놈놈놈! 자연흡기, 터보, 수퍼차저 엔진 이야기

 

얼마 전 미국에 있는 롱버텀님과 자동차와 관련한 이런 저런 수다를 떨다 엔진 얘기가 나왔습니다. 터보와 수퍼차저에 대한 얘기 끝에 제가 한 가지 제안을 했죠. 좀 쉽게 우리 방식으로 엔진에 대해 간단한 정리를 해보는 게 어떻겠느냐는 거였습니다. 워낙 다양한 자동차를 경험한 롱버텀님인지라 저 보다는 엔진의 특성을 몸으로 많이 익힌 상태였고, 그 경험을 다른 분들과 공유해 보는 게 어떻겠냐며 부탁을 했습니다.

 

며칠 후 재미난 형식의 엔진 관련 글을 롱버텀님으로부터 받았습니다. 내용이 좀 많긴 하지만 읽는데 큰 부담은 없을 거라 보고요. 자동차 엔진에 대한 기본적인 틀을 이 기회에 한 번 잡아 보셨음 합니다. 사진은 제가 준비했는데, 혹 잘못 된 부분이 있다면 바로 알려주시기 바랍니다. 그러면 재미난 엔진 이야기로 한 번 들어가 볼까요?

 

오늘은 실제 있었던 상황들을 토대로 해 자연흡기, 터보, 수퍼차처 엔진의 특성들에 대해 말을 해볼까 합니다. 어느 화창한 가을, 3대의 차가 따뜻한 햇살을 맞으며 한가한 교외로 드라이브를 나섰습니다. 드라이브에 나섰던 차는 BMW M3(E92), BMW 335i(E92-N54 트윈터보) 그리고 쉐비의 Cobalt SS(수퍼차저)였습니다.

순서대로 M3 (e92), 335i , 코발트 SS

 

여기서 잠깐!

M3나 335i 같은 모델은 많이들 아시겠지만 쉐보레 코발트 SS는 낯선 차량일 겁니다. 잠깐 소개를 하면요. Cobalt는 GM의 델타 플랫폼을 기반으로 만든 준중형 차였습니다. 2005~10년까지 생산됐는데 2도어 모델과 4도어 모델이 있었고 스포츠형 모델인 SS가 있었습니다. 오늘 얘기의 주인공이 바로 이 SS죠.

 

SS는 초기에는 2리터 슈퍼차저 엔진을 장착 205마력을, 후기형은 2리터 터보차저를 장착 260마력이라는 출력을 보였습니다. 리어 서스팬션은 한국에서 말 많던 토션빔 서스펜션을 장착 했습니다. 또한 GM은 델타2 플랫폼으로 한국에서 팔리고 있는 크루즈를 만들어 Cobalt의 후속 모델로 판매를 하고 있죠. 

차가 없는 한적한 길에 들어서자 세 모델은 서로를 비교해 보기로 했습니다. M3 와 Cobalt SS가 먼저 40마일에서 100마일 까지 누가 먼저 도달하는지 레이스를 하게 되었습니다. M3는 4리터 8기통 엔진으로 414마력을 내는 전형적인 고회전 엔진입니다.

 

그에 반해 Cobalt는 2리터 4기통 수퍼차저를 장착해 205마력을 내지만 수퍼차저 업그레이드를 해 300마력 중반의 성능을 보입니다. 하지만 M3 운전자는 그런 상황을 모른 채 레이스를 시작했습니다. 막상 레이스가 시작되자 차 반 대 차이도 나지 않을 정도로 막상막하의 레이스를 펼쳤습니다.

 

M3의 운전자는 결과에 당황해 했고 흡배기와 ECU가 튜닝되어 300마력 후반의 힘을 내는 335i와 두 번째 레이스를 벌였습니다. 하지만 결과는 차 한 대가 조금 넘는 차이로 지고 말았죠. 드라이브를 끝내고 식당에 모인 운전자들은 어째서 이런 결과가 나오게 됐는지 뜨거운 토론에 들어가게 됩니다.

