터보차저(Turbo Charger)는 배기가스를 이용해 터빈을 돌려 더 많은 흡입 공기를 엔진연소실로 넣어 줌으로써 엔진 출력을 향상해 주는 과급기입니다. 엔진 내부로 들어가는 공기의 밀도를 향상하게 시킴으로써 완전연소를 유도해 엔진의 폭발력이 향상하게 되고 이에 따라 고출력과 높은 토크를 얻는 것이 터보차저의 원리입니다.

터보차저는 항공기의 제트엔진에 처음으로 사용되기 시작했습니다. 2차 세계대전 당시 미국의 제너럴일렉트릭(GE)이 독일 방공망을 피하려고 더 높은 고도를 비행할 수 있는 전투기를 개발하기 위해 고안된 것으로 알려져 있습니다.

고도가 높은 곳은 공기 밀도가 지상보다 낮으므로 엔진의 연소효율이 떨어질 수밖에 없습니다. 따라서 터보차저와 같은 과급기가 필요할 수밖에 없었지요. 과급기가 자동차에 적용되기 시작하면서 같은 배기량으로도 더 높은 출력을 얻을 수 있는 터보차저는 고성능 차의 필수요소가 됩니다.

터보차저 엔진은 동급 엔진보다 출력과 토크가 높아서 차량 응답성이 좋아 운전의 재미를 줄 뿐 아니라 가솔린 터보엔진은 자연흡기식 엔진보다 20% 이상 경제적이며, 터보 디젤 엔진은 같은 출력을 가진 자연 흡기 엔진보다 40% 이상 연비가 뛰어난 것이 특징입니다.

흡입 공기를 최적화해 완전연소를 실현함으로써, 엔진을 다운사이징 하더라도 출력 손실이 없을뿐더러 이산화탄소배출량과 질소산화물 배출량을 줄여줍니다. 이러한 터보차저는 갈수록 고성능화되는 엔진의 요구조건에 따라 진화를 거듭해 왔고 최근에는 엔진의 출력향상을 목적으로 하기보다 배출가스저감 및 연비향상이라는 친환경적인 측면이 강조되고 있습니다. 

터보차저가 엔진의 연소효율을 개선해 유해 배출가스를 줄일 수 있을 뿐 아니라 연비향상에도 기여하기 때문이죠. 도널드 트럼프 대통령이 재조정 의사를 보이고는 있지만 오는 2025년 미국 내에서 판매하는 자동차회사는 23.0km/ℓ(54.5mpg)의 기업 평균연비를 만족하게 해야 합니다.

이에 따라 전 세계 자동차 회사는 엔진배기량 을 줄이고 차체 무게를 가볍게 해 배출가스를 줄이려는 소형화(Down sizing)에서 엔진의 효율성을 향상하게 시켜 배출가스는 물론 연비를 개선하는 등 파워트레인과 차량 전반의 효율성을 극대화하는 최적화(Right sizing)로 옮겨가는 추세입니다.

현재 터보차저는 전세계적으로 SUV를 포함한 승용 디젤은 100% 터보차저가 적용되고 있으며, 가솔린 모델은 15%에 불과하지만 오는 2025년 절반 이상이 터보차저를 장착할 것으로 예상합니다. 한 조사기관은지난해 38만 대인 터보 차 판매량은 오는 2021년에는 52만대로 35% 증가하는 등 신차의 48%에 터보차저가 장착될 것으로 예상했습니다. 

또한, 갈수록 증가하고 있는 친환경 차 시장에서도 전기차와 플러그인 하이브리드 등 풀 하이브리드 파워트레인을 제외한 마일드 하이브리드차의 절대다수(약 70%)가 터보차저를 적용할 것으로 예측됩니다. 

터보제조업체인 하니웰코리아 연구소장 이성훈 상무는 “터보차저는 갈수록 심화하고 있는 배출가스규제와 고성능화되고 있는 엔진의 요구조건 등 시장의 환경에 따라 업그레이드될 수밖에 없다”며 “최근에는 출력증강의 목적보다는 환경적, 경제적 요인의 터보 적용차가 증가하면서 가솔린 터보 적용이 확대되는 추세”라고 말했습니다.

한편 터보차저는 디젤의 경우 전자식 가변용량 터보차저(e-VGT) 기술을 적용하고 있지만, 가솔린의 경우 여전히 웨스트게이트 타입 터보차저(WGT)를 적용하는 것이 일반적입니다. 하지만 가솔린은 VGT와 같은 원리인 가변 노즐 터빈(VNT) 터보차저가 양산차에 적용되기 시작했습니다.

인피니티 VC-터보(가변 압축 터보)

VGT(또는 e-VGT) 및 VNT 기술은 터보차저를 구동하는 배출가스의 양을 진공챔버 또는 전자식 액추에이터를 이용해 운전상황에 따라 제어함으로써 터보랙을 최소화하고 연비향상 및 배출가스를 줄여주는 기술입니다.

올해부터 양산돼 신차에 적용될 예정인 폭스바겐 1.5ℓ 터보엔진은 VNT 터보로 기존 터보차저보다 연비가 10%가량 향상되는 것으로 알려져 있습니다. 또한 디젤 터보차저의 경우 저속 운전조건에서의 효율을 개선해 배출가스를 줄여주는 저속지향형 터보차저가 개발되고 있습니다.

일반적으로 터보차저의 작동영역이 2500rpm 이상의 중 고속 영역에서 작동되는 것과 달리 저속지향형 터보는 2000rpm 이하에서도 작동하는 것이 특징입니다. 이 외에도 또한 흡입 공기를 압축하는 컴프레서 휠이 두 개로 연결된 듀얼 부스터 터보차저나 저속구간에서 배기가스 대신 전기모터가 터빈을 구동시켜 주는 e-터보 기술도 새롭게 선보이 고 있는 신기술 중 하나입니다.

48V 시스템의 경우 잉여전력을 이용해 전기모터로 터보를 구동시켜 순간적으로 큰 힘을 발휘하는 e-부스트도 개발되고 있습니다. e-부스트는 최근 모터스포츠에서 흔히 사용되고 있는 기술이기도 합니다. 이쯤 되면 터보차저가 친환경이 강조되는 미래 자동차의 새로운 경쟁력 요소라고 볼 수 있겠죠.
<김아롱 기자=카테크>