어 설정이 모두 영향을 줍니다. 공정하게 비교하려면 동등한 차량을 같은 주행 일정으로 시험해야 합니다. 차량이나 주행 사이클을 계산하지 않는 전시의 출력 표시에서 특정 연료 절감률을 읽어낼 수는 없습니다.

강한 과급에는 한계도 있습니다. 흡기 압력과 온도가 높으면 가솔린 엔진의 미연소 혼합기가 정상 화염에 다 타기 전에 스스로 점화하기 쉬워집니다. 이에 따른 급격한 압력 진동이 노킹이며, 의도한 점화플러그 점화와는 다릅니다. 흡기를 식히거나 내노킹성이 충분한 연료를 쓰고 점화 시기를 조절하면 도움이 됩니다. 압축비도 중요하지만 이는 실린더의 기하학적 부피비이지 압축기의 압력비가 아닙니다. 서로 다른 과정을 나타내는 두 비율을 더해서는 안 됩니다. 모형은 효율과 혼합비를 고정하고 노킹을 계산하지 않으므로 출력 수치가 올라간다고 실제 차의 과급 한계를 높여도 된다는 뜻은 아닙니다.

벨트 구동 슈퍼차저는 크랭크축에서 압축기 일을 공급하므로 배기 터빈의 가속을 기다리지 않고 응답할 수 있습니다. 대신 그 축동력은 엔진 출력에서 가져옵니다. 전동 보조 터보는 터빈과 압축기의 공통 축에 모터 토크를 더합니다. BorgWarner의 eTurbo 자료는 남는 터빈 에너지로 발전하는 작동도 설명합니다. 별도 제품인 eBooster는 일반 터보를 보조하는 전동 압축기이며 터보 축에 모터를 단 장치와는 다릅니다. 배터리 에너지와 전기 손실, 방열까지 계산해야 합니다. 어느 방식도 공짜 압축 공기를 만들지는 않습니다.

화면에서 비교하는 세 가지 조건

냉각을 비교하려면 엔진을 4,000 rpm, 스로틀을 최대로 두고 과급 한계를 1 bar로 설정합니다. 축 회전수와 과급 그래프가 안정된 뒤 출력을 기록하고 인터쿨러만 바꿉니다. 모형은 냉각할 때 약 115 kW, 냉각하지 않을 때 약 95 kW를 표시합니다. 과급뿐 아니라 엔진으로 들어가는 온도와 실린더당 공기도 비교합니다. 엔진 크기를 바꾸는 실험이 아니라 압력이 거의 같은 조건에서 밀도를 비교하는 실험입니다.

응답을 비교할 때는 2,000 rpm과 스로틀 15%에서 충분히 기다린 뒤 스로틀을 최대로 움직입니다. 최근 8초 그래프에서는 스로틀 선이 먼저 움직이고 회전자 응답을 따라 과급이 올라갑니다. 시작 스로틀은 그대로 두고 3,500 rpm에서 반복합니다. 여러 설정을 바꾼 직후의 그래프끼리 비교하면 초기 축 회전수가 달라지므로 조건이 맞지 않습니다. 전시의 단순한 지연식은 같은 실험을 반복하게 해 주지만 양산 엔진의 가속 실측 자료는 아닙니다.

웨이스트게이트를 비교하려면 스로틀을 최대로 유지하고 과급 한계를 그대로 둔 채 엔진을 4,000 rpm에서 6,000 rpm으로 올립니다. 정상 상태의 과급은 제한되지만 웨이스트게이트 개도는 커집니다. 더 열린다고 터보가 일을 멈춘 것은 아닙니다. 배기가 계속 날개를 돌리되 우회하는 비중이 늘어난 것입니다. 마지막으로 과급 한계를 0으로 설정하고 안정된 뒤 출력을 비교합니다. 이 실험들은 냉각과 과도 응답, 과급 제어를 구분하며 연비나 노킹까지 재현한다고 주장하지 않습니다. 아래의 압축기 맵과 네 가지 터보 형식도 그려 넣은 모형이며, 그 숫자에는 모형이라고 표시해 두었습니다.

압축기 맵 읽기

터보 제조사는 압축기를 그림 한 장, 압축기 맵으로 설명합니다. 조작 탭에는 이 모형의 50 mm 휠에 맞춘 맵이 있습니다. 가로축은 압축기를 지나는 공기의 양이고, 세로축은 출구 절대압을 입구 절대압으로 나눈 압력비입니다. Garrett 카탈로그가 맵의 각 부분을 설명합니다. 같은 축 회전수를 잇는 선은 터보가 빨리 돌수록 위로 올라갑니다. 효율이 같은 곳을 이은 고리인 효율 섬이 가장 좋은 점을 둘러싸고, 바깥 고리로 갈수록 효율이 떨어집니다. 오른쪽 경계는 초크선으로, Garrett 는 효율이 58 % 아래로 떨어지는 곳에 이 선을 긋습니다. 그 너머에서는 효율이 무너지고 축 회전수가 한계에 다가갑니다. 왼쪽 경계는 서지선입니다.