 

그런데요. 먼저 운전자들의 대화를 엿듣기 전에 위에 소개된 세 차량의 엔진 특성에 대해 간단하게나마 알아 보는 게 좋을 거 같습니다.

 

BMW M3의 엔진은 앞서 말한 것처럼 고회전용 자연흡기 엔진입니다. 자연흡기 엔진은 피스톤이 하강하면서 실린더 내의 압력이(진공상태) 실린더 외부의 압력보다 낮아져 자연스럽게 외부의 공기를 실린더 내로 흡입을 하게 됩니다. 철저히 물리의 법칙을 따르는 엔진이라고 할 수 있겠죠.

 

335i는 BMW의 N54 엔진, 즉 과급기를 이용한 엔진입니다. 과급기라는 게 그럼 뭐냐? 엔진이 낼 수 있는 힘은 원래 배기량이 클수록 큽니다. 그런데 배기량을 키우지 않고도 출력을 높일 수 있는데, 그 역할을 담당하는 게 과급기죠. 한 마디로 엔진 전체의 폭발력을 키운다 보시면 될 거 같습니다. 이러한 과급기 엔진은 크게 터보 엔진과 수퍼차져 엔진으로 나뉩니다.

이 N54 엔진은 트윈터보가 들어가 있는데요. 터보 엔진은 자연흡기와는 달리 엔진의 폭발에서 나오는 배기가스의 힘으로 배기 매니폴드에 연결된 터빈을 돌려 그 힘으로 흡입 공기를 강제적으로 실린더로 들여 보내게 됩니다.

터빈 구조

터보차저의 원리

Cobalt SS의 엔진은 수퍼차저 엔진으로, 수퍼차저는 엔진의 크랭크 샤프트와 연결되어 그 힘으로 스쿠류나 터빈을 돌려 엔진으로 공기를 보내게 됩니다. 수퍼차저엔진의 방식은 여러가지가 있는데요. 그 중에서 센트리퓨걸(Centrifugal)방식, 루츠(Roots) 방식, 스크류(Screw) 방식 등의 대표적이라 할 수 있겠습니다. 

그럼 이 세가지 엔진 각각의 특성, 그 장단점은 어떻게 되는지 짚어 보도록 하겠습니다.

 

 

1. 자연흡기 엔진

자연흡기의 장점은 가속페달을 밟음과 동시에 엔진이 바로 응답하는 응답성이라 할 수 있을 것 같습니다. 근래에는 기술이 발전하여 터보차저 엔진이 자연흡기에 근접한 응답성을 보이기도 합니다만 개인적인 생각엔 자연 흡기의 그 감성만은 아직 과급기 모델이 따라오지 못하는 것 같습니다.

 

또한 구조나 무게가 같은 배기량의 과급압 엔진보다 간단하고 가볍다는 장점을 가지고 있습니다. 이 말은 또한 엔진을 구성하는 부품수가 적어지기에 관리가 조금 더 용의하고 엔진 제조 단가 역시 상대적으로 낮습니다. 물론 직분사 엔진 등 여러 방법들이 있지만 자연흡기 엔진의 출력을 올리는 가장 간단한 방법은 큰 배기량을 쓰거나  아님 엔진 회전수를 높이는 건데 이 방법은 차의 연비를 떨어지게 하는 가장 큰 요인입니다.

 

시대와 환경이 변해 가면서 효율이 낮은 자연흡기 엔진은 효율이 좋은 과급압 엔진에게 조금씩 밀리고 있는게 현실입니다. 하지만 개인적으로는 시대에 뒤떨어지는 엔진이 되어가는 대배기량 엔진이나 고회전 엔진을 여전히 좋아합니다.

 

 

2. 터보차저 엔진

터보차저의 가장 큰 장점은 같은 출력의 자연흡기 엔진보다 높은 효율을 보이는 것입니다. 물론 수퍼차저 보다도 높은 효율을 보입니다. 근래에 들어 환경규제 등에 따른 자연흡기 엔진의 다운 싸이징으로 배기량이 낮은 엔진에 터보차저를 더해 출력을 높여 대배기량의 엔진과 비슷하거나 더 높게, 그리고 연비까지 향상 시키고 있습니다. 요즘과 같이 기름값이 비싼 시대에 딱 알맞는 좋은 엔진이라 할 수 있습니다.

