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과급기

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파일:슈퍼차저(원심식) 과급기.jpg 파일:슈퍼차저(루츠/리스홀름식).gif 파일:터보차저.gif
슈퍼차저(원심식) 슈퍼차저(루츠/리스홀름식) 터보차저

1. 개요2. 역사3. 작동 방식
3.1. 슈퍼차저
3.1.1. 기본원리3.1.2. 장점3.1.3. 단점3.1.4. 슈퍼차저 제작회사
3.1.4.1. 루츠/스크류식 슈퍼차저3.1.4.2. 원심식/임펠러 방식 슈퍼차저3.1.4.3. 특/초대형 슈퍼차저
3.1.5. 전동식 슈퍼차저
3.2. 터보차저
3.2.1. 기본 원리3.2.2. 구성3.2.3. 주변 장치3.2.4. 터보랙(Turbo-Lag)3.2.5. 터보 컴파운드3.2.6. 장착 방식에 따른 분류3.2.7. 터보차저 제작회사
3.3. 트윈차저
4. 활용
4.1. 자동차
4.1.1. 관리
4.2. 항공기4.3. 선박4.4. 오토바이
5. 같이보기

1. 개요

과급기 (過給機, Forced Induction)는 공기를 압축하여 내연기관의 연소실로 더 많은 공기를 보내, 엔진의 출력과 효율을 높이는 장치이다. 연료가 연소될 때 보다 많은 산소를 공급해 불완전 연소를 줄이는 방식으로 작동한다. 동일한 배기량의 엔진에서 더 높은 출력과 효율을 기대할 수 있다. 공기를 압축하는 힘을 어디에서 얻느냐에 따라 크게 슈퍼차저와 터보차저로 나뉘며, 슈퍼차저는 엔진의 출력을 이용하는 방식, 터보차저는 배기가스를 이용하는 방식이다.

2. 역사

과급기의 역사는 생각보다 오래되어서 1860년에 이미 특허가 등록된 바 있다. 다만 이 때 등록된 특허는 용광로용 과급기였다. 풀무의 확장판이었던 셈. 최초로 내연기관 과급기를 개발한 것은 독일의 엔진 및 자동차 개발자로 유명한 고틀리프 다임러(Gottlieb Daimler)다. 그리고 프랑스에서 처음으로 원심식 압축기를 사용한 과급기가 등장하여 곧 경주용 차에 쓰이게 되었다.

승용차에 먼저 쓰인 과급기는 슈퍼차저였다. 1920~30년대에 듀센버그에서 자사 차량에서 사용한 이후로 미국에서 유행하기 시작했다. 가솔린 터보차저는 연료시스템 기술 부족으로 인해 승용차에 쓰이기 시작한 시점이 늦었다. 1960년대에 올즈모빌이 당시 준중형차였던 커틀라스에 적용했던 것이 처음이다. 그 다음으로는 쉐보레 콜벳, 1978년에는 사브 99에 적용되었다. 디젤은 38년 트럭용 엔진에 처음 쓰였다.

3. 작동 방식

흡기계통의 중간에서 연소실로 향하는 공기를 압축하는 방식으로 작동한다. 이렇게 하면 연소실에 공급되는 공기의 밀도가 높아지고, 자연스럽게 산소의 양 또한 많아지므로 연소 효율이 높아지게 된다. 이렇게 높아진 효율을 출력을 높이거나 연료 소비량을 줄이는 데에 활용해 연비를 향상시키고 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다.

순정 과급기 차량의 가솔린 엔진은 보통 0.8~1.2bar, 디젤 엔진은 2bar까지 과급하는데, 과급압이 1bar만 되더라도 이론상 배기량이 원래 엔진의 두 배가 되는 효과가 나타난다. 다만 과급압은 엔진이 작동하는 전 과정에 걸쳐 계속 바뀌므로 배기량 향상 효과가 항상 일정한 것은 아니다. 때문에 항상 최적의 효율을 낼 수 있지는 않다.

과급기를 거친 공기는 압축되면서 온도가 올라가는데 엔진 효율에 좋지 않은 영향을 끼치게 된다. 열기관은 열 저장체(연료와 혼합된 기체)가 저온부(외부)에서 고온부(폭발 챔버)로 이동하면서 온도 차이로 팽창하며 발생하는 운동에너지를 뽑아내서 쓰는 기관이기 때문에[1] 저온부의 온도가 올라가면 고온부와의 온도차가 적어져 기체의 팽창률이 감소하며 효율이 급감하기 때문이다.

때문에 압축된 공기를 다시 한 번 냉각시키는 인터쿨러(Intercooler)가 반드시 필요하다. 옛날 현대 갤로퍼 쌍용 무쏘 뉴코란도처럼 측면에 큼지막하게 자랑하듯 'INTERCOOLER'를 표기했거나 보닛에 덕트 같은 게 있다면 이 시스템이 내장된 모델이다. 그러나 최근 과급기 장착 차량들은 인터쿨러가 안 달린 차가 거의 없어 굳이 이렇게 티를 내지 않으며, 디자인을 정리하기 위해 인터쿨러를 차량 전면부에 내장했기 때문에 굳이 확인하려면 보닛을 열거나 전면 그릴을 보는 수밖에 없다. 하지만 엔진룸이 좁은 랠리카, 소형 스포츠 차량이나, 전통적으로 덕트를 뚫어둔 차량들은[2] 아직 있다. 엔진이 뒤에 있다면 인터쿨러에서 파이프를 따와 지붕에 덕트를 붙이는 경우도 있다.

배치방식에 따라 특성도 달라지는데 엔진 위에다 두면 과급기와 엔진 사이의 흡/배기관 길이가 짧아지므로 리스폰스(응답성)가 좋아지게 되고, 전면 그릴 쪽에 배치하면 주행풍으로 냉각되는 효과가 나타나 냉각효율이 좋아진다. 냉각 방식은 공랭식[3]도 있고 수랭식도 있고 다양하다. BMW M4는 수랭식 인터쿨러에 더해 공기에 직접 물을 분사하는 방식을 활용한다. 이해가 안 되는 분들을 위한 동영상. 글로 설명하자면 극미량의 물을 압축되어 온도가 올라간 공기에 분사해 온도를 낮추는 것이다.

제2차 세계 대전 중 쓰인 항공기 중 일부는 추가 냉각을 위해 물과 알코올을 섞은 혼합액을 연료/공기 혼합기에 분사해주는 시스템을 사용하기도 했다. 전시 긴급 출력을 내는 데에 이를 활용하기도 했다. 물만 뿌려도 효과를 얻을 수는 있지만 항공기는 고고도에서 활동해야 하므로 순수한 물을 사용하면 쉽게 얼 수 있다. 때문에 알코올을 섞어 고고도에서도 얼지 않도록 하고, 노킹 예방 효과를 높였다.[4] 물론 이렇게 탑재되는 물과 알코올의 양은 한정되므로 보통 공중전처럼 긴급한 상황에서만 썼다. 차량에도 알코올(메탄올)과 물을 일정비율 혼합해서 사용하기도 한다. 출력 상승폭은 그리 크지 않지만 이 시스템을 장착한 차량의 엔진은 흡기 쪽이 엄청나게 깨끗하다고 한다. 단 분사된 물의 양이 과할 경우에는 연소실에서 압축되지 않아 커넥팅 로드가 휘는 사태가 발생할 수 있다. 때문에 함부로 이런 시스템을 추가하는 튜닝은 피하는 것이 좋다. 장시간 사용할 경우 점화 플러그가 부식될 수도 있기 때문에 이런 시스템을 사용한다면 반드시 이리듐 등의 내식성 소재로 만들어진 점화 플러그를 사용해야 한다.

슈퍼차저는 엔진 축에서 힘을 받아 쓰므로 어느 정도 동력 손실이 발생한다. 이를 슈퍼차저로 과급하여 출력을 향상시키는 방식으로 보상하며, 엔진에 직결되어 있으므로 반응성도 매우 좋다. 반대로 터보차저는 배기가스의 힘으로 압축기를 돌리므로 엔진 자체의 동력 손실은 거의 발생하지 않지만 엔진 회전수가 일정 이상이 되어야 제대로 과급이 이루어지는 터보 랙 현상이 있다. 터보 랙을 줄이기 위한 조정을 거치지 않은 터보 장착 차량은 특정 회전수에 도달하면 차량의 출력이 급증하게 되는데 이를 가지고 터보가 터진다고 표현하기도 한다.

3.1. 슈퍼차저

파일:아우디 3.0L TFSI 엔진.jpg
아우디 3.0L TFSI엔진으로, V형으로 배치된 각 실린더 뱅크 사이에 꽈배기처럼 생긴 부속이 루츠식 슈퍼차저이다. 위 사진에선 V6 TFSI 글자와 아우디 로고 사이에 있다.

