[지우의 엔진교실 ②] 슈퍼차저 vs 터보차저

지난 시간 지우 님이 알려준 내용을 참고해 엔진을 선택한 예비 운전자입니다. 고민 끝에 엔진을 골랐는데 이번엔 차저를 선택해야 한다는 군요. 이름도 생소한 슈퍼차저 vs 터보차저에 대해 알고 싶습니다.

가솔린 엔진 vs 디젤 엔진만큼이나 의견이 분분한 슈퍼차저 vs 터보차저! 차저는 자동차의 심장인 엔진에 힘을 실어주는 역할을 하는데요. 슈퍼차저와 터보차저는 어떤 원리로 작동하는지, 또 두 차저의 장단점은 무엇인지 지우와 함께 살펴볼까요?

1교시. 차저(Charger, 과급기) 이해하기

엔진은 익숙하지만 차저는 생소한 분들 있으실 텐데요. 자세한 설명에 앞서 차저의 개념부터 짚고 넘어가보겠습니다. 지난 시간 [지우의 엔진교실 ①]편에서 살펴본 것처럼 엔진이 작동하기 위해서는 연료와 함께 공기도 공급되어야 합니다. 연료와 공기의 공급량이 많고, 압축비가 높을수록 엔진 출력이 좋아지는데요.

▶[자동차 엔진교실 ①] 가솔린 엔진 vs 디젤 엔진 다시보기 Click!

차저는 엔진의 기본 배기량보다 더 많은 양의 공기를 압축해 엔진에 공급하는 장치입니다. 넘치게 공급한다는 의미에서 과급기(過給機)라고 불리기도 하죠. 차저는 작동 원리에 따라 슈퍼차저(Super charger)와 터보차저(Turbo charger)로 나뉘는데요. 먼저 두 차저의 작동 원리를 알아볼까요?

2교시. 슈퍼차저와 터보차저의 작동 원리

1. 슈퍼차저의 작동 원리

▷1단계: 엔진 크랭크축 벨트나 기어의 회전력으로 에너지를 얻는다.

▷2단계: 1단계에서 얻은 에너지로 공기를 압축해 엔진에 공급한다. 

2. 터보차저의 작동 원리

▷1단계: 엔진 배기가스에 의한 터보 회전력으로 에너지를 얻는다.

▷2단계: 1단계에서 얻은 에너지로 공기를 압축해 엔진에 공급한다.

슈퍼차저와 터보차저를 쉽게 비교하게 위해 작동 원리를 2단계로 축약해보았는데요. 두 차저는 에너지를 얻는 방식에 가장 큰 차이가 있습니다. 슈퍼차저의 경우 엔진이 구동될 때 회전하는 크랭크축 벨트나 기어에서 에너지를 얻어 공기를 압축합니다. 이 원리를 바탕으로 어떤 추가 장치를 사용하냐에 따라 슈퍼차저의 종류가 나뉘죠.

<슈퍼차저의 대표적인 종류>

1. 루츠식 슈퍼차저

슈퍼차저 중 가장 긴 역사를 지닌 것으로 '루츠 블로어'라는 송풍기를 이용해 공기를 압축한다. 구조가 단순하며 내구성이 좋다.

2. 트윈 스크루식 슈퍼차저

<이미지 출처 - 위키피디아>

루츠식 슈퍼차저의 발전형으로 꽈배기 모양의 로터 블레이드(회전으로 에너지가 발생하는 기구) 2개로 공기를 압축한다. 루츠식에 비해 높은 압력을 만들어냄에도 발열과 소음은 적다. 정교한 구조의 부품을 사용하기 때문에 다른 슈퍼차저에 비해 비싸다. 리숄므식 슈퍼차저라고도 불린다.

3. 스크롤식 슈퍼차저

나선형 모양의 철판 스크롤 2개를 겹친 후, 하나는 고정시키고 나머지 하나는 회전시켜 공기를 압축한다. 진동이 적지만 내구성은 비교적 낮은 편이다.

4. 원심식 슈퍼차저

회전장치를 엔진 크랭크축 벨트에 연결해 얻은 구동에너지로 공기를 압축한다. 슈퍼차저 중 부피가 가장 작다. 

반면 터보차저는 엔진의 배기가스로 터보(Turbo)라는 원동기를 가동시켜 에너지를 얻습니다. 기체인 배기가스가 배기관에 장착된 터보를 통과하면서 회전력을 만들어내는 것인데요. 높은 온도의 배기가스를 이용하기 때문에 열을 통제하는 기술도 필요합니다.

<터보차저의 대표적인 종류>

1. 싱글/멀티 터보차저

이름에서 알 수 있는 엔진에 터보 1개를 장착한 것이 싱글 터보차저, 2개 이상을 장착한 것이 멀티 터보차저이다. 작은 터보를 장착하면 빠른 반응을 얻을 수 있는 대신 출력이 높지 않고, 큰 터보를 장착하면 그 반대의 특성을 지닌다. 멀티 터보차저의 경우 서로 다른 크기의 터보를 장착해 크기에 따른 단점을 보완한다.

2. 트윈 스크롤 터보차저

1개의 터보차저에 2개의 배기관을 장착해 배기가스를 효율적으로 분배한다. 배기관은 2개지만 터보는 1개여서 싱글차저로 분류된다.

3. 가변 제어 가능 터보차저

배기가스가 지나가는 통로의 단면적을 조절하며 공기를 압축한다. 낮은 회전력에서도 반응이 빠른 편이다.

3교시. 두 차저의 장단점 비교

슈퍼차저의 장단점

▷장점: 반응이 빠르다 / 내구성이 좋다

▷단점: 엔진 효율이 낮다 / 출력 향상에 제한이 있다

앞서 살펴본 대로 슈퍼차저는 엔진 크랭크축의 회전력을 이용하기 때문에 엔진이 가동되면 바로 과급을 시작합니다. 차저의 반응 속도가 빠른 것인데요. 또 터보차저에 비해 온도가 낮아 내구성이 좋은 편입니다. 반면 엔진의 힘을 빌려 쓰는 방식이기 때문에 엔진 효율은 다소 낮은 편입니다. 출력 향상에도 제한이 있어 터보차저에 비해 고속에서의 힘이 약하죠.

터보차저의 장단점

▷장점: 엔진 효율이 높다 / 배기량에 구애받지 않는다

▷단점: 반응이 느리다 / 저속에 약하다

터보차저는 버려지는 에너지인 배기가스를 이용하므로 차저를 구동할수록 엔진의 효율은 개선됩니다. 이는 연비 향상으로 이어지죠. 배기량에 상관없이 터보차저로 높은 출력을 낼 수 있다는 장점도 있습니다.

 

하지만 터보차저는 배기가스가 배출되어야 터보가 가동하므로 시동 직후에는 높은 출력을 내지 못하는데요. 이른바 터보 랙(Turbo Lag) 현상이죠. 또 저속에서는 배기가스가 적게 배출되어 힘이 약합니다. 제조업체들은 다양한 종류의 슈퍼차저와 터보차저를 선보이며 구조적 한계를 극복해나가고 있습니다.

 

엔진에 힘을 실어주는 고마운 존재 슈퍼차저 vs 터보차저. 여러분은 어떤 과급기를 더 선호하시나요? 두 번에 걸쳐 진행된 [지우의 엔진교실]이 자동차 엔진에 대한 여러분의 어려움을 조금이나마 해결해주었기를 바라며 포스팅을 마치겠습니다. ^^