맵의 유량은 보정 유량입니다. 입구 공기가 정해 둔 기준 온도와 압력이라고 쳤을 때 지나갈 유량으로, 다른 날 잰 맵끼리 비교할 수 있게 해 줍니다. Garrett 의 기준은 545 °R(302.8 K)과 13.95 psi(96.2 kPa)입니다. 모형의 바깥 공기는 이보다 따뜻하고 압력이 높아서, 보정 유량은 실제 유량의 0.942배가 됩니다.

빨간 점은 압축기가 지금 일하는 자리입니다. 과급 1 bar, 6,000 rpm 에서 엔진은 초당 0.197 kg 의 공기를 마십니다. 보정하면 0.186 kg/s 이고, lb/min 으로는 24.5 입니다. 압력비는 1.99 이고 점은 가운데 섬에 있으며, 그린 맵에서 효율은 78 % 입니다. 1.5 bar 에서는 점이 0.226 kg/s(29.9 lb/min), 압력비 2.48 로 옮겨 가고 그 아래 섬은 76 % 입니다. 점선은 1,500~6,000 rpm 전부하 점들을 이은 것이라 엔진 전체가 맵 위를 지나는 길을 한 번에 볼 수 있습니다.

판독표는 식을 단순하게 두려고 압축기 효율을 0.72 하나로 고정합니다. 맵 아래 줄은 점 아래 섬의 효율을 쓰면 어떻게 되는지 보여 줍니다. 1 bar, 6,000 rpm 에서 0.72 대신 0.78 이면 압축기를 나온 공기는 115 °C 에서 108 °C 로 내려갑니다. 효율 섬과 서지선의 모양은 이 모형에 맞춰 그린 것이며 제조사가 측정한 맵이 아니라고 맵 칸에 적어 두었습니다.

서지와 초크, 블로오프 밸브

서지는 맵의 왼쪽, 압력비는 높은데 유량이 적은 곳에서 일어납니다. Garrett 는 이곳을 가벼운 떨림부터 과급이 크게 요동치는 것까지 나타나는 불안정한 흐름 영역이라고 설명하고, 이 상태로 오래 달리면 큰 축 방향 하중 때문에 터보가 일찍 망가질 수 있다고 경고합니다. 가장 쉽게 이곳에 가는 방법은 최대 과급에서 스로틀을 갑자기 닫는 것입니다. 축은 아직 돌고 있으니 압축기는 같은 압력비를 밀어내지만, 닫힌 스로틀은 공기를 거의 들여보내지 않습니다.

모형에서 숫자로 보면 이렇습니다. 4,000 rpm, 1 bar 에서 축은 약 142,300 rpm 으로 돌고 압력비는 1.99 입니다. 스로틀을 10 % 로 닫으면 엔진은 0.029 kg/s 만 받아들입니다. 그 압력비에서 그린 서지선은 0.059 kg/s 이므로 점은 서지선 훨씬 왼쪽으로 튑니다. 화면에서는 점이 떨리고, 서지 경고가 뜨고, 압축기 입구에서 빨간 고리가 깜박입니다.

흔한 해결책이 블로오프 밸브, 또는 바이패스 밸브입니다. Garrett 는 둘을 함께 설명합니다. 블로오프 밸브는 갇힌 공기를 바깥으로 내보내고, 되돌림 바이패스 밸브는 압축기 입구로 돌려보냅니다. 어느 쪽이든 압축기를 지나는 흐름이 뚝 끊기지 않고 부드럽게 줄어듭니다. 모형의 밸브는 충전 배관 위에 있고 입구 배관으로 호스가 이어집니다. 밸브를 켜 두면 유량과 함께 압력비도 내려가서 점이 서지선을 넘지 않습니다.

초크는 반대쪽 경계입니다. 휠이 감당할 수 있는 것보다 많은 공기를 압축기에 요구할 때 닿는 경계입니다. 효율이 빠르게 떨어지고, 같은 과급에도 출구 공기가 더 뜨거워지며, 축 회전수는 한계로 올라갑니다. Garrett 의 조언은 짧습니다. 운전점이 초크를 넘으면 더 큰 압축기가 필요합니다. 예를 들어 Garrett 는 G25-550 의 최고 허용 회전수를 185,000 rpm 으로 정하고, 모형의 50 mm 휠은 1.5 bar 를 내려면 약 166,400 rpm 이 필요합니다.