3.1.1. 기본원리

파일:all_superchargers.jpg
공기를 압축하기 위해서는 로터를 돌려하는데, 슈퍼차저는 이 로터를 돌리는 동력을 엔진 동력축에서 얻는다.

슈퍼차저의 하우징 안에는 동력축과 연결된 구동 풀리, 엔진 회전수의 변화에 따라 구동축과 구동 풀리의 연결을 끊거나 이어서 구동저항이 생기지 않도록 조절하는 전자식 클러치, 슈퍼차저 회전 속도를 높여 줄 기어, 공기를 빨아들일 로터, 공기를 식혀줄 공랭/수랭식 인터쿨러, 공기가 필요 이상으로 들어가지 않게 조절해주는 바이패스 밸브가 들어간다. 터보차저에도 바이패스 밸브와 같은 역할을 하는 블로우 오프 밸브가 달린다.[5]

슈퍼차저 안에서도 압축기 디자인에 따라 다시 여러가지 유형으로 나뉜다. 로브/스크류 타입은 슈퍼차저 하우징 안의 로터를 맞물리게 돌려 공기를 강제로 유입시키는 방식이다. 과거에는 일자형 로브를 사용했지만 소음 문제가 심했고, 효율성도 높지 않아 현재는 대부분 스크류 방식을 사용한다. 스크류 방식 중에는 로브의 골 사이에 돌출부가 맞물려 돌아가는 루츠(Roots) 방식(로터리식)과, 로터의 암/수가 구분되도록 만든 리솔름/리스홀름(Lysholm) 방식[6]을 쓰지만, 설치공간이 좁거나 특수한 경우에는 터보차저에 쓰이는 원심식 임펠러 (Centrifugal Impeller) 방식도 사용한다.[7]

3.1.2. 장점


파일:머슬 슈퍼차져.jpg
머슬카와 슈퍼차저는 넉넉한 엔진룸, 대배기량, 출발 또는 변속 직후 출력이 좋기 때문에, 드래그 레이스에 아주 잘 어울리는 특성을 지니고 있다. 거기다가 미국과 호주에서는 이런 대배기량 엔진들이 많고 특유의 엄격한 교통단속 환경 덕분에, 경찰이 미처 발견하지 못할 정도로 짧은 시간에 상대와 겨뤄 승부를 끝내버려야 하는 특징과, 단 10초면 끝나는 드래그 레이스가 50년대부터 엄청난 인기를 구가함에 따라, 미국/호주의 자동차 튜닝 문화와 슈퍼차저는 떼려야 뗄 수 없는 관계가 되어버렸다. 때문에 슈퍼차저 튜닝의 진수를 보여주는 미국이나 호주의 고성능 머슬카들의 슈퍼차저 튜닝들을 보면, 상상 이상의 크기로 보닛을 뚫고나온 둥그런 구조물들을 볼 수 있다. 이것들은 드래그 레이스에 맞게 슈퍼차저를 무식하게 키워서, 출력이 최대 3,000마력이 나오는, 거의 기관차 수준의 괴물들이다.[14] 당연히 이런 시스템은 드래그 경주와 몬스터 트럭에서나 쓰지, 중량과 무게중심 그리고 공기저항 때문에 실생활에서나 쓰일 승용차나 트랙에서 달릴 경주차, 슈퍼카들은 이렇게나 과격한 튜닝은 하지 않는다.

슈퍼차저는 엔진에 직결되어 공기를 압축하는 특성상 가동 중 엔진출력을 계속 소모한다. 엔진 속도가 증가함에 따라 그 소모출력은 계속 증가하며[15] 엔진회전수에 따라 2 ~ 50마력의 출력을 사용한다. 또한 슈퍼차저 내부에는 인터쿨러가 설치되어 있어 과급 후 온도를 낮추어 공급하게 되어 있는데, 슈퍼차저 냉각수는 엔진을 냉각시키는 주 냉각수(primary coolant circuit)와는 별도의 순환시스템으로 구성되어 있어서 그 특성상 주 냉각수보다 온도가 낮게 유지된다.

또한 슈퍼차저는 높은 rpm으로 작동하는 기계부품이므로 특유의 소음 및 그에 따른 공진음이 발생하는데, 설치하려는 차량의 특성상
그 소음을 극도로 억제하는 설계가 이루어져 있다. 슈퍼차저는 여러 겹의 댐퍼로 둘러싸여있고 흡기 하우징과 파이프는 슈퍼차저에서 발생하는 특정주파수의 공진음을 억제하도록 설계되어 있는 식이다. 그래서 순정상태로 차량 주행시에는 운전석에서 슈퍼차저 소음이 아예 들리지 않지만 흡기 하우징이나 흡기 파이프를 사제 제품으로 바꾸면 상당한 크기의 슈퍼차저 소음이 올라온다. 높은 rpm으로 회전하는 기계부품에서 올라오는 하이톤의 소음이 워낙 독특하고 교체하는 것 또한 워낙 간단하고 저렴하기 때문에 일종의 배기음 튜닝처럼 흡기 부품 교체가 많이 이루어진다.

3.1.3. 단점

3.1.4. 슈퍼차저 제작회사

3.1.4.1. 루츠/스크류식 슈퍼차저
3.1.4.2. 원심식/임펠러 방식 슈퍼차저
3.1.4.3. 특/초대형 슈퍼차저
윗 사진의 본넷을 뚫고 나올 정도로 무식한 크기에, 1000마력 따위정돈 껌씹듯 아무렇지도 않을 정도로 무서운 성능을 발휘하는 레이싱용 슈퍼차저 전문 제조사들. 840마력이라는 괴력을 발휘하는 닷지 챌린저 데몬의 슈퍼차저 용량이 2.7리터에 정도인데, 이 회사들은 자사 기준으로 제일 작은 초소형(?) 제품조차도 3~3.5리터 이상급으로, 일반 슈퍼차저 제조사들의 웬만한 최고용량 제품보다도 더 큰 경우가 대부분이다. 크고 무거운데다, 압력까지 매우 높아 구동 벨트에 걸리는 부하가 장난없을 지경이어서, 일반적인 V리브 벨트따위는 절대 사용하지 못하고, 우악스럽게 톱니가 촘촘히 박히고 일반적인 벨트보다 폭이 2배는 넓은 코크벨트만 사용한다. 이런 슈퍼차저를 장착하면 전자제어 연료분사 방식을 거의 사용하지 않는데, 현존하는 튜닝/레이싱용 인젝터들조차도 이런 크나큰 슈퍼차저의 공기흡입량에 맞는 연료를 분사하는데 있어서 용량이 터무니없이 모자라기 때문인 경우가 대부분이라, 신형 엔진도 그냥 연료분사 장치를 다 들어내고, 흡기 다기관을 처음부터 완전히 새로 제작하여 대용량 캬뷰레터를 장착해 연료를 공급한다. 모두 루츠 타입으로만 제작된다.

3.1.5. 전동식 슈퍼차저

파일:electric supercharger.jpg
파일:electric supercharger1.jpg
기존 기계식 슈퍼차저의 큰 단점은 엔진의 힘을 빌려야 출력이 나오는 방식 때문에 출력 상승에 한계가 있다는 것이다. 그래서 기계식에서 동력을 공급해주는 풀리를 전동식 모터로 대체하는 연구와 특허가 나왔지만, 기존의 12볼트 전기 시스템의 한계 때문에 탁상공론에 그치고 말았다.[17] 하지만 기존 자동차에 쓰이던 12볼트 시스템을 대체할 48볼트 고전압 시스템이 수면 위로 떠오르기 시작했고,[18] 그에 따라서 각종 자동차 회사와 부품회사에서 앞다퉈 전동식 슈퍼차저를 내놓고 있다.

전동식 슈퍼차저는 기존의 기계식 슈퍼차저와 터보차저보다 장점이 많다. 우선 기존의 시스템보다는 가벼운 무게와 터보차저의 터빈처럼 고가의 소재 (인코넬계열 합금)를 안 써도 된다. 그리고 엔진의 힘을 빌리는 기계식 슈퍼차저와 배기를 이용해야 하는 터보차저와 달리 엔진의 상태와는 관계없이 과급을 자유자재로 할 수 있다. 예를 들자면 스포츠 모드와 에코 모드가 있다고 친다면 스포츠 모드에서는 과급을 많이 넣어 출력을 높이고, 반대로 에코 모드에서는 과급을 줄여 연료 소비량을 줄일 수 있다. 또한 기어박스로 압축기 속도를 증속해야 하는 기존 슈퍼차저와는 달리 전기모터들은 10,000rpm이상 고회전을 구현하는데 큰 무리가 없어 효율을 까먹는 기어박스도 필요없다.