 

하지만 세상 이치와 같이 얻는 게 있으면 잃는 게 있겠죠. 터보차저 엔진은 구조가 복잡하고 관리가 힘들며 원가가 좀 더 들어 갑니다. 또한 일정한 압력이 차기 전에 생기는 터보렉이 있어 차가 한 박자 느린 반응을 보이기도 하죠. 하지만 터보렉 부분은 기술력으로 자연흡기 엔진과의 격차를 많이 줄이기도 하였습니다.

 

터보차저 원리는 앞서 말씀 드린 바와 같이 실린더 내에서 일어난 폭발 후의 배기가스 힘으로 터빈을 돌려 실린더 내에 강제적으로 공기를 보내는 것입니다. 터보차저를 구성하는 몇가지 중요한 부품은, 배기 매니폴드와 연결되어 있는 터빈, 압축된 고열의 공기 온도를 낮춰주는 인터쿨러, 배기가스 압력이 필요 이상 높게 되었을 때 압력을 원하는 수준으로 맞추기 위해 웨이스트게이트 등이 있습니다.

 

이 웨이스트게이트는 터빈하우징 안에 터빈과 같이 붙어 있거나 따로 터빈 근처에 장착되어 있는데요. 많은 분들이 터보차저를 장착한 차가 지나갈때 "피~슝" 하며 내는 소리를 들어 보신 적 있을 겁니다. 아마도 터보차저를 장착한 상징과도 같은 소리가 아닐까 하는데요. 요 피슝 소리가 나는 이유는 대략 이렇습니다.

 

운전자가 가속페달을 밟을 때 터보차저는 상당히 높은 압력의 공기를 빠르게 엔진룸으로 밀어 보냅니다. 하지만 가속페달에서 발을 떼는 순간 갈 이 없는 공기들은 우리가 흔히 말하는 김여사 김사장 처럼 갈 곳을 잃고 다시 배기가스가 돌리고 있는 반대 쪽 터빈을 향해 달려갑니다. 그리곤 그 터빈에 충돌하여 터빈을 손상 시키게 되죠.

 

바로 이러한 현상을 막아주기 위해 있는 것이 BOV(Blow-Off Valve)라는 겁니다. BOV에서는 이렇게 역류하는 길잃은 공기들을 밖으로 빼주는 역할을 하며, 그 공기들이 내는 소리가 피~슝하며 납니다. 많은 사람들이 터보차저 엔진을 튜닝할 때 바로 이 BOV를 튜닝하여 좀 더 강하고 또는 색다른 소리가 나게 하기도 합니다.

간단하게 살펴 봐도 참 들어가는 부품이 많고 복잡합니다. 거기에 터보 차들은 배관공이 필요할 만큼 정교한 파이프 라인이 필요합니다. 이렇게 복잡한 만큼 고장날 부분도 많이 생기게 되는 것이죠. 하지만 이러한 단점들에도 불구하고 효율이 높은 터보차저 엔진은 지금 대세를 이루고 있습니다.

 

요즘은 많은 연구를 통해 트윈터보, 트윈 스크롤 터보 등 터보차저의 단점들을 많이 보완하여 터보렉도 거의 느껴지지 않을 만큼 빠른 반응을 보입니다. 하지만 타이슨의 어퍼컷 한 방 처럼 묵직한 느낌을 주던 예전 터보 차 느낌을 느끼지는 못한다는 게 반대로 아쉬움이라 할 수 있겠습니다. 이 말을 다시 설명하자면 바로 터보렉인 거죠.

개인적으로 이 터보렉을 무척 싫어 합니다. 원하는 순간 바로 힘을 이끌어 내는 게 아니라 한박자 기다렸다 나오는 그 힘! 하지만 몸을 의자로 푹 파묻히게 할 만큼 터져나오는 그 순간적인 터보의 힘 만큼은 매력적이지 않을 수 없었는데. 이게 사라졌다는 것이 아쉽네요. 좀 아이러니하죠?