희박한 공기와 압력비

압력비는 해수면이 아니라 압축기가 들이마시는 공기를 기준으로 셉니다. Garrett 의 예를 따라가 봅니다. 해수면에서 바깥 공기는 절대압 14.7 psi 이므로 계기에 12 psi 과급이면 압력비는 (12 + 14.7) / 14.7 = 1.82 입니다. 필터와 흡기관이 입구를 1 psi 낮추면 1.95 로 오릅니다. 공기가 약 12.4 psi 인 덴버에서는 같은 계기 값에 (12 + 12.4) / (12.4 − 1) = 2.14 가 필요합니다.

맵의 고도 버튼은 NASA 의 대기 하층 모형을 씁니다. 1 km 오를 때마다 기온이 약 6.5 °C 내려가고 압력은 그 기온에서 계산됩니다. 덴버 높이인 1,524 m 에서는 5.2 °C, 84.4 kPa, 3,000 m 에서는 −4.4 °C, 70.2 kPa 입니다. 6,000 rpm, 1 bar 의 흡기 압력 201 kPa 를 그대로 내려면 1,524 m 에서 압력비 2.39, 3,000 m 에서 2.87 이 필요하고 보정 유량도 커집니다. 맵에서는 점선 전체가 오른쪽 위로, 더 높은 회전수와 초크선 쪽으로 밀려납니다. 판독표는 해수면 그대로이고 고도는 맵에만 반영됩니다.

터빈을 돌리는 네 가지 방식

이 전시의 엔진은 가장 단순한 구성, 스크롤 하나와 웨이스트게이트 플랩을 씁니다. 실제 엔진은 다른 세 가지 가운데 하나를 쓰는 일이 많고, 조작 탭에서 같은 엔진과 압축기에 네 가지를 바꿔 달 수 있습니다.

트윈스크롤 터빈은 벽으로 스크롤을 둘로 나눠, 잇따라 폭발하는 실린더의 배기 맥동이 서로 방해하지 않고 따로 휠에 닿게 합니다. BorgWarner 는 자사 트윈스크롤 터보가 출력과 빠른 응답을 함께 준다고 설명합니다. 3D 에서는 잘린 스크롤 두 단면을 가로지르는 칸막이 벽으로 보입니다.

가변 형상 터빈(VGT)은 터빈 휠 둘레에 안내 날개 고리가 있습니다. Garrett 는 원리를 이렇게 설명합니다. 엔진 회전이 낮을 때 날개가 닫혀 배기 흐름을 좁히고 터빈 힘과 과급을 높이며, 높을 때는 열려 흐름을 통과시키고 터보가 너무 빨리 돌지 않게 합니다. Garrett 는 자사 가변 형상 터보가 지난 삼십 년 동안 7,000만 대 넘는 디젤 엔진에 쓰였다고 밝힙니다. 이 모형에서는 날개가 웨이스트게이트 일까지 맡으므로, 이 형식을 고르면 플랩과 액추에이터가 사라집니다. 포르쉐는 2006년 997 세대 911 Turbo 가 이 기술을 단 첫 가솔린 양산차라고 밝히고, 폭스바겐은 1.5 TSI evo 가 대량 생산 가솔린 엔진에 처음으로 이를 넣었으며 절대 과급 압력이 최대 2.3 bar 라고 밝힙니다.

전동 터보는 두 휠 사이 축에 전동기를 답니다. 메르세데스-AMG 는 M139l 엔진을 전동 배기 터보를 단 첫 양산 엔진이라고 부릅니다. 축 위의 1.6인치 얇은 전동기가 배기보다 먼저 터보를 돌리고, 회전수는 최대 175,000 rpm 입니다. 전동 터보를 만드는 Garrett 는 이유를 간단히 설명합니다. 축에 전동기가 있으면 적은 유량에서 압축기를 돌리려고 터빈을 작게 만들 필요가 없어, 최대 출력에 맞춰 크기를 정할 수 있습니다. Garrett 는 E-Turbo 결과로 1,500 rpm 에서 토크 상승률 4배를 꼽습니다.

모형은 형식마다 두 가지를 바꿉니다. 배기 유량이 적을 때 터빈이 더 얻는 힘, 그리고 축이 감기는 빠르기입니다. 2,000 rpm, 스로틀 끝까지에서 웨이스트게이트 터보는 0.45 bar, 트윈스크롤 0.53 bar, VGT 0.83 bar, 전동 터보는 1 bar 를 다 냅니다. 스로틀을 15 % 에서 끝까지 밟은 뒤 과급이 최종 값의 90 % 에 닿는 시간은 2.16 s, 1.75 s, 1.48 s, 0.40 s 입니다. 이 값들은 변화의 방향을 보이려고 정한 모형 값이며, 어느 엔진의 시험 결과도 아닙니다.