F1에 MGU-H라는 명칭으로 탑재됐으며 터보차저의 터보렉을 없애는 데 한몫 하고 있다. 덕분에 터보엔진 주제에 자연흡기 수준의 스로틀 반응을 보여준다.배기음은 얻지 못했다...

3.2. 터보차저


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파일:페라리 488 GTB 3.9L V8 트윈터보 엔진.jpg
페라리 488 GTB의 3.9L V8 트윈터보 엔진. 엔진 옆에 있는 골뱅이처럼 생긴 것이 터보차저이다. 사진에서는 잘 안 보이지만 트윈터보라 반대쪽에도 터보차저가 하나 더 있다.

3.2.1. 기본 원리


엔진의 배기가스를 이용해 터빈을 돌려 동력을 얻고, 그 힘으로 공기를 압축하는 방식이다.

과급기가 엔진의 동력을 빌려쓴다는 점이 맘에 안 들었던 일부 개발자들은 배기가스의 에너지를 터빈으로 회수하여 이용하는 터보 차저를 개발했다. 배기가스는 그 자체가 고온/고압의 가스이고 상당한 에너지를 보유하고 있기 때문에 가능한 것. 일반적인 과급기와 달리 '어차피 버리는 것을 재활용' 하는 방식이므로 원리만 놓고 보면 분명히 효율적이지만, 시스템 자체가 N/A에 비해서 크고 복잡해지며 무거워진다는 단점이 있고. 특히 고온의 배기가스 속에서 항상 고속으로 돌아야 하는 터빈은 비싼 재료와 높은 가공정밀도[19]를 요구해서 전체적 시스템 가격 상승의 주범이 된다. 또한 내구성도 문제가 되는 게, 아무리 비싸고 좋은 재료로 정밀도 높은 공정에서 엔진을 만들어도 자연흡기 엔진보다 내구성에서 떨어질 수밖에 없다. 엔진하고 연관된 여러 부품, 소모품들까지도 영향을 미쳐서 유지비가 자연흡기 엔진에 비해서 많이 들어가며, 고장날 경우 여간 골치아픈게 아니다.

최근에는 가레트에서 E-turbo 라는 기술도 등장하는데 일반 터보차저에 전기모터 겸 발전기를 추가해 흡기를 과급하는데 보조한다. 저속회전으로 압축기의 회전력이 부족하면 배터리 에너지로 전동모터를 돌려 흡기능력을 올리고 반대로 고속회전으로 터빈과 압축기의 회전력이 넘칠 때는 모터를 발전기로 써서 회전력을 낮추고 전력 발전으로 배터리를 충전해 배기 에너지를 회수한다. 터보 래그도 줄이고 회전속도에 따른 압축기 제어에 자유도가 높아지고 연료효율을 높이는 효과를 거두고 있어서 터보엔진 설계에 훨씬 융통성이 높다. 현재는 가솔린 소형 차량용이 개발되어 있다.

터보가 개입되는 시점부터 터빈이 돌아가면서 '휘이잉'하는 고주파의 소리가 나오는데[20], 이 음이 꼭 호루라기 소리 같다고 해서 터보휘슬 이라 불린다. 2008년부터 2011년까지 생산된 자일대우버스 BS도 이러한 사유로 인하여 특유의 소리를 크게 냈었다.

Turbo는 본래 터빈을 사용하는 기관 전반을 이르는 말이다. 그러나 자동차에 터빈 기관을 사용할 일은 웬만해서는 없으므로 자동차에서 말하는 Turbo는 바로 이 터보과급기를 의미한다.

3.2.2. 구성

3.2.3. 주변 장치

3.2.4. 터보랙(Turbo-Lag)

배기가스의 에너지는 엔진의 회전수와 관계가 있기 때문에 저회전에선 에너지가 부족해 터보차저의 효과를 보기 힘들다. 그래서 터보차저가 실제로 도움이 되려면 적정 엔진 회전수에 도달해야 한다. 이 회전수에 이르기 전에는 터빈이 오히려 배기를 방해해서 배기효율이 떨어질 수 있기 때문에 자연흡기보다 성능이 떨어지는 구간이 생긴다. 이런 구간이 길면 스풀 업이 늦다고 표현한다.

또한 배기가스로 터빈을 돌리기 때문에 액셀러레이터를 밟아 증가한 배기가스가 터빈을 돌리는 데에도 시간이 걸리고, 결국 흡기량을 더 늘리는 데도 그만큼 시간이 소요되어 엔진의 토크가 액셀러레이터를 밟자마자 상승하지 않는다. 이처럼 이론적으로 기대되는 출력이 발생하기까지 발생하는 시간의 지연을 터보 랙이라고 한다. 좀 더 자세히 설명하자면 최대 토크나 최대 출력 지점 사이, 최대 부하 변속 타이밍에서 출력이 지연되는 현상을 뜻한다. 즉, 시프트 다운을 해서 급격히 5000rpm으로 급가속을 시도할 때 자연흡기 엔진이라면 즉시 해당 회전수에 걸맞은 출력이 나온다. 하지만 터보 엔진은 임펠러의 회전수가 상승하고 흡기 계통의 압력이 충분히 오르는 데에 시간이 걸리는데, 이 과정에 엔진에 충분한 공기를 공급하지 못하게 된다. 당연히 공기가 부족한 엔진은 제 성능을 내지 못하게 된다. 이처럼 출력이든 토크든 기대 가능한 수준까지 상승하는 데에 시간이 걸리는 것을 터보랙이라고 한다.

터빈의 용량이 작을수록 스풀 업이 빠르고 터보 랙이 작지만 용량이 작은 만큼 최대 출력에 불리하고, 터빈의 용량이 클수록 최대출력에 유리하지만 스풀 업이 늦고 터보 랙이 크다. 이런 한계를 극복하고자 BMW에서는 자사 525D에 아예 용량이 작은 터보와 용량이 큰 터보를 모두 달아서 최대출력의 손실 없이 터보랙을 최소화하고 저RPM 토크를 끌어올리기도 하였다.

모터를 달아 터보 랙을 완전히 없앤 터보차저도 개발됐는데, 발열이 심해 실용성이 많이 떨어진다. 때문에 포뮬러 1이나 일부 하이브리드 WRC 같은 레이스 카에서나 사용되고 있다.[22] 페라리 캘리포니아 T의 엔진도 터보 랙이 없는 것으로 알려졌다.

2015년 볼보는 압축공기를 이용해 터빈의 속도를 미리 높여 터보 랙을 줄이는 파워펄스 기술을 발표했다. 중요한 점은 슈퍼카나 경주용 차가 아닌 상용 세단에 장착될 예정이라는 점. 단, 2017년 현재 시점에서는 압축공기가 제대로 충전되지 않는, 시내 주행같이 가다 서다를 자주 반복하는 경우에는 공기 압력이 부족해 어쩔 수 없이 터보 랙이 나온다는 평이 있다.

초기의 터보차저는 단순하게 터빈과 공기를 압축하는 컴프레서의 구조였지만, 이는 배기가스 공급이 부족한 저회전에서는 터보 랙을 키우고, 반대로 너무 배기압이 높아지는 고회전에서는 효율성 저하를 일으킨다. 터보 랙을 줄이려면 앞에서 설명한 바와 같이 터빈의 용량을 줄여 스풀 업을 빠르게 해야 하지만, 이는 고회전에서 배기압을 매우 높여 효율을 너무 낮춰버린다. 그래서 터빈의 용량을 줄이는 대신 배기압을 너무 높이는 고회전에서는 터빈에서 충분히 받아들일 수 있는 수준의 배기가스만 받아들이고, 나머지는 터빈을 거치지 않고 바로 배출하는 바이패스를 뚫었는데, 이 방식의 터보차저를 WGT(Waste Gate Turbocharger)라고 한다. 이 방식은 완전하지는 않더라도 터보 랙 문제를 줄이고 소형 터빈의 약점인 고회전에서의 성능 및 내구성 문제에 대해 나름대로 해결책을 제시했다. 웨이스트게이트는 크게 진공으로 제어하는 방식과 전동 액츄에이터로 제어하는 방식으로 나뉜다. 후자의 경우에는 ECU에서 액츄에이터를 제어한다.

그렇지만 이 WGT도 승용 디젤엔진의 경우 이후에 나온 VGT로 바뀌고 있다.

WGT에 비해 좀 더 고급스러운 것으로 배기가스 유로에 각도를 조작할 수 있는 가변베인을 달아 상황에 따라 최적의 용량으로 터빈의 용량을 조절할 수 있는 VGT(Variable Geometry Turbocharger, 가변 용량 터보차저)를 사용하기도 하는데, 가솔린 엔진은 배기온이 높아 고온에 버티는 가변베인을 만들기 힘들기 때문에 VGT는 디젤 엔진 위주로 보급됐다.