 

3. 수퍼차저 엔진

앞서 말씀 드렸 듯 수퍼차저 엔진은 크게  스크류(Screw) 방식, 루츠(Roots) 방식, 센트리퓨걸(Centrifugal)방식 등 3가지 방식이 있습니다. 이 세가지 방식 모두 크랭크 샤프트와 연결이 되어 엔진의 힘으로 작동 합니다. 크랭크 샤프트는 피스톤과 연결된 것으로 폭발된 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 역할을 합니다.

피스톤과 연결돼 있는 크랭크 축

먼저 스크류 방식은 말그대로 오래 전 먹던 스크류바라는 아이스크림 모양의 스크류 두 개가 공기를 압축하여 엔진 내부로 압축된 공기를 보내는 방식입니다. 이 방식의 가장 큰 장점은 초반부부터 레드존까지 끝없이 밀어주는 토크감에 있다고 하겠습니다.

요즘 들어 고성능 차와 튜닝 모델에 많이 쓰이는 방식으로 강한 압축을 할 수 있는 장점은 있지만 그에 따른 소음이 크다는 단점도 가지고 있습니다. 물론 그 소음은 듣는 사람에 따라선 소음이 아닌 듣기 좋은 슈퍼차저 사운드로 들릴 수도 있지만 말이죠.

2002년 쾨니세그 CC8S 모델

쾨니세그(Koenigsegg) CC8S도 메르세데스 SLR도 이 방식을 썼습니다. 쾨니세그 CC8S는 사실 포드의 모듈라 엔진을 베이스로 만들었는데요. 쾨니세그로서는 별로 드러내고 싶지 않은 내용일지도 모르겠습니다. 어쨌뜬 이 모듈라 엔진을 장착한 대표적인 차가 머스탱이며 다양한 배기량으로 다양한 차에 올려진 OHC엔진입니다.(DOHC, SOHC엔진 모두 존재) 미국에선 애프터 마켓용으로 주로 쓰이며, 머스탱이나 카마로 등을 튜닝할 때 켄벨(Kenne Bell) 제품을 가장 널리 이용합니다.

 
루츠 방식은 모양에 따른 이름이 아니라 개발자의 이름을 딴 명칭인데요.(1860년에 루츠형제에 의해 개발됨) 이 방식은 내구성이 좋고,  낮은 알피엠에서 토크가 좋고 스크류 방식에 비해 소음 또한 적습니다. 하지만 효율면에선 스크류 방식보다 떨어지고, 고알피엠에서 급격히 토크가 떨어지기도 합니다.

그래도 내구성이 좋은 이유로 자동차 회사에선 순정 장착을 많이 하고 있습니다. 이튼(Eaton)은  바로 루츠방식의 슈퍼차저를 만드는 대표적인 회사로 이튼슈퍼차저라하면 루츠방식의 대명사 처럼 쓰이기도 합니다.
신형 재규어 XJ 수퍼차져,아우디의 S모델들이 이방식을 쓰고 있습니다.

사진 위) 이튼의 수퍼차저 , 사진 아래) 재규어 XJ

마지막으로 센트리퓨걸 방식은 모양이 흡사 터보차저 구조와 비슷해 보이지만 크랭크에 벨트를 걸어 이용하는 방식입니다. 부피를 많이 차지하지 않고 고회전 엔진에 적합합니다. 하지만 센트리퓨걸의 가장 큰 단점은 슈퍼차저가 기본적으로 갖고 있는 빠른 응답과 달리 저알피엠에서는 흡사 터보챠저의 터보렉과 같은 현상을 느끼게 해줍니다.

 

이방식은 E65 알피나 B7모델에 사용을  했었습니다. 또한 엔진룸이 협소한 BMW모델의 튜닝용으로 많이 쓰입니다. 미국의 대표적인 BMW 튜닝회사인 ESS에서는 E92모델에 센트리퓨걸 방식을 이용해 600마력 이상의 차를 만들기도 하고, 독일의 유명한 G-Power에서는 E60 M5 모델에 750마력 짜리 M5를 만들어 내놓기도 했습니다. 센트리퓨걸 슈퍼차저를 만드는 대표적인 회사로는 보텍(Vortech)이 있습니다.