숫자로 보는 흡기 냉각

냉각 계산기는 판독표와 같은 식을 쓰면서 바깥 기온, 과급, 인터쿨러 효율을 바꿀 수 있게 합니다. 25 °C 날 1.5 bar 에서 압축기를 나온 공기는 148 °C 입니다. 오른 온도의 75 % 를 덜어 내는 인터쿨러는 이를 56 °C 로, 80 % 는 50 °C 로, 85 % 는 43 °C 로 낮춥니다. 6,000 rpm 출력으로는 210 kW, 214 kW, 218 kW 이고, 같은 과급에 인터쿨러가 없으면 164 kW, 터보가 아예 없으면 94 kW 입니다. 1 bar 에서는 인터쿨러 덕분에 실린더마다 공기가 21 % 더 들어갑니다.

양산차에 처음 인터쿨러를 단 것은 1978년 포르쉐 911 Turbo 3.3 으로, 뒤 스포일러 아래에 두었습니다. 포르쉐는 5,500 rpm 에서 221 kW 를 내려면 흡기 온도를 낮추는 일이 꼭 필요했다고 적습니다.

공기량으로 터보 고르기

터보는 엔진 배기량만이 아니라 엔진이 필요로 하는 공기량으로 고릅니다. Garrett 의 어림 규칙은 터보 가솔린 엔진이 공기 1 lb/min 마다 플라이휠에서 1011 hp 를 낸다는 것이라, 400 hp 를 노리면 3640 lb/min 이 필요합니다. Garrett 는 카탈로그의 마력 값이 압축기 맵의 초크 유량에서 나온다고도 밝힙니다. 이를 거꾸로 쓰면 카탈로그의 어느 터보든 초크 유량을 대략 구할 수 있습니다. 최고 마력을 10.5 로 나누면 됩니다. 도감 칸은 이 값을 추정이라고 표시합니다.

모형 엔진은 6,000 rpm, 1 bar 에서 24.5 lb/min, 1.5 bar 에서 29.9 lb/min 이 필요합니다. 이 최대치가 터보 범위 안쪽, 초크 유량의 6085 % 쯤에 오면 알맞은 짝입니다. 1.5 bar 에서 Garrett 가 200475 hp 로 정한 GTX2860R Gen II 의 초크 유량 추정은 45.2 lb/min 이고, 엔진 최대치는 그 66 % 를 씁니다. 이 터보의 압축기 휠은 입구 46 mm, 출구 60 mm 이고, 모형 휠은 출구 50 mm 입니다. 모형은 29.9 lb/min 으로 282 hp 를 내서 1 lb/min 당 9.4 hp 인데, Garrett 규칙보다 조금 낮은 것은 모형의 제동 효율이 0.30 으로 수수하기 때문입니다.

50년의 911 Turbo

포르쉐가 직접 정리한 911 Turbo 역사는 이 페이지를 요약한 것처럼 읽힙니다. 첫 911 Turbo 인 1974년 930 은 3.0 L 에 과급 압력을 조절하는 터보 하나로 191 kW 를 냈습니다. 1978년 3.3 L 판은 인터쿨러를 더해 221 kW 를 냈습니다. 1992년 964 는 과급이 더 일찍 차오르도록 3.6 L 로 키워 265 kW 가 되었습니다. 1995년 993 은 큰 터보 하나 대신 작은 터보 둘을 달아 지연을 줄이고 300 kW 를 냈습니다. 1999년 996 은 처음으로 수랭 엔진을 써서 309 kW 였습니다. 2006년 997 은 가변 터빈 형상을 들여와 353 kW, 2013년 991 은 383 kW, 2020년 992 는 427 kW 입니다. 그동안 출력은 두 배를 넘었고, 단계마다 이 전시의 생각 하나씩이 쓰였습니다.

도감 숫자의 출처

도감에는 61개 항목이 있습니다. 50개는 Garrett 의 Performance Catalog 9권(2023)에 실린 터보로, G, GTX, GT, GBC, GTW 계열입니다. 항목마다 Garrett 의 마력 범위, Garrett 가 권하는 엔진 배기량, 압축기 휠과 터빈 휠의 입구·출구 지름을 적힌 그대로 옮겼고, 한 몸체에 휠 두 가지가 실린 경우에는 둘 다 적었습니다. 나머지 11개는 제조사가 직접 밝힌 터보 엔진입니다. 포르쉐 911 Turbo 8세대, 폭스바겐 TSI evo 엔진 2개, 메르세데스-AMG M139l 입니다. 출력은 각 제조사가 쓴 단위 그대로입니다. 계산한 값은 초크 유량 추정(마력 ÷ 10.5)과 모형 엔진이 그 가운데 쓰는 몫뿐입니다. 엔진을 열면 모형이 그 엔진의 터보 형식으로 바뀌고, 초기 911 두 대는 만들어진 그대로 인터쿨러를 켜거나 끕니다.