2010년대부터는 ECU가 엔진의 부하에 따라 최적 용량으로 베인을 조절하는 eVGT(Electronic VGT)가 도입되고 있다.

포르쉐 997 터보부터 사용하고 있지만 가격이 매우 비싸다.[23]

메르세데스 벤츠 S클래스 S350d이나 S450d 의 경우 48V 모터로 작동하는 E booster 슈퍼차저와 WGT, VGT를 모두 혼용하여 터보랙을 최소화 하고 있다.

3.2.5. 터보 컴파운드

파일:Turbo_compound.jpg
터보 컴파운드의 개요도. 일반적인 터보차저(오른쪽 상단) 뒷단에 엔진 크랭크축과 기어로 연결된 별도의 파워 터빈(왼쪽 하단)을 볼 수 있다.

터보차저의 개념을 응용하여 터빈을 돌리는 힘으로 직접적인 추가 동력을 얻는 기술이다. 크게 기계식과 발전식으로 구분되는데 기계식은 터빈이 기어박스를 통해 직접 크랭크축과 연결되어 있고, 발전식은 터빈을 통해 발전기를 돌려 KERS로 사용하는 방식이다.

일상 영역에서는 주로 장거리를 운행하는 대형 상용차들에 많이 사용되는 기술이다. 이런 차량들은 정속 순항하는 시간이 길고, 연료 한방울로 100m 라도 더 갈 수 있는 경제성이 매우 중요하기 때문에 활발하게 적용되고 있다.

3.2.6. 장착 방식에 따른 분류

터보차저를 꼭 한 개만 쓸 필요는 없다. 하나만 장착할 경우 싱글터보라고 부르고, 두 개 이상 장착할 경우 트윈/트리플/쿼드 등의 단어를 붙인다. 메르세데스-벤츠에서는 트윈터보라고 안하고 바이터보(Bi-Turbo)라고 한다.

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[24]으로 장착한 병렬식 트윈터보를 사용하기도 한다. 트윈터보는 터보차저가 두개나 되다 보니 배기계통 설계의 어려움과 비용 문제 때문에 하나의 터보차저로 병렬식 트윈터보와 같은 효과를 보기 위해 배기가스 유로를 두개로 나눠놓아 배기가스 간의 간섭을 줄이고 동작영역을 넓힌 트윈 스크롤 터보차저로 대체되고 있다. V형 8기통 이상에는 뱅크별로 트윈 스크롤 터보차저가 쓰이기도 한다. 그리고 충격과 공포의 트라이 터보와 쿼드 터보[25] 같이 무식하게 터보차저를 달아놓는 경우도 있다.

최근 추세는 터보차저를 기존의 위치에서 벗어나 엔진의 뱅크 사이에 장착하는 것이다. 포르쉐, BMW, 메르세데스-벤츠[26]이 이미 쓰고 있는 이런 터보 레이아웃은 엔진 크기를 줄일 수 있으며 배기 매니폴드를 단축해 반응성을 개선하고 촉매의 온도를 빠르게 올리기에 유리하다고 한다.

3.2.7. 터보차저 제작회사

3.3. 트윈차저

파일:폭스바겐 1.4TSI 엔진.jpg
파일:트윈차저 구조.jpg
폭스바겐 1.4TSI 엔진. 첫 번째 사진 윗줄 오른쪽이 터보차저, 아랫줄 왼쪽이 슈퍼차저이다.

구조는 쉽게 설명을 하자면 슈퍼차저와 터보차저를 선택해서 달지 않고 그냥 둘 다 때려박는다. 저회전 시 출력이 늦게 나오는 터보차저의 단점을 슈퍼차저가 커버하고 고회전 시 구동저항이 일어나는 슈퍼차저의 단점을 터보차저가 커버를 하는 구조이다. 장점은 터보랙이라는 것이 존재하지 않는다고 보면 된다. 단점은 슈퍼차저와 터보차저 둘 다 넣으니 가격이 미친듯이 폭발하고, 세 번째 사진을 보면 알겠지만 구조도 상당히 복잡해져서 필연적으로 잔고장과 수리비용의 상승을 불러온다. 그리고 2000년 초반부터 다운사이징으로 인해 터보랙 경감의 노하우가 쌓여서 굳이 트윈차저를 써서 랙을 줄이지 않아도 될 정도로 터보가 발전을 했다.

트윈차저의 역사는 엔진과 연결된 강제적인 과급방식인 슈퍼차저가 나오고, 곧이어 엔진 배기가스를 이용한 터보챠저가 나왔는데. 지금에서야 전체적 터보차저 시스템 크기를 줄이고 터보랙을 경감 할 수 있지만, 초기 터보차저는 기술적 최적화와 재료와 가공기술의 열악함 그리고 설계 노하우가 상당히 부족했다. 그래서 엔지니어들이 출력이 일정하게 나오지만 고회전에선 한계점이 많은 슈퍼차저와 랙이 쩔지만 고회전 출력은 확실한 터보차저를 섞어보면 어떨까?라고 생각을 하고 실제로도 시제품을 만들었는데, 당시 20세기 초반 기술력으로 구현이 불가능했던 출력이 일정하게 뽑히는 고출력 엔진이 구현되었다.

하지만 20세기 초반 기술력으로는 당시 최고의 과학과 공업력이 발전한 유럽이나 미국 그 어느 나라도 차량에 들어갈 정도로 소형화을 이루지 못했다. 하지만 왕복엔진 비행기는 얘기가 달랐는데, 단발기는 몸통을 활용해 터보차저 배관과 인터쿨러를 넣을 수 있고, 날개에 엔진이 있는 쌍발기도 그냥 엔진룸을 크게 하는 방법으로 트윈차저를 넣었고. 덕분에 1차 대전 때와 전간기 시절에는 꿈도 못꾸었던 700km/h의 속도와 고고도 비행을 달성할 수 있었다.

파일:P-47 썬더볼트 트윈차져.jpg
P-47 썬더볼트의 트윈차저. 당시 수랭식 V형엔진이나 공랭식 성형엔진들은 저렇게까지 트윈차저를 크게 설계하지 않았으나, 선더볼트는 고고도 작전을 염두에 둬서 과급기가 미국의 기상답게 엄청 컸다. 당시 미국에서는 앨리슨이나 팩커드가 수랭엔진을 만들었지만, P-51 머스탱의 일화같이 미국의 수랭엔진은 유럽에 비해서 한참 쳐젔다. 그리고 폭격기무적론이 쓰레기가 돼 버려서 폭격기를 호위할 수 있는 비행기가 필요했는데, 고고도를 올라갈 수 있는 수랭엔진들이 저 모양들이라, 육군항공대에서는 폭격기로 얻은 고고도에서 작전가능한 성형엔진 설계를 이용한 것이 바로 썬더볼트이다. 일본은 수랭엔진 제조기술도 부족했고, 공랭엔진도 미국에 비해서 엔진기술과 과급기술 모두 한참 아래라 B-29를 요격할 수 있는 전투기가 상당히 부족했었다.

하지만 엔진 자체가 과급기인 제트엔진이 등장해 버리는 바람에... 그리고 2차 대전 이후 폭발하는 기술력으로 인해 트윈차저도 자동차에 넣을 정도로 소형화가 가능해졌다, 하지만 가격적으로는 여전히 비싸 대중적인 차량에는 못 들어갔다. 그리고 터보기술도 마찬가지로 발전을 해서 소형화와 비싸지만 트윈차저에 비하면 현실적인 가격이라서, 트윈차저는 슈퍼차저보다도 비주류 기술로 남았다.

그러나 아예 적용차종이 없다는 것은 아니고. 닛산 마치 1세대 터보모델[29], 위에 사진에 나오는 폭스바겐 1.4 TSI 엔진이 있다. 그리고 전설의 그룹 B에서 활약한 란치아 델타 S4의 엔진, 볼보의 고성능 디비전인 폴스타의 2리터 엔진도 트윈차저로 367마력을 내고 있다.

4. 활용

4.1. 자동차

예로부터 디젤엔진에는 터보가 거의 필수로 붙어있었다. 공연비가 아주 높은 디젤 특성상 터보의 효율이 가솔린보다 월등히 좋은데다 자연흡기 디젤은 같은 배기량의 가솔린에 비하면 토크는 좋지만 마력이 부족해서 부족한 힘을 보충하기 위해 터보가 붙어있었다. 거기다 성능과 환경규제에 동시에 대응하기 위해선 터보가 필수였다.