사진 위) ESS M3, 사진 아래) G-POWER M5

각 방식에 따라 장단점이 조금씩 차이가 나긴 하나 공통적으로 말할 수 있는 몇 가지를 다시 짚어 보면, 먼저 슈퍼차저의 장점은 자연흡기처럼 응답성이 좋다는 것입니다. 또한 과급기 엔진이지만 터보차저에 비해 구조가 간단하고 내구성이 좋은 편이고, 관리가 쉽습니다. 또한 열과의 싸움을 벌여야 하는 터보차저와는 다르게 경우에 따라 인터쿨러를 설치 하지 않아도 될 정도로 열의 간섭이 터보차저 보다 적습니다.

 

하지만 단점으로는 효율이 터보차저 보다 떨어지고, 엔진의 크랭크와 직접 연결되어 엔진의 힘을 어느 정도
빼앗아 오기 때문에 배기량이 낮은 차에서는 효율이 좀 더 떨어지기도 합니다. 큰 단점까지는 아니지만 풀리와 벨트의 상태에 따라 출력이 떨어지는 경향이 있기도 합니다.

 

여기까지 해서 간단하게 자연흡기, 터보차저, 슈퍼차저 엔진의 특성들을 살펴 봤습니다. 앗! 그런데 이런 얘기를 좀 나누다 보니 세 명의 운전자들의 대화가 많이 진행이 되어 버렸네요. 그럼 그들의 얘기를 어서 마저 들어 볼까요?

 

M3 운전자 : 난 이런 결과가 나오리라고는 상상을 하지 못했어, 사실 내 차가 제일 빠를 거라 생각했는데, 대체 어떻게 이런 결과가 나온 거지?

335i 운전자 : 난 사실  ECU와 흡배기 튜닝을 좀 했어.

코발트 운전자 : 나도 수퍼차저 업그에이드와 흡배를 했지.

M3 운전자 : 그랬었군! 그렇다고 해도 출력은 내 차에 못 미칠 텐데 말야.

335i 운전자 : 여기서 잠깐 생각해 봐야 할 건, 우리가 살고 있는 곳이 1800 미터가 넘는 높은 곳(콜로라도)이라는 거야. 만약 우리가 라스베가스 같은 곳에서 달렸다면 결과가 달라졌을지도 모르지.

코발트 운전자 : 맞아! 공기의 밀도가 낮은 곳에서는 과급기가 달린 차들이 유리해, 과급기가 발전된 이유 중 하나가 바로 높은 곳을 비행하던 비행기의 출력을 높이려는 노력 때문이기도 했지.

M3 운전자 : 아무리 그래도 난 아직까진 자연흡기 엔진에 더 끌린다네.

335i 운전자 : 어련하시겠나 하하하.

 

그렇게 이들의 대화는 끝이 났습니다. 전 개인적으로 자연흡기 엔진을 가장 좋아합니다만, 사람마다 좋아 하는 차종이 다르 듯 좋아하는 엔진 방식도 다 다를 겁니다. 제가 과급압 엔진을 무조건 싫어 하는 건 아닙니다. 수퍼차저가 주는 꾸준한 토크감도 좋아해요.

 

그리고 좀 아이러니할지 모르지만 예전 터보차저 차들은 터보렉이 꽤 컸었습니다. 그 때문에 터보차저 엔진을 싫어했지만, 또 바로 그 점 때문에 좋아하기도 했습니다. 반응없이 뚱 하고 있다가 머리가 시트에 파묻힐 정도로 팍~ 하고 차고 나가는 그 느낌 말이죠. 이젠 기술의 발전으로 인해 그런 터보차저의 특성을 가진 차는 거의 없다고 봐야겠죠.

 

부족하나마 제가 알고 있는 내용으로 해서 엔진의 특성들에 대해 한번 얘기해 봤습니다. 여러분은 어떤 엔진 방식을 좋아하시나요?