미쓰비시 자동차 랜서 에볼루션에 '미스파이어링 시스템'[30]이라는 약빨고 만든(?) 요상한 기능을 넣었던 적이 있다. 이것은 악셀오프 시 터보차저의 회전속도가 떨어져 재가속 시 터보랙이 걸리는 것을 막기 위해 배기 매니폴드에서 연료를 분사해 고열로 자연발화시켜서[31] 배기가스 양을 늘려 터보차저를 돌려준다. 물론 WRC를 위한 것. 악셀 오프 시 에프터파이어와는 별개로 펑펑 불방귀를 뀌게 된다.[32] 이 때문에 양산차에는 시스템적으로 제한이 걸려 있고, 이를 임의로 푸는 순간 4기통 2L 자동차가 V12 자동차와도 맞먹는 기름 먹는 하마가 된다. 순정 란에보조차 고배기량 V6나 V8과 맞먹는다는 평가를 받는데다 연비가 답도 없게 떨어져서 주기적인 연료 충전이 불가능하고 설령 가능해도 사비로 해야 하는 WRC가 아닌 일반인이 출전하는 랠리에서는 저걸 끄기도 한다.

터보가 안 달린 차에 디젤이건 가솔린이건 애프터마켓으로 터보차저 장착개조를 할 수 있다. 대게 터보차저를 붙이면 에어크리너를 오픈필터로 교체해야 하고, 인터쿨러도 같이 붙이고, 위에서 언급한 BOV 장착, ECU 맵핑을 해야 하고, 배기 매니폴드를 약간 손봐야 한다. 더불어 가솔린의 안티노크성의 한계로 인해 과급압을 높일수록 압축비를 낮추거나 안티노크성이 높은 연료로 교환해야 하고, 높아진 폭발력을 버티기 위해 단순히 엔진만 보아도 기본적으로 피스톤, 컨로드부터 시작해서 하드코어 튜닝의 영역으로 넘어갈 경우 캠 샤프트, 밸브, 밸브 스프링 더 나아가 크랭크샤프트까지 특주품으로 교환해야 한다. 극단적으로는 블럭의 오일 순환 라인까지 만들어내서 개조하기도 한다. 아예 부속을 일일이 단조로 깎아서 순정 규격의 내구성과 성능을 뛰어넘는 커스텀 튜닝은 기본적으로 수백 수천만원의 견적이 나오는데, 이쯤되면 파츠를 드래곤볼 했을 때 신품 순정 쇼트 엔진 값이 나올 지경. 국내에서는 현대 베타엔진이 이런식의 과급튜닝이 유행했었고 해외에서는 현재 진행형으로 일본제 엔진들에 대해서 이런 튜닝이 이루어지고 있다.

열과의 전쟁도 벌어지는데 가솔린의 경우 순정상태(자연흡기 기준)의 배기온도가 600~700도까지 올라가는데, 과급기 + 튠업 시 900~1000도까지 올라가 버린다.[33] 많은 연료를 피스톤에 넣다보니 에너지가 증가하면서 폭발력과 열에너지도 매우 증가한다. 여기서 문제는 중간에 터빈이라는 장애물로 인해 배기가스가 자연흡기 대비 잘 빠져나가지 않아 엔진룸 내부 온도가 급격하게 상승하여 냉각효율이 떨어져 수온이나 유온이 급격하게 올라가 인터쿨러를 달아도 뜨거운 흡기 때문에 성능저하까지 올 수 있다는 점이다. 보통 엔진보호를 위해 옥탄가 높은 연료를 연소실에 풍부하게 뿌리는 세팅으로 열을 낮추거나 메탄올을 흡기쪽에 직분사하여 온도를 낮춘다. 외부적으로는 고성능 인터쿨러와 개조된 대용량 라디에이터, 그리고 쿨링팬을 상시구동 시키는 스위치 개조도 하며 열배출을 위해 엔진룸에 고속 모터팬을 다는 튜닝도 한다. 그래도 여름에는 스포츠카가 몇 마력씩 까먹을 수 있다. 미국 탑기어에서 한여름 텍사스 활주로에 포르쉐 911 GT2 RS가 달린 적이 있었는데 차가 잘 안 나가서 포르쉐에 물어봤더니 과열로 인해 30~40마력 정도를 까먹었다고 한다. 과급압의 결정은 엔진의 재질에도 영향을 받는데, 알루미늄 엔진은 냉각에 유리하고 무게도 가볍지만 높은 과급압을 버티기는 어렵다.[34] 반대로 디젤이 주로 쓰던 주철 엔진은 무겁고 냉각력이 떨어져도, 끝내주는 내구성을 자랑하여 매우 높은 과급압을 버텨낸다. 일반적인 경우 디젤 엔진이 평균적인 과급압이 높은 이유로 재질 차이를 무시할 수가 없다. 물론 요즘은 디젤에도 알루미늄 블럭을 사용하기도 한다.

여담으로 애프터마켓으로 터보차저의 설치/교체 가격이 흠좀무한데 위에서 언급했듯이 아무래도 부품 특성상 고열을 버텨야 하다보니 공임 빼고 부품값만 약 80만 원 정도 나온다. 그나마 저렴한 재생품도 약 40만 원 같이 붙는 인터쿨러의 가격은 약 15만 원.

1990년대 초반까지만 해도 터보차저가 장착된 차들은, 본넷트 앞에 덕트가 있거나 차량 측면에 'TURBO' 'INTERCOOLER' 등을 데칼로 붙이고 다녔다. 그리고 높은 확률로 'DOHC'나 'TWIN CAM'이 같이 붙어있었지 V-TEC 물론 본격 스포츠카는 오히려 매끈했고, 주로 일본 메이커의 소형 고성능 모델이 그런 편이었다.[35] 특이하게 미쓰비시는 터보 인터쿨러 장착 차종에 'INTERCOOLER TURBO'라는 표기를 고수했는데, 한국에서도 갤로퍼와 무쏘의 3열 윈도우 하단에 각각 'INTERCOOLER TURBO', 'TURBO INTERCOOLER'라고 표기된 차를 볼 수 있었다.[36]

그러나 1990년대 후반부터 디자인 방향이 더욱 에어로다이나믹 스타일로 변화함에 따라, 현재는 덕트나 데칼 등은 잘 보이지 않고 있다. 특히 덕트의 경우, 많은 양의 공기를 공급 받아야 하는 인터쿨러의 특징 때문에 존재했는데, 현재는 인터쿨러를 전면 그릴 쪽으로 장착하고[37] 에어댐이나 그릴의 크기를 확대하는 방향을 보이고 있다.

공차 중량이 무거운 차량들은 터보차저, 그중에서도 트윈 터보차저를 단 엔진이 사실상 필수 취급이다. 그래야 연비가 조금이라도 잘 나온다. 한 예로 캐딜락 에스컬레이드는 공차중량이 ESC가 2649kg, ESV가 2740kg인데도 자연흡기 엔진이라 복합 연비가 6.38km/L인데 링컨 네비게이터는 트윈 터보 엔진이라 공차중량이 2,579~2,656kg/2,688~2,747kg인데도 연비가 대한민국 수입 모델 기준 복합 7.2km/L, 도심 6.4km/L, 고속도로 8.6km/L가 나온다.

과급 엔진 차량들에는 '일반적으로' 별도의 진공펌프 혹은 전동 브레이크 부스터를 장착한다.

4.1.1. 관리

터보차저는 구조상으로 보았을 때는 비교적 단순한 장치이나 그 안에 들어가는 블레이드나 축은 가공 공차가 0.005mm수준이며 alloy 731c, inconel 731c, ams5377 같은 특수 소재를 이용하여 제작한다.

때문에 냉각이 제대로 이루어지지 못하면 가공 공차를 넘어서는 변형이 일어날가능성은 항상 존재하며 이런 행위가 반복 누적되면 변형을 넘어서서 터보차저의 고장으로 이어진다. 그 때문에 기존 N/A엔진과는 다른 특별한 관리가 필요하다.

후열은 구조상 냉각된 엔진오일이 터보차저 내부까지 순환하며 냉각을 하는 방식이기에 전동식 오일펌프가 달려있지 않은 대부분의 차량에선 시동을 끄면 엔진이 정지하여 후열 자체가 불가능한 조건, 즉 오일의 냉각 및 순환이 불가능한 상태가 되어버리기 때문에 시동이 꺼진 상태에서도 라디에이터 팬이 작동하고 있으니 후열이 진행된다거나 하는 출처가 불분명한 정보를 유의해야 한다. 참고로 시동 OFF 후 라디에이터 팬이 작동하는 것은 터보차저가 없는 N/A엔진이 달린 차량에서도 동일하다. 즉 터보차저의 후열과는 무관한 동작이다.

라디에이터 팬의 동작으로 발생하는 바람으로 냉각될 수도 있지 않느냐는 의문을 가질 수도 있는데 라디에이터 팬은 냉각수를 냉각하고 에어컨 컨덴서의 냉매를 식히기 위해 최적으로 설계 되어있지만 간접풍으로 터보차저까지 도달하는 바람의 양은 거의 없다고 봐도 무방할 정도로 터보차저의 냉각만을 봤을땐 효율자체가 매우 나쁘다. 가령 라디에이터 팬에서 발생하는 바람이 터보차저까지 도달하더라도 차저 하우징 내부의 있는 핵심부품 즉 샤프트 등을 냉각하기엔 턱없이 부족하다.

작동구조상 RPM이 최소 3만회에서 20만회에 이르고 또한 동력원이 엔진에서 갓 나온 뜨거운 배기가스기 때문에 열이 많이 발생하기에 열이 식어있지 않은 상태에서 시동을 꺼버리면 터보차저를 순환하고 있던 엔진오일이 뜨거운 열에 의해 쿠킹현상으로 타서 슬러지가 생기며 결국 터보차저의 핵심부품인 축과 축 베어링이 서서히 망가지는 현상이 생기는데 수리비용이 국산차를 재생터보로 교환해도 최소 50~60만원대이다.

대다수의 운전자들은 예열과 시운전을 혼동해서 쓰고 있지만 그 둘은 조금 다르다. 시운전은 중력에 의하여 가라앉은 엔진오일을 서서히 순환시키며 엔진 내부의 각종 핵심부품들을 보호하는 것이고, 예열은 말 그대로 엔진의 온도를 올리는 것이다. 보통 시운전은 짧은 시간에 끝나며 보통의 내연기관은 이 이상 멈춰있을 뚜렷한 명분이 드물다.

냉간시 시동을 걸면 엔진 RPM이 급격히 상승했다가 서서히 정상 아이들링 RPM으로 내려오는 것도 최대한 짧은 시간내에 오일을 골고루 순환시키기 위함이다.

보통 많이 알려진 1~3분 예열과 후열은 환경에 오히려 안 좋고 시간/연비로도 비효율이다. 시운전이 끝나고 바로 출발하며 약 2,000 RPM을 넘기지 않고 운행하는 중에 예열 하는 편이 좋다. 그리고, 엔진 온도계가 올라가거나 5분 이상 운행하면 그때부터 RPM을 올리면 된다.

후열은 일반적인 도시 주행에서는 필요없다. 평소 집에 도착하기 전 정지/저속 운행으로 이미 엔진이 많이 식었기 때문이다. 하지만 고속도로 주행에서는 많이 과열되어 있기에 1 ~ 3분 정도 후열시간이 필요하지만 휴게소에서 성격이 급한 한국인의 특성과 자연환경을 고려해도 좋지 않은 방법이기도 하다. 이것도 휴게소등에서 정차전 5 ~ 10km 거리에서 2000RPM 밑으로 유지하며 도착지에 까지 낮은 RPM으로 운행해서 휴게소 도착하여 정차하는 것이 최고의 후열이라고 한다.

또한 기술이 발달한 현재에 있어서는 열 관리를 사용자가 크게 신경쓰지 않아도 된다. 현재 시판되는 일부 터보 차량에도 정차 시 시동을 꺼버리는 ISG가 들어가는데, 후열도 안 하면서 시동을 팍 꺼버리는 게 무리가 가는 행동이라면 당연히 터보차저와 ISG가 공존할 수 없다. 정확히는 엔진이 꺼져도 터보차저의 냉각이 충분히 되어있거나 터보차저에 무리가 가지 않는 조건에서 꺼진다. 이런 식으로 사용자가 알게 모르게 자동차를 관리해주는 시스템이 늘어났기에 자동차에 대한 공학적 지식 없이도 잔고장 없이 오래 자동차를 타는 게 가능해진 것이다. 과거 ABS가 없던 시절에는 브레이크를 나눠 밟는 게 상식이었지만 현재는 오히려 펌핑이 독이 되는 것과도 일맥상통한다.

다만 예후열은 차치하더라도 윤활과 냉각에는 기본적으로 엔진오일을 활용하며 냉각수 라인이 들어가는 차량도 많은 만큼 평소 엔진오일 냉각수의 관리를 더더욱 철저히 해야 한다.[38]
관리 소홀로 인해 고장났을 때가 정말로 난감해지는데, 일단 초기에는 공기와 연료 혼합비가 틀어져서 디젤 기준 대략 2000rpm 이상 영역에서 출력 저하와 흑색 매연 과다 배출을 동반하여, 분명히 카탈로그 제원이 200마력 이상에 유로5를 기준으로 설계된 차량인데도 80km/h까지의 가속조차 버거워지거나 매연 농도가 30~40%를 넘어 정기검사 부적합 판정을 받는 사태가 벌어지기도 한다.[39]
게다가 간혹 터보차저 임펠러 내부에서 엔진오일이 새어나와 흡기라인을 타고 연소실로 들어가서 백색 매연을 유발하기도 하는데[40], 적절한 조치를 취하지 않고 방치할 경우 엔진오일이 계속 감소하여 윤활 불량으로 엔진이 소착되거나, 최악의 경우에는 유입된 엔진오일 때문에 엔진이 폭주해서 급발진 내지는 화재로 이어지는 등 굉장히 위험한 상황에 직면할 수도 있다.

심지어 수리비가 50~60만원이라는 것도 터보차저 수리비만을 산정한 것이고, 만약 엔진이 손상을 입거나 다량 배출된 오염물질로 인해 배출가스 저감장치(삼원촉매, DPF, LNT, SCR 등)의 기능이 마비되었다면 해당 부위에 대한 수리비는 당연히 별도로 지불해야 하며[41], 비용의 총합이 해당 차종의 중고차 시세를 뛰어넘어버리는 경우도 비일비재하다.[42]

대한민국 국군의 K-311(일명 닷지, 사오톤) 또한 개수형 버전 도입 초기에 터보차저에 대한 지식이 널리 보급되지 못한 탓에 정비불량으로 인한 고장이 잦았다.

4.2. 항공기

자동차의 경우에는 일부 고성능 모델에만 적용되다가 배출가스 기준이 강화되며 상당수의 차종으로 널리 보급되는 과정을 거쳐왔으나, 항공기, 특히 왕복엔진/ 성형엔진이 장착된 프롭기에는 오래 전부터 과급기가 거의 필수적으로 장착되었다. 고도가 높아질수록 공기 밀도가 희박해지기 때문에 과급기가 없다면 엔진이 제 출력을 못 내기 때문이다. 이를 테면 9,000m 고도에선 엔진이 쓸 수 있는 산소는 지상의 1/3에 불과한데, 이 말인즉 과급기가 없다면 엔진에 아무리 연료를 퍼넣어도 지상과 비교하면 1/3 미만의 연료만 태우고 나머지는 불완전 연소가 되어버리는 셈.

그래서 일반적으로 왕복엔진 항공기는 과급기를 이용하여 모자란 산소를 모아 모아 모아서 엔진에 욱여넣어서 엔진의 출력 손실을 막는다. 특히 프롭기 기술이 성숙한 2차 세계대전 중후반부터는 항공기의 고고도 성능은 거의 해당 국가의 과급기 기술력에 좌우된다고 보아도 과언이 아닌 수준이 되었다.

2차 세계대전 당시 전투기나 폭격기에 탑재된 왕복엔진은 1단 과급기는 거의 무조건 달려 있었고, 고고도 성능을 중시한 기체들은 2단식 과급기를 사용했다. 이 말은 압축기가 두 개가 있어서 두 번에 걸쳐서 압축을 한다는 소리다. 그러나 저고도에서는 굳이 과급기를 돌려서 공기를 압축할 필요가 없기에 선택적으로 고도에 따라 과급기를 켜거나 끄기도 했으며, 2단식 압축기 대신에 과급기로 동력을 전달하는 기어의 감속비를 변환하여 2가지 속도로 과급기가 돌도록 하는 시스템도 있었다.

항공기에 쓰는 터보 과급기는 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 잘 써먹었는데, 이는 미국이 가스터빈 기관을 개발하다가 때려치고 그때 얻은 터빈 설계 기술로 대신 이 터보 과급기를 발전시켰기 때문. 부피가 크고 무게도 많이 나갔지만 대형 폭격기에 쓰기에는 별 무리가 없었다. 특히 1930년대에 미군은 전투기보다 '본토를 침공하는 적 함대를 멀리서부터 조질 수 있는' 폭격기 개발에 몰두해 있었기 때문에 폭격기의 고고도 비행성능을 향상시켜줄 이 터보과급기를 매우 중요시했다.

한편 P-38 라이트닝 P-47 썬더볼트같은 대형 전투기도 이 터보과급기를 사용했다. 전자는 폭격기 요격용으로, 후자는 폭격기 호위용으로 개발한 전투기이다 보니 둘 다 뛰어난 고고도 비행성능이 필요했던 것.[43]

P-47은 단발 왕복엔진 전투기 중에는 유례없이 큰 편인데, 고고도에서 제대로 작동하는 터보차저를 넣으려고 시도하면서 설계 단계에서부터 기골이 무식하게 커졌고, 넘쳐나는 출력을 기체의 생존성과 화력 강화에 아낌없이 투자하면서 만들어진 결과물이다. 덕분에 같은 엔진을 사용하는 F4U 콜세어보다도 덩치가 훨씬 크다.

4.3. 선박

저질중유를 사용하는 선박 특성상 연료의 착화점이 매우 높고, 점성도 너무 커서 과급이 필수적이다. 압축비를 높이지 않는다면 불완전연소만 잔뜩되어 연돌에서 검은 연기가 나오는 것을 관측할 수 있는데, 선령이 좀 된 선박에서는 시동할 때마다 흔히 볼 수 있는 현상이기도 하다.

시동 시에 선박에서 사용하는 Starting Air는 30bar에 달하며, 일반적인 연소 과정에서 사용하는 Compressed Air도 12bar에 육박한다. 전력소모의 규모도 남다른데, Full 상태에서는 12000rpm, Nav. Full 상태에서는 20000rpm에 달하는 고회전이 필요하다. 게다가 안전성을 담보하기 위해서 2개를 병렬로 배기 매니폴드에 설치해 놓으니 그 소음과 진동은 자동차에 비할 데가 되지 않는다. 선박 기관실의 주요 소음 발생 원인 중 하나.

선박용 과급기의 특징 중 하나는 배기가스 중 일부를 다시 흡기가스로 재활용한다는 것이다. 그 높은 압력의 가스를 그냥 배출하면 당연히 자원 손해니까... 이러한 이유로 선박에서 사용하는 흡기는 대개 스캐빈징 에어(Scavenging Air)로 불린다. 스캐빈저는 원래 시체를 뜯어먹는 맹수를 의미하는 표현으로, 한마디로 남이 사냥해서 먹고 썩은 고기를 다시 뜯어먹는 하이에나처럼 한번 사용한 공기를 다시 재활용해서 흡기로 사용한다는 것이다.

이 과정에서 과급기는 배기가스의 온도를 낮추는 역할도 겸한다. 500도에 가까운 배기가스는 공랭과정을 거치면서 120도 정도의 온도로 인터쿨러에 들어가며, 다시 여기서 30도 정도로 낮아져 연소실로 들어가게 된다. 인터쿨러는 보통 수랭식인데, 과거에는 해수를 이용하여 냉각했으나 부식이나 소금기에 의한 실린더 피스톤 마모 문제가 심각해 청수를 사용하는 것으로 많이 바뀌었다. 만일 소기온도가 급속도로 상승한다면 보통 과급기나 인터쿨러의 문제일 가능성이 크다.

시동 시의 엔진의 Scavenging Air 압력은 거의 0bar에 가까우며, 엔진의 부하가 커질수록 점차 압력이 높아져 최신 선박 기준 3bar 정도의 압력으로 연소실에 들어가게 된다. 이러한 이유로 앞서 설명했듯이 과급기의 rpm도 엔진의 부하에 따라 큰 폭으로 변화하게 되며, 당연히 이에 따라 기관실 소음도 부하에 따라 증폭된다. 경력이 오래된 해기사의 경우 소음의 강도만 듣고도 현재 마력이 얼마정도인지 짐작할 수 있을 정도.

앞의 내용과는 별개로 배기가스를 연돌 방향으로 배출하는 기능도 당연히 갖추고 있으며, 이 경우에 빠져나가는 배기가스의 온도는 전속항해 기준 300도 정도 된다. 이 배기가스는 배기가스 보일러(이코노마이저 또는 절탄기라고도 일컫는다)에 들어가 항해 중에 선박에 필요한 각종 증기를 생산하는 역할을 한다. 배기가스 보일러 입구 측 온도가 300도를 넘어간다면 배기가스 보일러 내부에 숯덩어리(Soot)가 찬 것이며 Soot Blower를 이용해 제거하거나 배기가스 보일러 안으로 들어가 직접 그걸 밖으로 빼내야 한다.

4.4. 오토바이

놀랍게도 오토바이에 수퍼차저를 때려박은 미친 기업이 있으니, 프랑스의 푸조와, 그 유명한 가와사키 닌자 H2 되시겠다. 오토바이야 초반 출력, 가속력은 부족할 게 없으니 아예 슈퍼차저를 때려박은 것. 덕분에 4기통 998cc밖에 안 되는 오토바이(H2R)가 최고 속도가 400km/h에 육박한다. 400 도달시간은 단 26초. 저것도 의도적으로 400에서 멈춰서 그런거지, 만일 더 달렸으면 대략 440km는 충분히 찍을지도 모른다.

5. 같이보기



[1] 이상적인 열 기관은 카르노 기관 참조. 카르노 기관은 가역적 사이클이라 현실에서는 유의미한 양의 일을 하지 못한다. 현실에서 사용되는 비가역적 열 기관에 대해서는 대학 물리학 책을 참조할 것. [2] 대표적으로 스바루. 터보 사양이면 거의 무조건 보닛에 덕트가 뚫려있다. [3] 공랭식 인터쿨러에 일종의 스프링클러를 달아서 물을 뿌려주는 수랭을 빙자한 공랭식도 있다. 사브 차량 중 이런 방식이 있었다. [4] 알코올은 옥탄가를 높이는 효과가 있다. [5] 슈퍼차저/터보차저 튜닝이 된 차량들 중 변속 시점에 공기가 빠지는 소리가 나는 차량이 있는데, 바이패스 밸브나 블로우 오프 밸브가 작동하는 소리이다. [6] 루츠식에 비해 효율이 10-20% 더 높지만 가공정밀도가 더 높아야 하기 때문에 루츠식에 비해 비싸다. 물론 루츠식도 위 사진의 아우디 슈퍼차저처럼 꽈배기를 격하게 꼬아서 만들면 비싼 건 매한가지. [7] 다만 임펠러 방식의 경우, 제대로 압력을 걸기 위해선 RPM이 엄청나게 높아야 하기 때문에 중간에 기어박스를 걸어 과급압이 충분해지도록 임펠러의 회전 속도를 높인다. [8] 배기열이 자연흡기 방식에 비해 상당히 뜨거워서, 배기 시스템을 터보사양에 맞추지 않으면 크랙이 가서 장기적으로는 주행 중에 차가 망가지는 일이 있다. [9] 순정 터보차저에 많이 사용되는 저널 베어링 방식은 후열하지 않으면 10만도 안 되어 뻗는 경우를 볼수 있다. 반응성이 우수하여 튜닝용으로 사용하는 볼베어링 방식은 심할 경우 적산거리 3만km 정도에 베어링이 고착되거나 파손되기도 한다. [10] 물론 슈퍼차저 역시 모든 종류가 무적은 아니다. 보통 내구성이 좋다는 것은 로브 타입이나 스크류 타입에 한해서이며 스크롤 타입이나 원심형은 상대적으로 떨어지는 편이다. 특히 유성기어가 존재하지않는 일부 원심형의 경우는 수명이 극단적으로 짧다. [11] 원심형은 60,000rpm 이상까지도 사용한다. [12] 로브 타입이나 스크류 타입은 압축기 자체 표면적이 터보보다 훨씬 커다랗고, 축이 달랑 1개라 2개의 베어링으로 그 높은 회전속도와 집중되는 압력을 소화해야 하는 터보와는 다르게, 슈퍼차저는 맞닿는 축이 2개라서 베어링도 4개나 들어간다. 베어링 자체의 크기 역시 비슷한 출력을 내는 터보차저의 3배 정도 된다. [13] 푸조의 제트포스 컴프레서와 세테리스 컴프레서 모델. 당시 일반적인 125cc 스쿠터의 경우 최대출력이 12~13마력 남짓인 데 반하여, 이놈들은 2행정도 아닌 것이, 무려 20마력이라는 최고출력으로 250cc에 버금가는 높은 파워를 뿜어낸 바 있다. [14] 물론 저런 고출력을 연속으로 쓸 수 있고 연비도 감안하여 설계하는 기관차와는 달리 이런 차량들은, 오로지 출력에만 목을 맨 형태이기에 마구잡이로 기관차처럼 굴리면 다 박살난다. [15] 사용된 엔진출력보다 과급에 의한 엔진출력 증가가 더 크다. [16] 하지만 개발비의 한계와 기존 고객들의 반발 그리고 콜벳 차체가 좁아서 결국에는 넣지 못했다. [17] 전력시스템의 용량 자체가 작아서 시동모터 수준의 전기를 상시로 퍼먹는 모터의 출력을 감당할 수가 없다. 애프터마켓에서 파는 것들이 많지만, 사실상 효과가 있는 제품은 있지도 않고 있을 수도 없다. 각종 테스트 영상이 많은데 모터트렌드 로드킬 16화에서 V8 5.0 쉐보레 몬자에 청소용 블로워를 5개나 달아 다이노테스트시 작동시킨 결과 18마력/19토크(lb-ft)정도 오르긴 했다. 결국 시중에 파는 전자식블로워 제품들이 얼마나 덧없는지 알 수 있다. [18] 48볼트 시스템이 떠오르기 시작한 이유 자체는 꽤나 단순하다. 오디오 외에도 대화면 엔터테인먼트 시스템, 블랙박스 등이 추가로 달려나오기 시작하면서 전자장비 갯수가 매우 많아지면서 경차의 경우 블랙박스만 달아도 배터리가 간당간당해질 정도로 12볼트 시스템의 한계에 부딪혔기 때문. 거기에 하이브리드나 전기차로 가면 전기 모터 출력과 총 주행거리에 가장 영향을 미치는 배터리 용량(전력량)을 최대한 확보하는 방법 중 고전압으로 용량을 뻥튀기하는 게 난이도 면에서 그나마 나은 편이다. 48볼트보다 더 높은 60볼트 시스템도 있지만 12볼트 시스템의 구조를 강화해서 써도 괜찮은 48볼트와 달리 내압 문제로 전선을 포함한 기존의 시스템을 대부분 갈아 엎어야 한다는 문제가 있어 우선순위에서 밀렸다. [19] 터빈샤프트의 경우, 엔진의 배기량에 따라 굵기가 다르지만 0.005mm 이하의 공차범위를 요구한다. 또한 정밀주조공법을 거치는 터빈휠의 경우도 INCONEL 713C 정도의 수준의 소재를 활용하기에 단가가 기본적으로 많이 나간다. [20] 디젤 엔진 승용차에서도 운전자에게 확연히 들릴 정도로 큰 소리다. [21] 배기가스를 받아 터빈 휠을 회전시키는 날개 [22] 이를 MGU-H라 하는데, 저속에서는 터보차저를 전동기로 회전시켜 부스트를 유지하고 회전수가 충분할 때에는 발전기로 작동하여 남는 에너지로 배터리를 충전하거나 MGU-K로 전력을 공급한다. MGU-H 에 사용되는 전동기는 60~90kW의 출력을 내는데, 이는 일반적인 하이브리드 차량의 전동기 출력보다 훨씬 높은 출력이다. [23] 가솔린 차량의 경우 터빈 휠에 직접 닿는 배기가스의 온도가 900℃에 육박하므로 일반적인 소재로는 견디기 어렵다. 따라서 인코넬 등의 특수 합금을 사용하는데, 이러한 소재는 가공성이 열악하여 MIM (Metal Injection Mold) 공법이나 정밀주조로 생산한다. 과거에는 이런 고온의 배기가스와 직접 접촉하는 베인은 인코넬도 버티지 못해 가솔린 VGT를 찾아보기 어려웠지만, 최근에는 소재 기술이 발전하면서 가솔린 VGT도 등장하는 추세다. [24] 직렬 4기통 엔진의 점화순서가 1-3-4-2이므로 매니폴드가 한번에 합쳐져서 터보차저의 배기가스 유입구로 들어가게 되면 1번과 3번, 3번과 4번, 4번과 2번, 2번과 1번 실린더에서 나온 배기가스 간의 간섭이 생긴다. 따라서 점화 순서가 떨어진 1, 4번 실린더와 2, 3번 실린더를 묶어서 각각 다른 터보차저로 들어가게 하는 것이다. 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. [25] BMW가 M550d 모델에 이런 짓을 하고 있다. F10 시절에는 3.0L I6엔진에 트리플 터보를 달아 디젤로 381마력을 냈고 G30으로 가면서 아예 터보를 하나 더 얹어서 쿼드 터보로 400마력을 뽑는다. 프랑스 애들은 무식한 엔진이랑 결합해서 1000마력도 뽑던데 [26] 벤츠는 이 기술을 Hot Inside V라고 부르며, AMG GT에 적용한다 [27] 상표명이며, 모 백인우월단체와는 아무런 관계가 없다. [28] 전동공구 만드는 계양전기랑은 다른 회사 [29] 그중 R 모델은 비스커스 LSD까지 달려있었다! [30] '미스파이어링 시스템'은 이니셜 D에서 임의로 만든 명칭이라는 주장이 있다. 본래 미스파이어링은 연료의 과희박이나 과농후 등으로 인한 실화를 뜻한다. 다만 의도적으로 배기에서 실화를 만들어내므로 미스파이어링이라는 말이 이상한 건 아니다. 다른 용어로는 ALS, Anti Lag System 등이 있음. [31] 애프터 버너와 비슷한 발상. [32] 이니셜 D 작중에서도 나오지만 주변에 있던 구경꾼들이 듣고 놀라거나 귀를 틀어막을 정도로 굉장히 시끄럽고, 연비도 굉장히 나빠진다. [33] 동일한 연료를 공급시 터보차저를 올리면 오히려 배기가스가 온도가 많이 떨어진다 그래서 터보차저를 사용하면 더 많은 연료를 넣을 수 있게 된다. [34] 물론 방법이 전혀 없는 것은 아니다. 슬리브를 보어사이즈가 같은 디젤엔진의 것을 가공해서 끼우던가, 튜닝이 흔하게 이루어 지는 엔진이라면, 튜닝샵에서 웬만하면 튜닝용 슬리브 키트를 수입하거나 개발하여 판매한다. 국산차 중에 가장 흔하게 튜닝이 이루어지는 제네시스 쿠페 2.0 터보 모델의 경우, Darton사의 슬리브를 수입하여 장착한다. [35] 닛산의 예를 들어도 3.0 트윈 캠 터보 엔진이 채용된 페어레이디 Z는 말끔했지만, 블루버드 SSS는 TWIN CAM TURBO 4WD ATESSA라는 데칼이 길게 늘어져있었다. 4WD와 아테사는 동의어임에도... 참고로 스쿠프에는 터보가 달렸음에도 엔진룸을 열기 전까지는 터보의 유무를 알 수 없었다. [36] 다만 2020년대에 들어서는 갤로퍼나 무쏘의 개체수도 급격하게 줄어든데다, 그나마 복원을 위해 도색을 하는 차들도 그 데칼을 살리는 차는 드물기에, 구경하기가 어려워졌다 [37] 이미 1990년대 중반에 나온 무쏘 TDi도 그런 방식이었다 [38] 제조사에서도 과급기 장착모델은 엔진오일 규격이나 교환주기를 자연흡기 모델과 별도로 규정하는 경우가 대부분이며, 정비소홀 등으로 인해 엔진이 망가져서 수리하려고 보면 터보차저 까지 손상되어 비용이 추가될 확률이 매우 높다. [39] 애초에 터보차저의 장착 목적이 고 rpm 영역에서 산소의 양을 늘려서 연료가 최대한 완전연소 되도록 하기 위해서인데, 이러한 작용을 못하게 되면 공기와 연료의 혼합비 균형이 깨져서 고부하 운전 상황(ex. 오르막 주행, 승객이나 화물의 만적, 에어컨 가동)에서 불완전연소가 대량 발생하고 출력이 떨어지는 것이 당연하다. 그나마 유로4 이후의 디젤 차량들이 제아무리 각종 배출가스저감장치를 겹겹이 부착해놓았다 해도 이런 상황에서는 전혀 커버가 안 되며, 정기검사 통과가 사실상 불가능하다. [40] 이 때 터보차저와 흡기 매니폴드 사이의 인터쿨러까지 손상될 확률이 매우 높다 [41] 더군다나 일부 차종은 터보차저만 교환하려고 해도 엔진을 통째로 탈거해야 한다. [42] 국산 차량도 수 백 만원 단위를 우습게 돌파해버리며, 독일3사 랜드로버 등의 유럽계 프리미엄 고성능 수입차들은 국산 중형 SUV 한 대를 살 수 있는 금액이 나오는 기적을 볼 수 있다 [43] 아이러니하게도 P-38은 태평양전선에서는 일본군 전투기들보다 확실히 고고도 성능이 뛰어났으나, 유럽전선에서는 독일 전투기들에 비해 고고도 비행성능이 별로라는 평을 받았다.어째 티거>셔먼>치하의 먹이사슬이 겹쳐보이지만 기분 탓이겠지...

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